生产技术｜陶瓷烧成工艺制度与窑炉

一陶瓷烧成

　　烧成是指坯体在高温下发生一系列物理化学反应，使坯体矿物组成与显微结构发生显著变化，外形尺寸固定，强度提高，最终获得某种特定使用性能陶瓷制品的过程。

　　坯体在烧成过程中的物理化学反应，如表1所示：

温度范围

物化反应

低温阶段（常温~300℃）

排除残余水分

氧化分解阶段（300~950℃）

排除结构水、有机物，碳和无机物氧化，碳酸盐、硫酸盐分解，晶型转变

高温阶段（950~烧成温度）

上述氧化、分解继续，生产液相。固相溶解，形成新晶相和晶体长大，釉熔融。

釉熔融冷却阶段（烧成温度~室温）

液相析晶，液相过冷凝固，晶型转变。

二烧成工艺制度

　　烧成制度包括温度制度、气氛制度和压力制度。影响产品性能的重要因素是温度和气氛，压力制度旨在温度和气氛制度的实现。温度制度包括升温速度、烧成时间和保温时间，冷却速度等参数。

2.1 烧成温度曲线的制定

　　烧成温度曲线表示由室温加热到烧成温度，再由烧成温度冷却至室温的烧成过程全部的温度—时间变化情况。烧成温度曲线的性质取决于下列因素：

　　①烧成时坯体中的反应速度。坯体的组成、原料性质以及高温中发生的化学变化均影响反应的速度。

　　②坯体的厚度、大小及坯体的热传导能力。

　　③窑炉的结构、形式和热容，以及窑具的性质和装窑密度。

2.1.1 升温速度的确定

　　低温阶段：升温速度主要取决于坯体入窑时的水分。氧化分解阶段：升温速度主要取决于原料的纯度和坯件的厚度，此外，也与气体介质的流速和火焰性质有关。高温阶段：升温速度主要取决于窑的结构、装窑密度以及坯件收缩变化的程度。

2.1.2 烧成温度及保温时间的确定

　　烧成温度必须在坯体的烧结范围之内，而烧结范围必须控制在线收缩(体积收缩)达到最大而显气孔率接近于零（细瓷吸水率<0.5%）的一段温度范围。最适宜的烧成温度或止火温度可根据坯料的加热收缩曲线和显气孔率变化曲线来确定。保温时间的确定原则是保证所需液相量平稳地增加，不致使坯体变形。

2.1.3 冷却速度的确定

　　冷却速度的确定主要取决于坯体厚度以及坯内液相的凝固速度。

2.2 气氛制度

　　气体介质对含有较多铁的氧化物、硫化物、硫酸盐以及有机杂质等陶瓷坯料影响很大。同一坯体在不同气体介质中加热，其烧结温度、最终烧成收缩、过烧膨胀以及收缩速率、气孔率均不同，故要根据坯料化学矿物组成，以及烧成过程各阶段的物理化学变化规律，恰当选择气体介质（气氛）。

2.3 压力制度

　　窑内合理的压力制度是实现温度制度和气氛制度的保证。为保持合理的压力制度，可采取调节总烟道闸板和排烟孔小闸板来控制抽力；控制好氧化幕、急冷气幕以及抽余热风机的风量与风压，并适当控制烧嘴油量，调节车下风压和风量等办法。

三陶瓷烧结方法

3.1 常压烧结

　　常压烧结又称为普通烧结，指烧结过程中无外加压力，只在常压下即自然大气条件下，置于可加热的窑炉中，在热能作用下，坯体由粉末聚集体变成晶粒结合体，多孔体变成致密体。它是烧结工艺中最传统、最简便、最广泛使用的一种方法。

3.2 热压烧结

热压是加压成型和加热烧结同时进行的工艺。热压的优点有：

（1）热压时，由于粉体处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，因此成型压力仅为冷压法的1/10；

（2）由于同时加温加压，有助于粉末颗粒的接触和扩散、流动等传质过程，降低烧结温度和缩短烧结时间，因而抑制晶粒的长大；

（3）热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，容易实现晶粒的取向效应和控制含有高蒸汽压成分的系统的组成变化，因而容易得到具有良好机械性能、电学性能的产品；

（4）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。

热压法的缺点：生产率低、成本高。

3.3 热等静压（HIP）

热等静压的热力传递介质为惰性气体，热等静压工艺是将粉末压坯或装入包套的粉料放入高压容器中，使粉料经高温和均衡压力的作用下，被烧结成致密体。图1为热等静压装置图。

图1热等静压装置图

1—压力容器；2—气体介质；3—压坯；4—包套；5—加热炉

　　热等静压强化了压制和烧结过程，降低烧结温度，消除空隙，避免晶粒长大，可获得高的密度和强度。同热压法相比，热等静压温度低，制品密度提高。

3.4 反应热压烧结

　　反应热压烧结是指在烧结传质过程中，除利用表面自由能下降和机械作用力推动外，再加上一种化学反应能作为推动力或激活能，以降低烧结温度，亦即降低了烧结难度以获得致密陶瓷体。

3.5 反应烧结（反应成型）

　　反应烧结（反应成型）是通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，使坯体质量增加，孔隙减小，并烧结成为具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。同其它烧结工艺相比，反应烧结有如下几个特点：

（1）反应烧结时，质量增加；其它烧结过程也可能发生化学反应，但质量不增加；

（2）烧结坯件不收缩，尺寸不变，因此可制造尺寸精确的制品；

（3）普通烧结，物质迁移发生在颗粒之间，在颗粒尺度范围内。而反应烧结的物质迁移过程发生在长距离范围内，反应速度取决于传质和传热过程；

（4）液相反应烧结工艺，在形式上同粉末冶金中的熔浸法类似，但是熔浸法中的液相和固相不发生化学反应，也不发生相互溶解，或只允许有轻微的溶解度。

通过气相的反应烧结陶瓷有反应烧结氮化硅（RBSN）和氮氧化硅（Si2ON2）。通过液相的反应烧结陶瓷有反应烧结碳化硅。图2为碳化硅反应烧结炉示意图。

图2 碳化硅反应烧结炉示意图

1—石英窗口；2—碳化硅坯件；3—石墨屏；4—氧化硅铝；5—冷却水；6—支座；

7—接泵；8—冷却水泵；9—石墨坩埚；10—感应线圈；11—密封圈

3.6 气氛烧结

　　对于空气中很难烧结的制品（如透光体或非氧化物），为防止其氧化等，在炉膛内通入一定的气体，形成所要求的气氛，在此气氛下烧结。气氛烧结主要有三种形式：制备透光性陶瓷的气氛烧结（Al2O3、MgO、Y2O3、BeO等透光体）、防止氧化的气氛烧结（Si3N4、SiC陶瓷）、引入气氛片的烧结（锆钛酸铅等压电陶瓷）。

3.7 电火花烧结

　　电火花烧结也称为电活化压力烧结，它是利用粉末间火花放电产生高温和同时施加压力的烧结方法。电火花烧结经历放电活化和热塑形变致密化两阶段，烧结时间短，烧结所用压力比普通热压低，广泛用于铍、硬质合金、氮化物、金刚石制品的生产。

3.8 放电等离子烧结

　　放电等离子烧结（SPS）技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得材料致密度高、性能好等优点。

四影响烧结的因素

4.1 原始粉料的粒度

　　细颗粒可以增加烧结的推动力，缩短原子扩散距离和提高颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。

4.2 添加剂的作用

4.2.1 外加剂与烧结主体形成固溶体

　　外加剂与烧结主体形成固溶体，使主晶相晶格畸变，缺陷增加，便于结构基元移动而促进烧结。

4.2.2 外加剂与烧结主体形成液相

由于液相中扩散传质阻力小、流动传质速度快儿降低了烧结温度和提高坯体的密度。

4.2.3 外加剂与烧结主体形成化合物

　　在烧结透明的Al2O3制品时，为抑制二次再结晶，消除晶界上的气孔，一般加入MgO或MgF2，高温下形成镁铝尖晶石（MgAl2O4）而包裹在Al2O3晶粒表面，抑制晶界移动速率，充分排除晶界上的气孔，促进坯体烧结致密化。

4.2.4 扩大烧结范围

4.3 烧结温度和保温时间

4.4 盐类的选择及其煅烧条件

4.5 气氛的影响

4.6 成型压力的影响

五陶瓷烧成设备——窑炉

5.1 隧道窑

　　隧道窑是陶瓷生产中使用最普遍的窑型，其基本特征是窑体外形像一条隧道，其特点是连续性生产，产量高。一般隧道窑的工作系统包括排烟系统、冷却系统、助燃系统、气幕隔离系统和搅拌系统等。隧道窑包括四个部分：窑体、窑内输送设备、燃烧设备和通风设备。

图3 隧道窑内部示意图

5.2 辊道窑

　　辊道窑也称为辊底式隧道窑或辊底窑。它是利用一系列的辊子作为制品的输送工具。辊道窑的特点：加热温度均匀，且窑内断面温差小，有利于实现自动化和机械化，降低能耗，便于维护和检修。

图4 辊道窑外部示意图

5.3 梭式窑

　　梭式窑是一种窑车式的倒焰窑；烧嘴安放在两侧窑墙上，并视窑的高矮设置一层或数层烧嘴；窑底用耐火材料砌筑在窑车钢架结构上；窑底吸火孔、支烟道设于窑车上，并使窑墙下部的烟道和窑车上的支烟道相连接。利用卷扬机或其它牵引机械设备；使装载制品的窑车在窑室底部轨道上移动，为充分利用梭式窑的生产能力，通常配备窑内可容纳2倍，甚至3倍以上数量的窑车；窑车之间以及窑车与窑墙之间设有曲封和砂封。图5为梭式窑结构示意图。