《陶瓷工艺学》

邱柏欣、林少敏、张晨阳

目录

  • 1 绪论
    • 1.1 陶瓷的概念与分类
      • 1.1.1 概念
      • 1.1.2 分类
    • 1.2 陶瓷工艺技术的内容及陶瓷生产工艺
    • 1.3 陶瓷工业发展及其在国民经济中的地位
      • 1.3.1 陶瓷工艺发展
      • 1.3.2 陶瓷工业在国民经济中的地位
    • 1.4 学在正课前
    • 1.5 习题
  • 2 陶瓷原料
    • 2.1 架状硅酸盐原料
      • 2.1.1 石英类原料
        • 2.1.1.1 石英类原料的种类和性质
        • 2.1.1.2 石英的晶型转化
        • 2.1.1.3 石英在陶瓷生产中的作用
      • 2.1.2 长石类原料
        • 2.1.2.1 长石的种类和性质
        • 2.1.2.2 长石的熔融特性
        • 2.1.2.3 长石在陶瓷生产中的作用
        • 2.1.2.4 长石的代用原料
    • 2.2 层状硅酸盐原料(黏土)
      • 2.2.1 黏土的成因及分类
      • 2.2.2 黏土的组成
      • 2.2.3 黏土的工艺性质
      • 2.2.4 黏土的加热变化
      • 2.2.5 黏土在陶瓷生产中的作用
      • 2.2.6 国内的黏土原料
    • 2.3 链状硅酸盐原料
      • 2.3.1 锂辉石
      • 2.3.2 硅灰石、透辉石和透闪石
    • 2.4 其他原料
      • 2.4.1 钙镁质原料
        • 2.4.1.1 碳酸盐类原料
        • 2.4.1.2 滑石、蛇纹石
        • 2.4.1.3 骨灰和磷灰石
      • 2.4.2 其他矿物原料
      • 2.4.3 工业废渣原料
    • 2.5 原料的质量评价及其引起的常见缺陷
      • 2.5.1 陶瓷原料的质量评价
      • 2.5.2 原料引起的常见缺陷
  • 3 坯釉料配方及其计算
    • 3.1 坯、釉料配方
      • 3.1.1 坯、釉料配方表示方法
      • 3.1.2 坯料配方组成
      • 3.1.3 釉料配方组成
      • 3.1.4 确定配方的依据
    • 3.2 配方基础计算
      • 3.2.1 吸附水计算
      • 3.2.2 不含灼减量的化学组成计算
      • 3.2.3 配方的坯式和釉式计算
      • 3.2.4 黏土原料与坯料示性矿物组成的计算
      • 3.2.5 酸性系数的计算
    • 3.3 坯料配方的制定
    • 3.4 釉料配方的制定
    • 3.5 原料替代配方的制定
    • 3.6 陶瓷生产实验配方的计算方法
  • 4 坯料的制备
    • 4.1 原料的预处理
      • 4.1.1 原料的热处理
      • 4.1.2 原料的精选
      • 4.1.3 原料的破碎
        • 4.1.3.1 破碎方法
        • 4.1.3.2 破碎设备
    • 4.2 配料及细粉磨
      • 4.2.1 配料
      • 4.2.2 细粉磨
      • 4.2.3 除铁、过筛、搅拌
    • 4.3 泥浆脱水
      • 4.3.1 压滤脱水
      • 4.3.2 喷雾干燥脱水
    • 4.4 练泥和陈腐
      • 4.4.1 真空练泥
      • 4.4.2 陈腐
    • 4.5 可塑法成型坯料制备
      • 4.5.1 泥料制备
      • 4.5.2 泥料工艺性能要求
    • 4.6 注浆法成型坯料制备
      • 4.6.1 泥浆的制备
      • 4.6.2 泥浆的工艺性能要求
    • 4.7 压制法成型坯料制备
      • 4.7.1 粉料的制备
      • 4.7.2 粉料工艺性能要求
  • 5 成型
    • 5.1 成型方法的分类及选择
      • 5.1.1 成型方法的分类
      • 5.1.2 成型方法的选择
    • 5.2 可塑成型
      • 5.2.1 工艺原理
      • 5.2.2 成型方法和常见的缺陷
    • 5.3 注浆成型
      • 5.3.1 工艺原理
      • 5.3.2 成型方法
      • 5.3.3 常见缺陷
    • 5.4 压制成型
      • 5.4.1 压制成型的工艺原理
      • 5.4.2 加压制度对坯体质量的影响
      • 5.4.3 添加剂的选用
    • 5.5 成型模具
      • 5.5.1 石膏及石膏模型
      • 5.5.2 金属模具
      • 5.5.3 模具的放尺
    • 5.6 修坯与粘接
      • 5.6.1 修坯
      • 5.6.2 粘接
  • 6 干燥
    • 6.1 干燥原理
      • 6.1.1 干燥概念
      • 6.1.2 干燥过程与坯体的变化
      • 6.1.3 影响干燥速度的因素
    • 6.2 干燥方法及设备
      • 6.2.1 热风干燥
      • 6.2.2 辐射干燥
      • 6.2.3 高频电干燥
      • 6.2.4 微波干燥
      • 6.2.5 其他干燥
    • 6.3 干燥制度
      • 6.3.1 干燥速度
      • 6.3.2 干燥介质的温度和湿度
      • 6.3.3 干燥介质的流速及流量
    • 6.4 干燥缺陷及排除
      • 6.4.1 变形
      • 6.4.2 开裂
    • 6.5 章节复习
  • 7 釉及釉料制备
    • 7.1 釉的作用、特点与分类
      • 7.1.1 釉的作用与特点
      • 7.1.2 釉的分类
    • 7.2 釉的性质
      • 7.2.1 化学稳定性
      • 7.2.2 熔融性能
      • 7.2.3 膨胀系数、抗拉强度和弹性模数
      • 7.2.4 各氧化物对釉性能影响
    • 7.3 坯釉适应性
      • 7.3.1 膨胀系数对坯釉适应性的影响
      • 7.3.2 中间层对坯釉适应性的影响
      • 7.3.3 釉的弹性和抗张强度对坯釉适应性的影响
      • 7.3.4 釉层厚度对坯釉适应性的影响
      • 7.3.5 使坯釉相适应的几种方法
    • 7.4 釉浆的制备及施釉工艺
      • 7.4.1 釉浆的制备
      • 7.4.2 釉浆的工艺性能要求
      • 7.4.3 施釉工艺
    • 7.5 釉引起的缺陷和预防
      • 7.5.1 釉浆制备引起的常见缺陷和预防
      • 7.5.2 施釉引起的常见缺陷和预防
  • 8 烧成
    • 8.1 坯釉在烧成过程中的物理、化学变化
      • 8.1.1 坯体物理、化学变化
      • 8.1.2 坯体的显微结构变化
      • 8.1.3 釉层形成
    • 8.2 烧成制度
      • 8.2.1 烧成制度的制定与工艺控制
      • 8.2.2 一次烧成与二次烧成
      • 8.2.3 低温烧成与快速烧成
    • 8.3 窑具和装窑
      • 8.3.1 窑具
      • 8.3.2 装窑
    • 8.4 烧成缺陷分析
      • 8.4.1 变形
      • 8.4.2 开裂
      • 8.4.3 起泡
      • 8.4.4 烟熏、阴黄与火刺
      • 8.4.5 针孔、橘釉和缺釉
      • 8.4.6 落脏与釉面污光
      • 8.4.7 生烧与过烧
      • 8.4.8 色差
  • 9 陶瓷装饰
    • 9.1 陶瓷色料
      • 9.1.1 陶瓷色料分类
      • 9.1.2 陶瓷色料呈色
      • 9.1.3 陶瓷色料制备
    • 9.2 色釉及艺术釉
      • 9.2.1 色釉
      • 9.2.2 艺术釉
      • 9.2.3 干式釉
    • 9.3 色坯和色粒
      • 9.3.1 坯用色料
      • 9.3.2 色粒坯料的制备
      • 9.3.3 色粒坯料成型布料工艺
    • 9.4 渗花和抛光
      • 9.4.1 渗花
      • 9.4.2 抛光
    • 9.5 贴花
      • 9.5.1 贴花纸种类和特点
      • 9.5.2 贴花纸使用方法
    • 9.6 丝网印刷
      • 9.6.1 常用色料和调料剂
      • 9.6.2 彩料制备
    • 9.7 其他装饰方法
      • 9.7.1 彩饰
      • 9.7.2 贵金属装饰
  • 10 特种(先进)陶瓷简介
    • 10.1 简介及工艺流程
    • 10.2 课件等
      • 10.2.1 其他
      • 10.2.2 功能陶瓷
釉料配方的制定

3.4.1 釉料配方的制定原则

合理的釉料配方对于获得优质的釉层至关重要。在制定具体釉料配方时,需要遵循以下几个关键原则:

  1. 根据坯体性能调整釉料熔融性能:釉料的熔融性能涵盖熔化温度、熔体性质和釉面特征等方面。首先,釉料需在坯体烧结温度下成熟。为确保釉在坯上均匀铺展,釉料的成熟温度应接近坯体烧成温度且略低。为防止釉泡和针孔等缺陷,釉料应具备较高的始熔温度和不小于30℃的熔化温度范围。

  2. 选择与坯体相适配的釉膨胀系数:“正釉”可提升产品抗张强度和热稳定性,利于坯釉结合。釉的膨胀系数应接近坯体且略低,两者差异程度取决于坯体种类和特性。

  3. 选择与坯体相适配的釉酸碱度:坯釉结合面发生化学反应,形成中间层是确保坯釉紧密联合的关键。酸性坯配碱性釉,碱性坯配酸性釉。酸碱度用系数CA衡量,一般日用瓷器CA为1~2,精陶CA为1.2~1.3,瓷釉CA为1.5~2.5,含硅量高配石灰釉。

  4. 关注釉的弹性和抗张强度:坯釉结合与釉的弹性和抗张强度密切相关。釉需具备较高抗张强度和与坯体匹配的弹性模数。

  5. 合理选择原料:釉料原料种类繁多,包括天然矿物和化工原料。不同原料在高温下的性能差异显著,如熔融温度、高温粘度、密度和粘附性等。即使化学组成合理,原料选择不当也会影响釉浆性能和釉面质量。

    • Al₂O₃来源:优先从长石引入,避免由粘土带来熔化不良问题。釉料组分复杂,多数为不同密度瘠性料,需适量粘土改善釉浆悬浮性和坯体结合力,粘土用量控制在10%以内,部分用膨润土。预烧部分粘土或引入少量瓷粉,可防止干燥开裂和烧后缩釉,增强坯釉结合。

    • MgO应用:用MgO降低釉膨胀系数、提高弹性时,滑石是优质原料,可改善釉浆悬浮性,增宽烧成范围,提升釉抗气能力,克服烟熏和发黄缺陷,强化乳浊作用提高釉面白度。MgO达3%时,釉表面张力过大引发缩釉,白云石引入MgO不会明显乳浊,适合透明釉。

    • 滑石和ZnO处理:滑石预烧(1250~1350℃)并细磨后使用,部分滑石提高釉浆悬浮性。ZnO含量高时,部分ZnO需预烧(1000~1200℃),ZnO助熔,提升釉热稳定性、白度和光泽,扩大烧成范围,但用量过多或全部生ZnO会导致脱釉、晶析和缩釉,影响釉彩,需限制用量。

综上所述,氧化物对釉性能影响复杂,同一氧化物对釉性能影响因原料种类而异。确定釉料配方时,需明确主要矛盾,结合实际操作经验和坯体坯釉系统特性进行调整。

3.4.2 确定釉料配方的方法与步骤

确定釉料配方所需资料

确定釉料配方前,需掌握以下资料:

  1. 坯体的烧成温度、烧成范围及烧成气氛、坯体的主要化学组成。

  2. 对釉面特征(如光泽、乳浊、透明等)及制品机械强度、热稳定性、釉的耐酸碱能力及硬度等性能的具体要求。

  3. 制釉原料的化学组成、含杂质情况及工艺性能等。

利用三元相图确定釉料配方

借助三元相图和有效的经验,将生产用原料换算成相应的三元系统组成。以长石釉和三元相图关系为例:

将生产用长石釉的组成换算成相应的CaO-Al₂O₃-SiO₂三元系统组成。在三元相图中确定组成点的位置。结果表明,优质光泽釉的组成多处于Al₂O₃:SiO₂=1:7至1:11.5的线段间阴影区域内(见图3-11)。其中,a、b、c、d、e为五种标准光泽釉的配方组成(见表3-25)。

对于碱性组成为0.0~0.3K₂O(Na₂O), CaO为0.7~1.0的光泽釉,其组成区域以共晶线XY及其附近为界向斜长石结晶区伸展。由于Al₂O₃:SiO₂=1:7和1:11.5的线段间距离较近,因此只要Al₂O₃略增加,组成点就会进入钙长石结晶区。当Al₂O₃:SiO₂>1:11.5时,即SiO₂含量增多,釉中会析出方石英,釉面失去光泽,釉的烧成温度也应适当提高至1250℃以上。因此,光泽釉的配方组成范围为:

  • Al₂O₃:SiO₂=1:7~1:11.5

  • 硅酸盐为碱性和中性氧化物总量的2~3倍

  • Al₂O₃约为8~10倍

在实际釉料配方中,硅酸盐的用量范围大致为:

  • 0~0.2分子数:SK₃O₂O₂

  • 0.2~0.5分子数:SK₂O₃O₃

  • 0.5~1.25分子数:SK₁O₂O₂

少量Al₂O₃虽可增加釉的流动性,但过多会显著提高釉的成熟温度和粘度,过多则使釉面无光或光泽发暗。

氧化物对釉性能的影响

BaO、ZnO、MgO等氧化物对釉性能的影响可归纳如下:

  1. 在高温熔融性中,CaO的重要性远较其他碱性成分重要。

  2. 添加少量MgO可使CaO-Al₂O₃-SiO₂系统易熔。用ZnO替代CaO时,该系统能在大范围内产生低共熔作用。

  3. 以MgO和ZnO为主要碱性成分时,釉中的Al₂O₃:SiO₂比值较以CaO为主的釉大。

  4. 不同碱性成分的RO-Al₂O₃-SiO₂系统的最低共熔物具有不同的Al₂O₃:SiO₂比值。例如:

    • BaO系统中为1:9.2

    • CaO系统中为1:9.0

    • MgO系统中为1:5.9

    • ZnO系统中为1:4.5

以上组成点仅供参考。在将实用釉转换为相应的CaO-Al₂O₃-SiO₂或K₂O-Al₂O₃-SiO₂三元系统时,采用Richters的近似原则,即各氧化物的质量分数分别乘以转换系数,然后在相图中找到相应位置。

利用测温锥图进行配方

根据经验,用标准测温锥测定陶瓷坯体的烧成温度时,两者之间相差4~5个锥温。因此,在配制釉料时,可根据坯体的烧成温度选择适当的测温锥,利用测温锥的组分作为釉料配方的参考。

3.4.3 釉的配方计算

釉的配方计算方法

釉的配方计算是根据釉的化学组成计算出各原料的配合比,这一过程称为釉料配方计算。生料釉的计算方法与坯料相似,可参考相关章节。

熔块釉的计算

熔块釉是先将釉料配方中的部分原料按比例配料混合后,经高温熔融、淬冷制成熔块,再与其他生料配料,混合粉磨而成的釉。关于熔块与生料的比例,存在不同意见。有人认为大部分原料应放入熔块,只留5%~10%的生料配釉;也有人认为应保留较多生料,甚至高达50%。综合各种意见,熔块与生料的比例对釉与坯的适应性和釉的熔融性能有显著影响。熔块中釉料比例较高时,釉对烧成温度的敏感性降低,低温时流动性好,高温时黏度变化小,烧成范围变宽。因此,建议熔块比例控制在80%左右,生料比例控制在20%以内。生料应选择不溶于水或具有良好悬浮性的原料。

熔块配制原则

  1. 均匀熔化:在确定酸性氧化物与碱性氧化物的比例时,必须考虑PbO、B₂O₃和碱金属组分在高温时的挥发量。一般要求熔块中(R₂O+B₂O₃)/(R₂O+RO)在(1:1)~(3:1)之间。

  2. 原料选择:凡用于引入Na₂O和K₂O的原料通常需置于熔块原料中,长石例外。含硼化合物必须放入熔块中。

  3. 化学平衡:熔块中的Na₂O和K₂O的分子数总和必须小于其他碱性氧化物的分子数总和,以制得不溶于水的熔块。

  4. 硼化合物:对于含硼熔块,必须使SiO₂:B₂O₃≥2(通常为3),因为硼酸盐溶解度大,增加SiO₂可降低熔块的溶解度。

  5. 熔块熔化温度:提高熔块的熔化温度会增加挥发组分的损失,因此需控制Al₂O₃含量,使其小于0.2倍分子数。Al₂O₃过多会增加熔块黏度,使物料不易均匀。

实例计算

例3-9 已知釉式如下,试计算该釉的熔块配料配方和该釉的釉料配方。并验证熔块配方是否符合熔块的配制原则。


复制解:

解:根据熔块配合原则,所有B₂O₃及可溶性原料必须放入熔块中。B₂O₃最好用硼砂引入。由硼砂引入的Na₂O不得超过所需的Na₂O量,不足部分用硼酸补充。此处K₂O由钾长石引入,Al₂O₃由钾长石引入,不足部分由高岭土引入。由于考虑到釉的悬浮性能,保留部分PbO作为生料。黏土会提高熔制温度,宜少用或不用,一般不超过10%。

第一步:熔块配料的初步分配

根据熔块配制原则,初步分配熔块配料的组成(分子数)为:

熔块的实验式如下:


复制


第二步:计算熔块配料的配合量

根据各氧化物的分子数、相对分子质量和使用原料,计算熔块配料的配合比和熔块分子比。计算结果见表3-27至表3-29。

第三步:验证熔块配方


由此可知,该熔块配方基本符合配制原则。