【磨具课堂】保温时间、升降温速率及烧成气氛对产品性能的影响（连载 2）

来源：国磨质检 NAQS

上一期我们讲了烧成温度对陶瓷结合剂砂轮的影响，影响陶瓷砂轮烧成的因素很多，这一期我们讲讲保温时间、升降温速率及烧成气氛对陶瓷砂轮产品性能的影响。

一、保温时间对产品性能的影响

保温是指在烧成过程中，达到最高烧成温度范围后，保持一段时间，或在较低的温度下保持一段时间，这段时间统称为保温时间，随后进入冷却阶段。一般来说，在任何陶瓷磨具制品的烧成过程中，都或多或少地需要一段保温时间，这主要是为了尽量拉平窑炉内部及产品内外部的温差，使产品各部分物理化学反应均匀、完全，使制品组织结构趋于一致，从而得到性能一致的产品。在生产实践过程中，适当降低烧成温度，延长保温时间，有利于提高产品品质，降低烧成损失率。对大型、异形及窑内装载密度比较大的烧成过程尤为明显。但是保温时间过长，则晶粒熔解，不利于坯体中形成坚强骨架，会导致力学性能降低。

二、升降温速率对产品性能的影响

烧成过程（包括冷却过程）中的升降温速度是否得当，较直观地是看其对陶瓷磨具制品在烧成过程中体积热胀冷缩带来的影响（有无形变、开裂等）。另一方面升温及降温速度对制品的微观结构形成及最终产品的性能也有不可忽视的影响。普通陶瓷磨具坯体在快速加热时，因液相产生，气孔率减少而形成的收缩要比缓慢加热时小。因为快速加热时，熔体为粘土及石英所饱和的时间不长，因此，这种黏度熔体因其表面张力作用而使制品体积收缩的作用也较小。例如，将坯体经过 24h 加热到 1300℃时，收缩率为 8.3%，若以同样的条件缓慢加热时，则收缩率为 8.95%。这是因为缓慢加热时，形成了黏度较高的液相，对制品收缩作用较强。

致密的坯体在慢速升温时（24h-48h 加热到 1300℃）其抗张强度比快速升温的坯体（18h 加热到 1300℃）约增加了 30%，而气孔率则减少。快速升温坯体气孔率为 3.0%，慢速升温坯体的气孔率为 1.5%。

冷却速度对材料力学强度的影响比较复杂。快速烧成的坯体缓慢冷却时，由于二次莫来石的生长，会在一定程度上降低其抗张强度；而坯体缓慢冷却后，其抗张强度可以提高 20%。

冷却的最初阶段，冷却速度对坯体中的晶粒大小，尤其是对晶粒的应力状态有很大影响。含玻璃相较多的致密坯体，在冷却过程中，玻璃相由塑性状态转变为固态时，陶瓷磨具坯体结构有显著变化，从而产生较大应力，因此，应采取高温阶段快冷和低温阶段缓冷的冷却制度。冷却初期温度较高，这时如果冷却速度较慢，则相当于保温阶段的延长，影响晶粒的数量和大小，也容易使低价铁二次氧化，使制品带有黄色。高温阶段快冷还可以避免釉熔体析出晶体。对于热膨胀系数较大的瓷坯或含有较多的 SiO 、ZrO 等晶体的坯体，由于晶型转变伴随有较大的体积变化，因而在转变温度附近冷却速度不能太快。对于厚而大的坯体，若冷却速度过快，体积变化的不均匀性也会造成应力集中而引起变形或者开裂。

三、烧成气氛对产品性能的影响

烧成气氛是指在烧成过程中，与制品接触的热气体（燃烧产物）中 O 与 CO 含量的多少。燃料燃烧理想时，燃烧产物主要是 CO 和 H O，而在实际燃烧过程中，送入的 O （空气）总是不足或者过量送入的空气过量时燃烧产物中存在过剩的 O ，这种与制品接触的气体环境就称之为“氧化气氛”，也被称为“氧化焰”；而送入的空气不足时，燃烧产物存在未完全燃烧的 CO，这种含有一定量还原作用的 CO 的气体环境就称之为“还原气氛”，也称之为“还原焰”。因公益需要，可以利用与制品接触的气体的氧化或还原作用来影响制品组分在烧成过程中的某些物理化学反应，即可以人为控制窑内或窑内某一段为氧化或还原气氛。这种依靠操作所达到的窑内气氛的规律性分布状况称为气氛制度。

所有的陶瓷磨具在还原气氛中加热的烧结温度均比在氧化气氛中为低。产生这种现象的根源在于还原气氛中瓷坯中的铁大多以 FeO 存在，而 FeO 是比较强的助熔剂，易与 SiO 生成低熔点的硅酸盐玻璃（FeSiO ），并且在含有一氧化碳的还原气氛下，玻璃相的表面张力较在氧化气氛下提高 20% 左右，这些因素促进了坯体能在较低的温度下烧结。具体来说，气氛会影响陶瓷磨具坯体在高温下的物理化学反应速度、体积变化、晶粒尺寸和气孔率大小，甚至影响相组成。

研究表明，陶瓷磨具坯体在氧化或还原气氛中烧成，其烧结温度、最大烧成收缩、过烧膨胀率、线收缩速率和表面品质等方面都有所不同。

气氛对烧结温度的影响

瓷石质瓷坯和长石质瓷坯在不同的气氛中加热时烧结温度的比较得知：两类坯体在还原气氛中的烧成温度均比在氧化气氛中的低。坯体含铁量越多，温度降越低越多。

气氛对最大烧成线收缩的影响

瓷石质瓷坯在还原气氛中的最大线收缩比其在氧化气氛中的要大；但是，长石质瓷坯在还原气氛中的最大烧成线收缩却比在氧化气氛中的小。含有长石与膨润土的坯体，由于在还原气氛中碳素分解温度提高，因此最大线收缩最小。

气氛对坯体过烧膨胀的影响

所有瓷石质瓷坯与未加膨润土的长石质瓷坯在还原气氛中过烧 40℃的膨胀比在氧化气氛中的要小的多。当长石坯体中加入一定量的膨润土时，则所得结果正好相反，即在还原气氛中过烧 40℃的膨胀反而比在氧化气氛中的要大，而且随着膨润土量的增加而增大。含膨润土的坯体在加入 1.2% 的 Fe O 时，虽然它在还原气氛中过烧时的膨胀仍然大于氧化气氛的烧成，但同时在氧化气氛中过烧的膨胀也显著增大。另外，由长石和膨润土配置的坯体，含铁量并不高，但是有机物含量多且具有较强的吸附性，在还原气氛中坯体易吸碳且碳素氧化温度提高，因而其过烧膨胀量较氧化气氛中大。

气氛对瓷坯线收缩速率的影响

除个别陶瓷磨具外，在还原气氛中的最大线收缩率比在氧化气氛中要大。这可能由于坯体中 Fe O 还原成 FeO所致。FeO 易与 SiO 形成低熔点的硅酸盐熔体并降低其黏度，增加其表面张力，从而使坯体在较低温度下烧结并产生较大收缩。

气氛对表观质量的影响

1. 影响铁和钛的化合价：当坯体中的氧化铁含量一定时，若用氧化焰烧成，被釉层封闭的 Fe O 将有一部分与 SiO 反应生成铁橄榄石并放出氧。反应如下：

2Fe O +2SiO → 2（2FeO·SiO ）+O ↑

反应所形成的氧会使釉面形成气泡与空洞，而残留的 Fe O 会使制品呈现黄色。对含钛较高的坯料应避免还原焰，否则部分 TiO 会呈现蓝色至紫色；Ti O 还可能形成黑色 2FeO·Ti O 尖晶石和一系列铁钛混合晶体，从而使颜色加深。

2. 使 SiO 还原和分解：在一定的温度下，还原气氛可使 SiO 还原成气态的 SiO，在较低温度下将按照2SiO—SiO +Si 分解，因而在制品表面形成 Si 的黑斑。还原气氛中的 CO 在一定的温度下会按照 CO—CO +C分解，分解出的碳沉积在磨具表面形成黑斑。在继续升高温度的烧成中，碳被封闭在坯体中，若再被氧化成 CO 就会形成气泡，对于吸附性能强的坯体尤为严重。