第十二章-陶瓷烧成

烧成
1、概述 ：
烧成是陶瓷工艺的第三个重要工序。烧结是 把粉末坯块加热到低于其基本组元的熔点温 度以下进行保温，然后冷却到室温的热处理 工艺。
定义：通过高温处理，使坯体发生一系列物 理化学变化，形成预期的矿物组成和显微结 构，从而达到固定外形并获得所要求效果的 工序。
烧 结 现 象 示 意 图
陶瓷的烧成
—— “土”与“火”的艺术—— 主讲人：吴任平 教授
思考题
1、何谓氧化气氛烧成，何谓还原气氛烧 成，试述不同气氛烧成的产品外观有什么 不同？原因何在？ 2、坯体在烧成过程中有那些物理变化？ 烧结程度可用哪些指标来衡量？ 3、为什么说在陶瓷生产中烧窑是关键？ 4、制定烧成制度的依据有哪些？
2．烧结过程
坯体宏观上的变化： 体积收缩、气孔减少、致密度提高，强度增
加，颜色改变； 烧结程度可以用坯体的： 收缩率、气孔率、体积密度和机械强度 等指标来衡量； 烧结是一个不可逆的过程。
烧结是一个复杂的物理、化学变化过程；
2．烧结与烧成
烧成温度：为了达到产品的性能要求，应该 烧到的最高温度。
过长时间的保温可使晶体过分长大或 发生二次重结晶。
2）烧成制度对产品性能的影响
④ 气氛制度
还原气氛对氧化物陶瓷的烧结有促进作用， 在氧分压低的气氛中，如在氢气、一氧化 碳、惰性气体或真空中烧成的，可得到良 好的氧化物陶瓷烧结体；
气氛中存在的水蒸气能促进氧化镁陶瓷坯 体的初期烧结；
在还原性(如氢气)、中性(如氮气)和惰性(如 氩气)气氛中烧成都有利于BaTiO3陶瓷的半 导体化，即有利于陶瓷材料室温阻值的降 低。
1.烧结范围宽、液相粘度大、且随温度变化小 的坯料，烧成温度可以确定在烧结范围上限附 近（T2）； 2.烧结范围窄、液相粘度小、且随温度变化大 的坯料，烧成温度只能定在烧结范围下限附近 （T1）
4.3 制定烧成制度的依据
三、制品的大小和形状
升温速度快时，坯体的断面形成温度梯 度、坯体在膨胀或收缩过程中 均产生不 均匀应力，导致坯体的变形（塑性状态 ）和开裂（弹性状态）。 坯体越厚、形状越复杂越容易变形或开 裂，升温速度不能太快。
问题1、坯体在烧成过程中有那些物理变化？
陶瓷生产是一个复杂的过程，其中以由泥坯烧 成至瓷器这一环节最为重要。随着温度的不断 升高，坯体内部会发生一系列的物理、化学反 应。其中物理反应的大小主要取决于泥料的各 种组分含量，其物理反应大致有如下几种：
一、 重量的变化
在低温阶段，坯体的失重等于排出的机械吸附 水的重量，至中温阶段由于化学结晶水的排除 而使坯体急剧失重。此外，由于有机物和矿物 杂质的氧化与分解，也会失去一定的重量。而 这些失重的多少视各种坯体的组成不同而不同， 一般变化在3%~8%之间。
液相的组成和数量以及气孔的形貌和 数量；
过高的烧成温度使新型陶瓷的晶粒过 大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的 均匀性，使制品的机电等性能劣化。
2）烧成制度对产品性能的影响
③ 保温时间 使窑炉内部各处温度均匀； 使产品（大件）内部温度均匀，同时
烧结； 保温能促进新型陶瓷的扩散和重结晶，
2．烧结过程
在烧结过程中，烧结坯发生一系列物理、 化学变化，坯块由粉末颗粒聚集体变成晶 粒结合体，多孔体变成致密体，从而得到 具有所需物理、机械性能的产品。
烧成工序是陶瓷生产过程中最重要的工序 之一，制定科学合理的烧成制度，并准确 执行是产品质量的重要保证。
坯体在烧结过程中会发生哪些宏观上的变 化呢？
未烧前生坯的颜色取决于坯体中的杂质。有多 量有机物存在时呈灰色，有铁质存在时呈浅黄 色。烧成过程中至中温阶段结束，由于有机物 都已挥发，只有铁质被氧化为Fe2O3，所以一般 呈粉红色。以后经高温烧成后，如是氧化焰则 呈 为浅Fe黄O并色生或成红硅色酸如亚是铁还，原所焰以则呈由泛于青Fe或2O白3被色还，原而 发 发黄生。过日烧用则瓷Fe中O再因次坯被料氧含化铁成量F一e2般O在3而0造.6%成以制下品， 所以无论用氧化焰或还原焰烧成都能得到较高 的白度。
坯脆性生
热塑性范围
脆性瓷器
1000 DTA 600
TE
-石英
脱OH
碳素燃烧
-石英
200
脱吸附水
时间
低温阶段注意：100～150 ℃ 脱吸附水升温不能太快； 500～600 ℃ 脱OH、晶型转变升、降温不能太快；
4.2 制定烧成制度的依据
二、烧结曲线（气孔率、烧成线收缩率、吸水率及密度变 化曲线）和高温物相分析，是确定烧成温度的主要依据。
4.1 制定烧成制度的依据
一、坯料组分在加热过程中的性状变化
1）相图（晶型转变）和热分析资料（差热曲线DTA、失重曲
线TG、热膨胀曲线TE、ITE）。是确定升、降温速度的依
据ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一。
热分析综合图谱
粘土
石英
线膨胀
ITE TE
长石
DTA
4.1 制定烧成制度的依据
利用热分析综合图谱绘制理论烧成曲线
1400 ITE
然掌握烧窑的科学规律，闯过最后关键工序--烧窑。
问题1、坯体在烧成过程中有那些物理变化？
五、 强度与硬度的变化
低温阶段随着机械吸附水的消失，强度略 有提高结晶水排除阶段则无明显变化。到了 570℃石英转变时，强度则有所下降750℃以后 强度才逐渐增加，此时应控制好烧成温度防止 过烧。
坯体在750℃以前是非常脆弱的，750℃以后， 由于长石-石英玻璃质及莫来石晶体开始形成， 硬度逐渐增加，在良好的烧成温度下冷却后， 陶瓷器的硬度一般可达莫氏7-8级
问题1、坯体在烧成过程中有那些物理变化？
二、 体积的收缩
在低温阶段，由于机械吸附水的蒸发，体积有 微小收缩。当到570℃时，β--石英转化为α --石 英，到870℃时，a--石英又转化为a--鳞石英，这 些多晶转变会使石英比重降低，从而影响到坯 体的收缩，但因日用瓷中坯料石英的含量不多， 因而此阶段体积变化也不大。到了900℃以后， 坯体内液相逐渐形成，结晶颗料由于表面张力 而互相靠拢，收缩逐渐加剧，一直烧结时收缩 最大，一般日用瓷器烧成收缩在8~14％左右。
小结：为什么说在陶瓷生产过程中烧窑是关键 ？
陶瓷在制造上，最重要的操作就是烧窑。因为陶瓷的制造，从 选择原料到制成成品的工序很多，古人说过手七十二，方克成 器，现在大概也有二十到六十左右的工序。在这些工序中，当 然都各有相当的重要性，尤其是最后的烧窑操作更为重要，稍 不注意就会前功尽弃，既浪费了原材料和燃料，又浪费了大量 人力，在陶瓷工艺方面，就重要性来说，可以分为一烧，二土， 三制作，烧窑是关键之关键。 陶瓷生产上，一般的破损率及合 格率大多数是在烧窑方面，由于烧窑的操作及烧成气氛不合理， 造成破损而降低等级的产品百分率非常多。尤其是颜色釉的烧 成，更要强调烧窑，颜色釉的烧成火焰性质、温度、烧成时间 及燃料种类对颜色的呈色变化有重要影响，有人说颜色釉的烧 成是一门火的艺术，也确有其道理。 要最后得到陶瓷珍品，必
2）烧成制度对产品性能的影响
⑤ 压力制度 是实现气氛制度的保障，二者相辅相
成； 参见热压烧结。
问题2：何谓氧化气氛烧成，何谓还原气氛烧成，试述不 同气氛烧成的产品外观有什么不同？原因何在？
在烧窑时火焰在不同时期有不同的性质。火焰的性质大致可 分为三种：氧化焰、还原焰和中性焰，不同性质的火焰有不 同的作用。
3、中性焰：烧中性焰时，窑内所产生的一氧化碳加氢气与进 入窑中的空气化合量几乎相等，处于平衡状态，其作用是使 氧化亚铁不再受氧化作用而恢复成高价铁，最后使坯体达到 完全玻化的目的。但控制中性焰非常困难，常用弱还原焰代 替它。
4 制定烧成制度的依据
4.1 坯料在加热过程中的性状变化 4.2 烧结曲线和高温物相分析 4.3 制品的大小和形状 4.4 釉烧方法 4.5 坯料中氧化钛和氧化铁的含量 4.6 窑炉结构、容量、燃料和装窑密度
1）减少缺陷，提高合格率，避免浪费。 2）坯体强度提高，有利于施釉、装饰 3）工序的机械化。
4.5-4.6 制定烧成制度的依据
五、根据坯料中氧化钛和氧化铁的含量确定气氛制度 低铁高钛坯料（北方）常用氧化气氛烧成； 高铁低钛坯料（南方）常用还原气氛烧成。
六、窑炉结构、容量、燃料和装窑密度
窑炉结构——窑内温度的均匀性，升温速度，烧成 温度。 燃料种类——装烧方法，升温速度，烧成温度。 容量和装窑密度——窑内温度的均匀性，升温速度 。
2）烧成制度对产品性能的影响
① 升、降温速度 坯体慢速升温(24～48h加热至1300℃)，其
抗张强度比快速升温(18h内加热到1300℃) 的坯体约增加30％，并且气孔率为1.5％， 快速升温则为3.0％；
缓慢冷却收缩率大，相对气孔率小。
2）烧成制度对产品性能的影响
②烧成温度 烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸、
烧结温度：材料加热过程达到气孔率最小、 密度最大时的温度。
3、烧成制度
1）烧成制度包括的内容：
温度制度：指升温速度、烧成温度、 保温时间及冷却速度；
气氛制度：氧化、还原、中性或其他 气氛；
压力制度：窑炉内气体的压力大小； 实际生产中还要考虑窑炉加热类型、
内部结构和装窑方式等因素。
4.4制定烧成制度的依据4
四、釉烧方法
1、釉料的熔化温度与坯料的氧化分解温度相适应，中 火保温防止针孔、橘釉、黑心、鼓泡等缺陷。 2、冷却初期依据釉料要求确定冷却速度
光泽釉——快速冷却 结晶釉——结晶温度保温处理 3、二次烧成 高温素烧低温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结 构水及氧化分解排气，素烧时不考虑釉的作用。 低温素烧高温釉烧：釉烧时可以不考虑坯体的脱结 构水，素烧时不考虑釉的作用。 二次烧成其它优点：
1、氧化焰：是指燃料完全燃烧的火焰，火焰完全燃烧必须有 大量空气供给，这时窑中的氧气充足，CO较少。为了使坯中 水分及一切有机物都蒸发和挥发排出，使坯体得到正常的收 缩，所以在烧窑过程中必须有氧化焰阶段。
2、还原焰：还原焰是不完全燃烧的火焰。这时窑中所产生的 一氧化碳和氢气多，没有或者极少游离氧的存在。由于还原 焰（能Fe使O）坯，体而内变的成高青价色铁，（消Fe灭2O瓷3）色得发到黄充的分现还象原，变因为此氧在化日亚用铁瓷 的烧窑过程中，多采用还原焰烧成。
问题1、坯体在烧成过程中有那些物理变化？
三、 气孔率的变化 气孔率由低温阶段逐渐增加，到氧化阶段末期 达最高峰。以后由于液相的形成和体积的收缩 而逐步降低，到达烧成温度时为最低。如温度 持续升高（即发生过烧现象时）气孔率又随着 坯体的膨胀而增加。
问题1、坯体在烧成过程中有那些物理变化？
四、 颜色的变化