关键词： SiC匣体   裂缝   高温修复剂

    作者简介：胡海泉，男，高级工程师

    注：微观结构分析本文得到景德镇陶瓷学院徐桂荣老师大力帮助。

    1、前言

    在日用陶瓷烧造的连续式高温隧道窑中，即使使用管道煤气可明焰烧成时，为减少烧造品的形变，还经常使用型模匣装烧（主要材质是SiC质）。随着使用次数的不断增加，匣钵中的SiC不断被氧化生成SiO₂（并且是高温相方石英）而增加脆性；与此同时，SiC匣钵中的部分粘土基质和高温SiO₂液相互相作用，或生成一次莫来石，或生成二次莫来石；使SiC匣体的空洞和孔隙不断增加，使SiC匣钵的强度随之下降。由于SiC匣钵的底部是受力承重薄弱部位，当高温荷重超过其承载力时，势必形成底部的裂缝或龟裂。倘若在受损的状况下继续使用，不但造成落碴污染烧造品，而且1-2次后急剧恶化造成破损。从微观结构进行分析：SiC匣钵的整体质量（SiC被氧化的程度）还完全可能多使用几十次，只不过是：在最薄弱部位首先出现裂缝或龟裂。倘若研制出一种SiC匣钵高温修复剂，使裂缝或龟裂部位形成新的一体，便可延长使用寿命并克服裂缝口落碴的缺陷。

    我们经过几个月的实验攻关，经原材料、配方和工艺多次优选后取得成功，在实用考验中，一批已出现裂缝SiC匣钵经修复后平均延长使用寿命15次左右，若大面积推广应用，其经济效益可观，企业每年可减少使用总量1/5～1/6；与此同时还可适当提高一级品率，杜绝裂缝落碴污染。

    2 试验过程

    2.l  试验准备

    作为SiC匣钵裂缝高温修复剂的研究和开发是无可借鉴的崭新课题，从何处入手？达到什么程度才算成熟？原料的选择、配方的多次优化以及工艺的配合应环环相扣，并多次反馈调整。我们认为较理想的高温修复剂必须具备以下一些特点：

    有裂缝的SiC匣钵经修补，高温使用后能形成一种具有一定强度的整合体，犹如是在裂缝处填充一种起桥架作用的填料。我们曾做过SiC 棚板收缩缝填料的研究和生产应用课题，现研制的填料和前述的填料应有很大的不同。

    （1）收缩缝填料近乎于泥团状，通过适当的工艺可填满SiC棚板收缩缝；而SiC匣钵裂缝修复剂就必须有两种状态的同一配方料，即：先使用流动性较好的料浆使其流入匣钵裂缝深处，在放置适当时间，吸附干涸后还应补加一次料浆，待基本干燥固化后，在裂缝的两面采用泥团状的同一配方的修复剂用竹片压入裂缝处才能做到较佳的实用效果，故修补工艺更为复杂。

        （2）SiC棚板收缩缝填料既要求和棚板基体有一定的烧结粘连性，又必须具备相适应的弹性模量，否则将因SiC棚板的热胀冷缩受阻，而缩短SiC棚板的使用寿命，并且造成填料脱落。而SiC匣钵裂缝高温修复剂有其共性，但更重要的是：高温下其反应活性应更大，即是应有较多的高温液相，在装烧使用过程中和裂缝两边的基质产生高温物理化学反应，逐渐生成莫来石，和高温液相，未熔物一起形成裂缝的“架桥”；但其中最为关键的一点：高温下形成的液相有很强的吸附性，它不会沿着裂缝边缘溜走，故修复剂在高温状态下是半固半液态，其液相体具有很强的高温粘稠性，依然“固守阵地”，即使有点逸散。其速率也微乎其微。

        2.2  配方原料的选择

        基于2.1节的理论分析和比对探讨，选用了价廉的工业用氧化铝粉、锆英石粉、石英粉以及A、B、C等添加剂。

        工业用氧化铝粉、锆英石粉、石英的化学成分见表1

表l         锆英石等的化学成分

    2.3  配方的确定和工艺的优选

    经过多次反复试验，根据课题的特殊性，首先进行了三个配方的优选，为易于观察其应用效果（能一目了然观察到和SiC匣钵的高温反应后状态），笔者把三种不同的配方料的含水率为50%时，球磨24h后过200目筛备用，然后分别用毛刷均匀地刷在有SiC匣钵裂缝的底处（每一配方刷6个SiC匣钵），然后用于装烧盘类坯体，经过一段时期跟踪观察后，发现2#配方较佳，其试验结果见表2。

表2                  三种修复剂的结果对比

    在优选出2#修复剂后，如何在工艺上配套优选，我们采用了四种不同的工艺，其试验结果见表3。为掌握2#修复剂的本身烧结后强度，做了十根试条，抗折强度平均为25Mpa，而SiC匣体本体的抗折强度一般在10～26Mpa间，故高温修复剂若烧结后，和SiC匣钵基体较适配。

表3             四种不同工艺的结果对比

    3、结果与分析

    要研制SiC匣钵裂缝的高温修复剂，首先就必须对SiC匣钵本体的矿物组成有所了解，才能有的放矢，少走弯路。匣钵本体的矿物组成见表4。

表4              匣钵本体的矿物组成（%）

    从匣钵本体的矿物组成可知，除SiC外，其主要矿相为：莫来石、刚玉和石英；同时从SiC匣钵本体的微观结构分析也清晰可见：产生表面氧化的SiC颗粒大晶体有明显凹凸坑，氧化而成的SiO₂颗粒紧密吸附在其上，板状的刚玉散布其中（见图1）。在图2中可清晰地看见在SiC匣钵本体的部分区域，粒状或人字形的莫来石交错丛生，和晶体SiC有机地结合。故α——衍射矿相分析和微观结构分析互相映证。在此基础上，笔者经一定的理论设计和相图分析，把SiC匣钵高温修复剂的配方范围设定为：工业氧化铝粉、锆英石粉、石英粉和A、B、C添加剂。选用锆英石粉是考虑到人工矿相的补强增韧：采用工业纯原料是为降低生产成本更易推广应用：而A、B、C添加剂的选用是考虑到增加高温修复剂的高温粘稠性和工艺性能，故试验过程较为顺利地达到预定目标。

图1    SiC匣钵本体的STM照片（500倍）

图2   SiC匣钵本体的STM照片（150倍）

    通过优选后的同一配方修复剂（2#）的四种不同工艺的修补，D种工艺方法最为有理有效，图3是有裂缝匣钵和经D种工艺方法修复的SiC匣钵基本看不见裂纹，只不过是一粗条颜色较深的区域，肉眼很难察觉有裂纹（注：修复前和右图匣钵裂纹一样清晰可见）。

    经实用考验，SiC匣钵裂缝修复剂是成功可行的，那么所对应的被修补处有怎样的显微结构分析呢？从图4和图5可知：在电子显微镜下SiC匣钵裂缝高温修复剂也是半透明、半乳浊的状态，和肉眼观察完全相同，略有差别的是：在图4和图5的上部，尤其是修复剂的右上角颗粒或人字形微细莫来石清晰可见，从上可知在反复使用的过程中，修复剂和周边的基质发生高温物理化学反应而生成二次莫来石（高温熔融后重相析出微细的莫来石，并不断发育）。正是这种半固半液的修复剂渗入SiC匣钵裂缝的各个部位，以及逐渐生成的交界处的莫来石，才使得已出现裂缝的SiC匣钵“破镜重圆”，并一直“白头到老”；故优质SiC匣钵裂缝高温修复剂是实用可行的。

图4    SiC匣钵裂缝高温修复剂区域TSM照片（200倍）

图5    SiC匣钵裂缝高温修复剂区域TSM照片（500倍）

    高温修复剂除可延长已开裂SiC匣钵使用寿命外，另一重要方面即是：倘若有微裂纹SiC匣钵在继续使用过程中，裂缝处会产生逐渐粉化的SiC微粉或SiO₂（含杂质）微粉在高温下纷纷落碴而污染装烧的日用瓷釉面，大大降低优级品或一级品率，故及时修复已开裂SiC匣钵也是提高装烧日用瓷等级质量的重要措施。笔者曾就修复剂的使用所产生的经济效益算过一笔粗帐，若生产一公斤2#修复剂（工业氧化铝4000元/吨，锆英石2000元/吨，石英粉600元/吨）按引入比例折算仅需1.1元/kg（干粉），倘若考虑到球磨加工，就以2KW电动机为例作动力，球磨4个罐，各10kg料，球磨时间为24h，则电费仅需：1kg料需电费=2kw×24h×1元/瓦÷40kg=1.2元/kg。则：SiC匣钵修复剂干粉（不含人工费）生产成本1.1元/kg+1.2元/kg=2.3元/kg；干粉料折算成含水率为40%（稀浆为60%，而泥状料为25%，故粗算为含水率40%），含水修复剂生产成本为：2.3元/kg×0.6=1.38元/kg。1kg高温修复剂可修补20～30只SiC匣钵，就以20只计，低限度平均延长使用寿命15次，总延长次数为：20×15次=300次，而一只新匣钵的极限使用次数为100次，即可换回3只新匣钵，其等值价为150元。在不计提高装烧日用瓷质量等级的前提下，若精心修复每只出现裂缝的SiC匣钵，1.38元/kg的高温修复剂可换回150元的经济效益回报，这是很有价值的工作；进一步在若干日用瓷生产企业，仍至全国产瓷区推广应用，这是一笔多么可观的社会和经济财富，也是企业提高产品质量和挖潜举措之一。

    4、结论

    （1）通过多因素优选试验，确立了SiC匣钵裂缝高温修复剂的配方和工艺。经实际使用后，最低限可平均延长已开裂SiC匣钵使用次数15次，并杜绝高温落碴的污染源，可提高日用瓷装烧质量。

    （2）从实际使用价值而论，1公斤高温修复剂可换回100倍的回报，即1.38元变值为150元，是日用陶瓷厂使用SiC匣钵开源节流增值的举措之一，并且工艺十分简单可行，仅需精心操作，装烧后每批发现和修复已开裂SiC匣钵而已。

信息来源：中国陶瓷信息资源网