尹業(yè)濤
(北京市人大附中翠微學校,北京100000)
氧化鋯陶瓷象棋研究
尹業(yè)濤
(北京市人大附中翠微學校,北京100000)
氧化鋯陶瓷象棋是結(jié)合我國古代陶瓷文化和現(xiàn)代高科技的新產(chǎn)品。本文采用液壓機壓制成型和電阻爐高溫燒結(jié)工藝,嘗試制造了具有"陶瓷鋼"美稱的氧化鋯陶瓷象棋,研究發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計是制造陶瓷象棋的關(guān)鍵技術(shù)之一,模具的字體采用上凸刻字和邊緣帶斜度的設(shè)計,解決了字體易斷裂的問題。制造的陶瓷象棋具有很高的致密度、強度和韌性,從6米高處自由落體撞擊水泥地面不會被摔碎。經(jīng)簡單滾動拋光處理后,氧化鋯陶瓷象棋呈現(xiàn)出美如玉、強如鋼、不怕摔、耐高溫的高科技藝術(shù)效果。
氧化鋯陶瓷;陶瓷鋼;液壓機壓制成型;電阻爐高溫燒結(jié)
象棋在古代也被稱為象戲,在中國已有上千年的歷史。到了唐代,象棋已進入普通百姓的生活。1974年,福建泉州發(fā)現(xiàn)一艘南宋末年的沉船,船中有20枚木質(zhì)棋子??脊艑W家在四川江油縣發(fā)現(xiàn)了兩副宋代銅制象棋。1997年,考古學家在河南洛陽發(fā)現(xiàn)了一副北宋時期的圓形瓷質(zhì)象棋,它是我國國寶級文物;這些棋子大小勻稱,直徑約18 mm,厚度約3~5 mm,與現(xiàn)在常見的棋子相比要小巧一些,它們均由高嶺土燒制而成,表面不施釉,正面的陰刻字填涂朱砂。元代和明代都有青花釉里紅象棋,清代有單色釉象棋。在江西景德鎮(zhèn)也出土了較多的陶瓷象棋。象棋也是現(xiàn)代中國人不可缺少的一項棋藝活動。
制作象棋的材料五花八門,主要有普通木材、紅木、黃花梨、青銅、鋁、不銹鋼、石頭、陶瓷、玉石、瑪瑙、象牙、牛角等,字體用毛筆刷涂不同顏色的顏料。陶瓷是中國古代勞動人民的偉大發(fā)明之一。陶瓷象棋具有強烈的視覺沖擊力和藝術(shù)效果,它能保存上千年質(zhì)地不老化,不褪色,具有很高的觀賞和收藏價值。近年來,江西景德鎮(zhèn)制造了青花瓷象棋 (見圖1),福建泉州制造了白瓷象棋。2009年,福建德化工藝美術(shù)師張祥琦先生創(chuàng)作了一副令人耳目一新的“模擬人物陶瓷象棋”。用天然高嶺土制作的陶瓷象棋,采用手工陶藝成型和土窯柴禾燒結(jié),字體用手工刻劃,缺乏標準,產(chǎn)品表面粗糙,質(zhì)量一致性差,陶瓷材料固有的脆性易碎問題也一直不能解決。
本論文用有“陶瓷鋼”[1]美稱的四方晶氧化鋯粉(如3Y-TZP)為原料,采用壓制現(xiàn)代機械成型和電爐燒結(jié)工藝制造陶瓷象棋,具有美如玉、強度高、韌性好、摔不碎、一致性好等優(yōu)點。
圖1 江西景德鎮(zhèn)生產(chǎn)的現(xiàn)代青花瓷象棋
黑兩種陶瓷象棋棋子。
氧化鋯陶瓷象棋的制造工藝流程是:3Y-TZP原料粉末處理→壓制成型→高溫燒結(jié)→性能檢測→滾動拋光處理→字體著色。
第一步,原料粉末處理。3Y-TZP粉末平均粒度為1 μm。陶瓷粉末是瘠性的,難以直接壓制成型,必須加入塑性好的有機物粘接劑和潤滑劑后才能成型。陶瓷粉末粒度很小,流動性差,必須造粒處理。在購買的四方晶氧化鋯無膠粉末中加入0.5%聚乙烯醇(PVA)水溶液,攪拌混合均勻,形成稠狀料漿。料漿在真空干燥箱中60℃緩慢干燥后,被粉碎成小顆粒,過40目篩子。為了減少壓制和脫模阻力,再在粉末中加入0.1%硬脂酸鋅粉末,并在混合機內(nèi)均勻混合。
第二步,壓制成型。將處理好的原料粉末放入直徑為30 mm的鋼模中,用液壓機壓制成型,壓力20~40 MPa,保壓時間10~20 s,保壓結(jié)束后加壓脫模,得到成型的象棋壓坯。因為象棋字體小而窄,生坯強度低,成型工藝重點要研究解決脫模時的字體斷裂問題,以免造成廢品。為此優(yōu)化設(shè)計模具結(jié)構(gòu)和壓制成型工藝,比較字體凸出和凹下兩種不同方式、字體高度和兩側(cè)斜度對成型質(zhì)量的影響。
第三步,陶瓷高溫燒結(jié)。將成型的壓坯放在硅鉬棒電爐內(nèi),先升溫至600℃保溫1 h,脫除水分、有機物粘接劑和潤滑劑等。再升溫至1300~1500℃,保溫2 h燒結(jié)[2,3]。燒結(jié)工藝重點要研究如何提高陶瓷象棋的密度、強度、韌性等問題,以制造出無外觀缺陷、高強度、高韌性、摔不碎、一致性好的陶瓷象棋。
第四步,性能檢測。用肉眼觀察陶瓷象棋表面是否存在裂紋、掉角、分層、不均勻變形等缺陷。采用千分尺測量陶瓷象棋的直徑和高度。根據(jù)阿基米德原理,采用排水法和精密電子天平測量陶瓷的體積密度,樣品密度計算公式為:
ρ樣品=[W干重/(W濕重-W懸浮重)]×ρ水
式中ρ水為測量溫度下水的理論密度。在陶瓷燒結(jié)相對密度大于94%時,開孔率大大減少,可以認為W干重≈W濕重。將陶瓷象棋拋至3~6米高處、再自由落體撞擊水泥地面,測試其耐沖擊性能。
第五步,滾動拋光處理。將氧化鋯陶瓷象棋放入滾筒球磨機內(nèi),加入相同重量的剛玉粗粉和水,一起滾動球磨,將棋子表面打磨光滑。
第六步,字體著色。氧化鋯是白色陶瓷,需要在燒結(jié)后的陶瓷字體上分別涂覆紅色和黑色顏料,制造出紅和
3.1 成型工藝
首先,采用圖2設(shè)計的三種不同象棋模具進行壓制試驗。圖3是氧化鋯陶瓷象棋的壓制成型結(jié)果??梢姡捎脠D2(a)下凹刻字模具,刻字深度1 mm,字體外圍設(shè)計一個外徑24 mm、寬度1.5 mm、深度1 mm的凹槽,壓制成型后象棋上的字體是凸起的,但發(fā)現(xiàn)字體和凸起均發(fā)生斷裂,成型性很差。改用圖2(b)上凸刻字模具,字體外圍設(shè)計一個外徑24 mm、寬度1.5 mm、深度1 mm的凸槽,壓制成型后象棋上的字體是下凹的,發(fā)現(xiàn)成型性雖然有所改善,但也很差,大塊從表面脫落。采用圖2(c)上凸刻字模具,無凸槽或凹槽,字體適當放大,發(fā)現(xiàn)成型性有很大改善,能壓制出幾乎無缺陷的象棋生坯,但合格率不高。
采用圖2(c)設(shè)計模具壓制不同的象棋,發(fā)現(xiàn)筆畫比較簡單的“將、士、仕、馬、卒”等象棋可以順利壓制成型。而筆畫比較復雜的“帥、炮、車、象、相、兵”等象棋容易出現(xiàn)廢品,如圖3所示,其共同點是在字體的“口、日”等封閉、狹窄筆畫處極易在脫模時出現(xiàn)字體斷裂。因此,下一步將從模具刻字的字體深度和筆畫斜度等方面改進模具設(shè)計,減小脫模阻力和字體斷裂,提高成型合格率。
圖2 三種不同象棋模具設(shè)計實物圖
圖3 采用三種不同象棋模具壓制的象棋生坯(未燒結(jié))
用上凸刻字模具壓制成型氧化鋯陶瓷象棋,比較了刻字深度分別為1.5、1.2、1.0、0.8、0.6 mm的成型效果,發(fā)現(xiàn)當刻字深度為0.8~1.2 mm時均可以壓制出字體不斷裂、合格率較高的象棋生坯。如果刻字深度過小或過大,均難以壓制出合格率較高的象棋生坯。當刻字筆畫斜度(倒角)分別為0、5、10、15°時,象棋生坯合格率逐漸提高,生坯最高合格率可達100%。
圖4 采用上凸刻字模具壓制成型的象棋生坯(未燒結(jié))
圖5是采用最終優(yōu)化設(shè)計的象棋成型模具壓制的部分氧化鋯象棋生坯。3Y-TZP的理論密度為6.10 g/cm3。隨著成型壓力從20 MPa提高到40 MPa,生坯密度從理論密度的50%提高到57%。
圖5 采用最終優(yōu)化設(shè)計的象棋成型模具壓制的部分象棋生坯(未燒結(jié))
3.2 燒結(jié)工藝
表1是在不同燒結(jié)溫度下制造的氧化鋯陶瓷象棋的密度測量值,可見在1450~1500℃無壓燒結(jié)2 h,均能使密度大于98.2%TD,線收縮率為18~20%。表2是幾個典型陶瓷象棋的密度測量參數(shù)。氧化鋯陶瓷象棋的典型參數(shù)為:外徑24~26 mm,高度9~11 mm,重量24~26 g/個。用氧化鋁粗粉和水進行簡單滾動拋光后,象棋表面呈現(xiàn)白玉光澤,如圖6所示。
3.3 自由落體試驗
將陶瓷象棋分別拋至3、4、5、6米高處,然后自由落體撞擊水泥地面,陶瓷象棋均未出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。
即使是經(jīng)滾動拋光處理后表面出現(xiàn)裂紋的象棋,拋至6米高處、再自由落體撞擊水泥地面時,也不易出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象;只有當象棋邊緣尖角直接撞擊水泥地面時,才會在此處因應(yīng)力集中而出現(xiàn)微量碎塊脫落的現(xiàn)象,但仍然不會解體碎裂??梢姡趸喬沾上笃宓木哂蟹浅8叩目箾_擊性能。
(1)模具設(shè)計是制造陶瓷象棋的關(guān)鍵技術(shù)之一,模具的字體采用上凸和帶斜度的設(shè)計是成功的,解決了字體斷裂的問題;
(2)燒結(jié)的陶瓷象棋具有很高的致密度、強度和韌性,從6米高處自由落體撞擊水泥地面時不會被摔碎;
(3)經(jīng)簡單滾動拋光處理后,氧化鋯陶瓷象棋呈現(xiàn)出美如玉、強如鋼、不怕摔、耐高溫的高科技藝術(shù)效果。
[1]李包順,黃校先,郭景坤,等.四方晶氧化鋯多晶陶瓷的力學性能及其增韌機理的研究[J].無機材料學報,1986,1(2):129~134
[2]陳士冰,王世峰,李亮.燒結(jié)溫度對3Y-TZP陶瓷結(jié)構(gòu)與力學性能的影響[J].硅酸鹽通報,2011,30(3):724~727.
[3]李樹先,朱德貴.不同燒結(jié)方法對3Y-TZP陶瓷力學性能的影響[J].佛山陶瓷,2007,9:1~4.
表1 氧化鋯燒結(jié)陶瓷棋子的性能
(a)燒結(jié)后的陶瓷象棋
圖6 燒結(jié)后的氧化鋯陶瓷象棋
表2 氧化鋯陶瓷象棋的密度測量參數(shù)