專利名稱：衛(wèi)生陶具用陶瓷基體及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能使衛(wèi)生陶具輕量化和大型化，其強度大并且在燒結時的變形量小的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體及其制造方法。
背景技術：
在陶瓷制品中，衛(wèi)生陶具是一種大型的并具有復雜形狀的制品，為了抑制在燒結時的制品變形以及為了獲得足夠的制品強度，應使衛(wèi)生陶具的壁厚大于其他陶瓷制品?，F(xiàn)有的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的抗彎強度為40～80MPa，而從兼顧基體的強度及其在燒結時的變形量這兩方面考慮，壁厚必須達到9～12mm左右。因此，衛(wèi)生陶具存在一個重量大的問題，另外，制品的大型化也會導致重量的增加，從而使其實現(xiàn)產生困難。
因此，作為衛(wèi)生陶具輕量化的方法，有人試驗采用使陶瓷基體薄壁化的方法。在使器壁減薄的情況下，對于現(xiàn)有的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體來說，在燒結時制品的變形量增大并且制品的強度降低，這是存在的問題。通常，燒結時的變形量與基體壁厚的平方成反比，其壁厚越小，則其變形量越大，而其強度與壁厚的平方成正比，其壁厚越小，則其強度越低。因此，如希望通過薄壁化來達到輕量化，則必須抑制陶瓷基體在燒結時的變形量并提高該基體的強度。
現(xiàn)有的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體是由以石英、莫來石為主成分的結晶相與以SiO2、Al2O3為主成分的玻璃相構成的。這類衛(wèi)生陶具用陶瓷基體可以通過以陶石、粘土、長石作為主原料，將這些原料混合物進行粒度調整后再將其成形、干燥和燒結而制得。
由于衛(wèi)生陶具的結構復雜，因此在進行成形時一般必須通過泥漿注入的方法來成形。另外，衛(wèi)生陶具在使用環(huán)境中要求經常保持衛(wèi)生清潔，因此一般要求最后在制品的表面上覆蓋一層釉。該釉層的形成方法一般是在衛(wèi)生陶具的生產過程中或在其成形后向其涂釉然后燒結的方法，或者在成形后經過一次燒結，然后向其涂釉再進行一次燒結的方法。另外，衛(wèi)生陶具由于其本身的重量而使其在搬運和施工中較易破損，另外在使用環(huán)境中由于承受荷重和沖擊也容易引起破損，因此，為了避免造成破損，要求它具有足夠的強度。另外，對于陶瓷洗臉盆這類制品來說，由于需要使用熱水，因此還要求它具有耐熱沖擊的性能。
因此，要求衛(wèi)生陶瓷用陶瓷基體在其制造過程中具有優(yōu)良的成形性、干燥時的抗裂紋性、燒結時的抗裂紋性、燒結時的形變量小以及與釉料具有相容性等優(yōu)良的特性。另外，在制品的質量方面，要求它具有高的強度和優(yōu)良的耐熱沖擊性。特別是那些與制品的制造有關的特性直接影響制品的生產性，因此從工業(yè)的觀點考慮，它們是非常重要的特性。
傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體是基于重視制品的生產性而設計的基體，它具有優(yōu)良的成形性、干燥時的抗裂紋性、燒結時的抗裂紋性，而且也具有優(yōu)良的耐熱沖擊性。這些優(yōu)良的特性可以通過設定基體原料中的礦物種類及其配合比例以及基體原料的粒度來獲得。所用的原料一般以陶石、粘土、長石為主，作為導入石英的原料，除了陶石之外，有時還可使用硅石或硅砂，進而作為燒結助熔劑的原料，除了長石之外，有時還可使用白云石等含有堿土金屬氧化物的原料。
作為構成基體原料的礦物，除了石英之外，還有絹云母、高嶺土、地開石、葉蠟石、埃洛石、鉀長石、鈉長石等。這些稱為絹云母、高嶺土、地開石、葉蠟石、埃洛石的礦物可以統(tǒng)稱為粘土礦物，它們顯示優(yōu)良的塑性，是粘土、陶石中所含的主要礦物。另一方面，石英、長石的塑性差，石英是陶石中所含的主要礦物，在長石、粘土中也含有一部分。前者顯示優(yōu)良的塑性，本文將其稱為塑性礦物，后者的塑性差，本文將其稱為非塑性礦物，在傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體中，塑性礦物所占的比例相當于基體原料總量的50～70重量％。因此使得陶瓷基體具有優(yōu)良的塑性和成形性。
另外，傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體對于干燥裂紋也具有優(yōu)良的抵抗性。這是因為，該基體的塑性能夠向它賦予一種抵抗干燥裂紋的能力。成形的制品在干燥時會發(fā)生收縮，由于局部收縮產生的應力有時會導致在制品上產生干燥裂紋。但是當基體具有塑性的情況下，上述的收縮應力就會由于基體的塑性變形而被吸收緩和，因此可以說，塑性優(yōu)良的基體對于干燥裂紋具有優(yōu)良的抵抗性。象衛(wèi)生陶具那樣大型而且形狀復雜的制品難以達到均勻地干燥，因此容易由于收縮應力而導致干燥裂紋。因此，為了提高對干燥裂紋的抵抗性，基體的塑性是非常重要的特性。
基體原料中的石英是一種構成基體中的結晶相的礦物，它能向基體賦予優(yōu)良的耐沖擊性，同時還能調節(jié)基體的燒結性。基體原料中的石英在燒結過程中與原料中所含的稱為長石的燒結助熔劑反應熔融，其中的一部分殘留下來形成玻璃相。因此，如果基體原料中的石英含量過少，則基體的可燒結溫度(firing temperature)增高，從而導致燒結困難。
另一方面，在殘留于基體中的石英粒子附近，由于在燒結后的冷卻過程中，石英與玻璃相的熱膨脹的差異，導致在石英粒子與玻璃相之間的界面處產生較大的拉伸應力。這種應力導致了在石英粒子內或在其界面處形成微小的裂紋(微裂紋)。可以認為，在傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體中存在許多帶有微裂紋的石英粒子，這種微裂紋起到一種緩和熱沖擊應力的作用，從而能夠顯示優(yōu)良的耐熱沖擊性。
如上所述，傳統(tǒng)的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體是一種用于生產衛(wèi)生陶具的優(yōu)質材料。然而，本發(fā)明的目的是要使衛(wèi)生陶具的基體薄壁化，從而存在基體強度和燒結時變形的問題，因此，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，必須提高基底的強度和減小燒結時基體的變形量。
為了提高基體的強度，在瓷器領域中很早就有人研究用剛玉來取代基體中的石英，以圖借此提高其強度。該方法在餐具或絕緣子等的用途中已達到部分地實用化。具體地說，向瓷器原料中配入約10～60重量％的剛玉(α-氧化鋁)(特公平7-68061號公報)，可以使瓷器的機械強度按無釉抗彎強度計達到100MPa以上。該剛玉的含量越多，其機械強度越大。
為了減少基體的燒結變形量而進行的研究還較少。例如，在特開平6-56516號公報中公開的方法是將上述那樣的剛玉配入基體原料中并使基體原料微?；?。按照該方法，通過使基體原料微粒化而提高了基體的燒結性，利用這一事實，可以減少燒結助熔劑的添加量并可減輕在燒結時由于基體的軟化而導致的變形。
然而，在該方法中，由于基體中的石英粒子也變成了微粒，因此在石英粒子處產生的微裂紋量減少，從而導致基體的耐熱沖擊性降低。石英粒子一旦變小，微裂紋就不會產生，可以認為，這是由于石英粒子與玻璃相的熱膨脹差異所導致的應力也隨之變小的緣故。作為防止這種耐熱沖擊性降低的方法，在特開平6-56516號公報中公開的方法是通過添加經過調整粒徑的硅砂等石英原料，然后進行混合以防止基體中的石英粒子發(fā)生微?；?。
另外，已經得知，將基體原料微?；姆椒ㄒ材苡行У靥岣呋w的強度。關于通過使基體原料微?；梢蕴岣邚姸鹊臋C理，可以認為，這是由于殘留在基體中的粗大粒子和氣孔等缺陷均已減少的緣故，另外，基體中的石英粒子也可能參與貢獻。
象那些在原料中含有陶石、粘土、長石的基體那樣，對于在原料中含有石英的基體來說，伴隨著基體原料的微粒化，石英粒子中的微裂紋也隨之減少。微裂紋是一種存在于基體中的缺陷，它能導致基體的強度降低。因此，微裂紋數(shù)量的減少與基體強度的提高是相關連的。另外，由于微裂紋的減少，使得由于石英與玻璃相的熱膨脹差異所產生的應力不能隨著微裂紋的產生而被釋放，這種應力就殘留在石英粒子中，可以認為，這種殘留應力起到一種提高基體強度的作用。
因此，基體中存在的石英粒子由于基體原料的微粒化而能更有效地提高基體的強度。但是，這樣也隨之帶來耐熱沖擊性降低的問題。
如上所述，在通過配入剛玉來提高強度的技術中，剛玉的配入量越多，強度的提高也越大，但是，在另一方面，也因此產生如下問題。
①含剛玉的原料(通過將鋁土頁巖、鋁土礦、白鋁土礦、硬水鋁石等煅燒或預煅燒而獲得的產品或精制氧化鋁等)是非塑性的，因此，剛玉的配入量越多，基體的塑性就越差。也就是說，其成形性越差，另外，也越容易產生干燥裂紋，因此，越難獲得象衛(wèi)生陶具那樣大型而且形狀復雜的制品。另外，剛玉的比重大于其他原料，因此，隨著剛玉配入量的增加，基體的比重也相應增加，從而使薄壁輕量化的效果減小。
②含剛玉的原料(通過將鋁土頁巖、鋁土礦、白鋁土礦、硬水鋁石等煅燒或預煅燒而獲得的產品或精制氧化鋁等)的價格高于陶石、粘土、長石等一般的陶瓷器原料，因此，剛玉的配入量越多，原料的價格就越高。
另外，對于通過使原料微粒化和調整助熔劑的量來提高強度和降低燒結時的變形量的方法以及通過添加并混合經過調整石英粒子粒徑的硅砂來提高耐熱沖擊性的技術來說，都會產生如下的問題。
①由于硅石、硅砂等是非塑性的，因此，其配入量越多，基體的塑性越差，也就是其成形性越差，另外，還容易產生干燥裂紋，因此，難以獲得象衛(wèi)生陶具那樣大型而且形狀復雜的產品。
②經過粒度調整的硅石、硅砂等的石英原料，其價格高于陶石、粘土、長石等一般的陶瓷原料，因此，其配入量越多，原料的價格就越高。
另外，對于以陶石、粘土、長石為主原料的陶瓷基體來說，通過使基體原料微粒化來提高基體強度和減小燒結時變形量的方法存在如下問題。
①耐熱沖擊性差。
②在燒結后的冷卻過程中容易由于熱沖擊而產生裂紋(燒窯裂紋)。
③不能獲得象配合有剛玉的基體那樣提高強度的效果。
綜上所述，不管是哪一種現(xiàn)有技術，都仍然存在問題。
本發(fā)明的目的是要解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種容易生產的并能使衛(wèi)生陶具薄壁輕量化和大型化的衛(wèi)生陶具用的陶瓷基體及其制造方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，其燒結時的變形量在25mm以下，而且其熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下。
如果在燒結時的變形量超過25mm，則會使薄壁輕量化或大型化的衛(wèi)生陶具在燒結中的變形量過大，因此不能適應工業(yè)生產。如果熱膨脹系數(shù)超過75×10-7/℃，則在燒結的降溫過程中由于制品受到冷卻時的熱沖擊或在制品的內外兩側存在的溫度差而產生應力，從而容易產生裂紋(燒窯裂紋)。
另外，本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，其無釉抗彎強度在100Mpa以上，而且其熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下。
如果無釉抗彎強度不足100MPa，則在使衛(wèi)生陶具薄壁輕量化或大型化的情況下不能達到必要的強度，并且在制品的運輸或施工中或者在使用中有可能發(fā)生破損的問題。熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下的理由有如上述。
另外，本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，優(yōu)選是其燒結時的變形量在25mm以下，而且其熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下，以及其無釉抗彎強度在100MPa以上。
另外，這些衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，其耐熱沖擊性在100℃以上。
如果耐熱沖擊性不足100℃，則在向例如洗臉盆中注入熱水時，該洗臉盆會由于受到熱沖擊而產生裂紋。
另外，這些衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，其吸水率在3％以下。如果吸水率超過3％，則水分會被吸收到制品中，這些水分在寒冷地區(qū)會發(fā)生凍結，從而會引起在制品中產生裂紋等凍害問題，因此，吸水率優(yōu)選在3％以下。
另外，這些衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，它含有作為主成分組成的SiO255～69重量％；Al2O325～40重量％；選自Na2O、K2O、Li2O中的至少一種成分與選自CaO、MgO、BaO、BeO中的至少一種成分之和3～5重量％；含有作為結晶的石英和莫來石，或者石英、莫來石和剛玉，結晶態(tài)物質總量在40重量％以下，并且剛玉的量不到10重量％。
如果SiO2不足55重量％，或者Al2O3超過40重量％，則在燒結時會由于作為玻璃化成分的Al2O3過多而導致燒結困難。而如果Al2O3不足25重量％，則會由于基體原料中的粘土礦物量過少而導致基體的塑性變差。另外，如果SiO2超過69重量％，則基體中的石英(其熱膨脹系數(shù)明顯地大于其他結晶)過多，因此基體的熱膨脹系數(shù)增大，從而容易產生燒窯裂紋。選自Na2O、K2O、Li2O中的至少一種成分與選自CaO、MgO、BaO、BeO中的至少一種成分之和如果不足3重量％，則燒結溫度過高，因此不適合于工業(yè)生產，而如果超過5重量％，則在燒結時的變形量過大。如果結晶態(tài)物質總量超過40重量％，或者剛玉量超過10重量％，則剛玉或石英等的非塑性原料過多，從而導致基體的塑性變差，難以制得象衛(wèi)生陶具那樣的大型制品。另外，當剛玉量超過10重量％時，基體的比重增大，從而使薄壁輕量化的效果減小。另外，由于原料成本的增高，使其不適合于工業(yè)生產。
另外，上述衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，其中的莫來石含量在10重量％以上。
如果莫來石的含量不足10重量％，則不能獲得足夠的強度和耐熱沖擊性。
另外，衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的特征在于，在其構成成分內的堿土金屬氧化物相對于堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物總量的摩爾比在40mol％以上。
如果堿土金屬氧化物相對于堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物總量的摩爾比不足40mol％，則不能獲得足夠的強度和耐熱沖擊性。
另外，上述衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法的特征在于，把選自陶石、高嶺土、硅石、硅砂、含有剛玉的原料、粘土、燒結助熔劑等原料中的衛(wèi)生陶具用陶瓷原料，按照其全部原料中所含的石英量在32重量％以下，剛玉量在10重量％以下的比例混合，將該衛(wèi)生陶具用陶瓷原料粉碎至其平均粒徑在6.5μm以下，將其成形和干燥，然后在1100～1300℃的溫度下燒結。
或者，該制造方法的特征在于，把選自陶石、高嶺土、硅石、硅砂、鋁土頁巖、粘土、燒結助熔劑等原料中的衛(wèi)生陶具用陶瓷原料，按照其全部原料中所含的石英量在32重量％以下，在燒結后的基體中所含的剛玉量在10重量％以下的比例混合，將該衛(wèi)生陶具用陶瓷原料粉碎至其平均粒徑在6.5μm以下，將其成形和干燥，然后在1100～1300℃的溫度下燒結。
如果在全部原料中的石英量超過32重量％，則其熱膨脹系數(shù)過大，因此容易產生燒窯裂紋。另外，當剛玉量超過10重量％時也存在上述問題。如果衛(wèi)生陶具用陶瓷原料的平均粒徑超過6.5μm，則基體的燒結性變差，所需添加的助熔劑量過多，這樣就使其在燒結時的變形量過大，因此不適合于工業(yè)生產。另外，這樣也不能獲得充分提高強度的效果。
上述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體如果在1100℃以下的溫度燒結，則不能獲得吸水率在3％以下的基體，而如果在1300℃以下的溫度燒結，則成本過高。
在上述衛(wèi)生陶具用的陶瓷原料中，作為含有剛玉的原料，可以使用按照拜耳法精制的氧化鋁、電熔氧化鋁、煅燒鋁土礦等各種原料，但從價格和性能兩方面考慮，特別優(yōu)選使用經煅燒的鋁土頁巖。使用煅燒的鋁土頁巖對其性能有利，這是因為在煅燒的鋁土頁巖中，除了含有剛玉以外，還含有適當量的莫來石，因此可以期望獲得基體耐熱沖擊性提高的效果。
在使用煅燒鋁土頁巖或鋁土頁巖作原料時，優(yōu)選使用Al2O3含量在50重量％以上的原料。如果Al2O3的含量不足50重量％，則為了確保基體中的剛玉達到預定量，必須增加這些原料的混合量，從而限制了為要確保成形性所必須的其他原料的使用量。
作為在上述衛(wèi)生陶具用陶瓷基體原料中含有剛玉的原料，優(yōu)選使用預先粉碎至100目以下的原料。這是因為含有剛玉的原料要比其他原料硬得多，從而使其難以粉碎的緣故。在基體中所含的剛玉粒子的粗細對于基體的強度是一個重要的因子，其粒度越細，基體的強度就越高。因此，對于含有剛玉的原料，優(yōu)選是預先將其粉碎成盡可能細的微粒，使其粒度至少達到100目以下。
另外，該制造方法的特征在于，將上述衛(wèi)生陶具用陶瓷原料按照其全部原料中所含的粘土礦物總量在50重量％以上的比例混合。
如果全部原料中的粘土礦物總量不足50重量％，則基體的塑性和加工性變差，吸水膨脹率大，以及在干燥時容易產生裂紋等生產性變差的現(xiàn)象。
作為粘土礦物，優(yōu)選是絹云母、高嶺土、地開石、葉蠟石、埃洛石等。
本發(fā)明衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法的特征在于，它通過鑄模成形來制造。
作為成形方法，可以使用擠壓成形、旋壓成形、加壓成形等方法，對此沒有特別限制，但是對于衛(wèi)生陶具等大型并且形狀復雜的產品，通常采用鑄模成形法。在制造用于鑄模成形的泥漿(由粉末狀原料分散于水中而形成)時，如果能夠購得適宜粒度分布的粉末，只須將其混合和攪拌即可，由于該方法可以對各成分的粒度分布獨立地控制，因此它是最簡便的方法。
另一方面，如果不能購得適宜粒度分布的粉末(例如使用陶石等石塊狀原料等情況)，則必須設置一個使用球磨機等將基體原料粉碎的工序。在此情況下，較簡單的工序是將全部原料放在一起粉碎，但是也可以根據(jù)情況，先將一部分原料取出而將其余原料粉碎，待粉碎結束之后再將該取出的原料添加進去。
另外，為了制造鑄模成形用的泥漿，必須加入解膠劑以使基體粒子良好地分散，作為解膠劑，可以使用水玻璃、碳酸鈉、腐殖酸鈉、堅木栲膠、聚丙烯酸鈉、低聚丙烯酸銨鹽等傳統(tǒng)的解膠劑。另外，在對成形品強度有特別要求的情況下，可以向泥漿中加入粘合劑以提高其強度，作為粘合劑，可以使用羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、糊精、阿刺伯樹膠、黃蓍膠、甲基纖維素、胨、可溶性淀粉、各種膠液類粘合劑、膠態(tài)二氧化硅等傳統(tǒng)的粘合劑。另外，也可把其他添加劑例如潤滑劑、脫模劑、增塑劑、消泡劑等加入到泥漿中。
對附圖的簡單說明

圖1是按本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體描繪的衛(wèi)生陶具(坐式便器)的側視圖和平面圖。
圖2是按照本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶磁基體描繪述的衛(wèi)生陶具(洗臉盆)的正視圖和平面圖。
圖3是曲線圖，其中示出了本發(fā)明的燒結前基體試驗片和傳統(tǒng)的燒結前基體試驗片在干燥過程中的抗彎強度與變形量之間的關系。
圖4是一個示意圖，其中示出了一臺通過振動含水狀態(tài)的基體試驗片來測定試驗片吸水膨脹程度的裝置。
用于實施發(fā)明的最佳方案下面說明本發(fā)明的實施例。
表1示出了實施例中所用原料的化學組成。除了氧化鋁之外，其余皆為天然原料，所示的化學組成是具有代表性的數(shù)值。
表1(wt％)

1)微量礦物和玻璃質成分除外。
表2示出了窯釉的化學組成。
表2

表3至表9示出了在比較例和本發(fā)明實施例中的基體所用的原料、原料中所含的礦物量、基體的物理性質、使用該基體試制成品的試制結果等。
表3、

表4

另外，在表3中，No.1-1～No.1-3表示比較例(傳統(tǒng)的基體)；在表4中，No.2-1～No.2-6表示試驗的基體。
表5

表6

表7

表8

表9

在表5至表9中，No.3-1～No.3-6，No.4-1～No.4-4，No.5-1～No.5-5，No.6-1～No.6-4，No.7-1～No.7-6表示試驗基體。
表10示出了使用本發(fā)明的實施例中的陶瓷基體制成的強度測定試驗片的形狀與強度之間的關系。
表10

*)用本陶瓷基體制造衛(wèi)生陶具，再從該衛(wèi)生陶具切出的試驗片。
表11示出了使用傳統(tǒng)的陶瓷基體制成的各種形狀的試驗片強度。
表11

*)用本陶瓷基體制造衛(wèi)生陶具，再從該衛(wèi)生陶具切出的試驗片。
表12示出了本發(fā)明實施例的陶瓷基體的燒結變形量和再加熱時的變形量。
表12

*)再加熱溫度1200℃表13示出了圖1、圖2的制品基體的壁厚設定值和傳統(tǒng)的同樣制品的壁厚設定值。
表13

使用住友化學工業(yè)(株)制的精制氧化鋁和由鋁土頁巖通過一次煅燒而獲得的煅燒鋁土頁巖作為含有剛玉的原料。
使用由益田硅石經粉碎而獲得的產品作為調整過粒徑的石英原料。
圖1是試制的坐式便器制品，其基體壁厚平均要比傳統(tǒng)產品薄30％。
圖2是試制的洗臉盆制品，其基體的壁厚平均要比傳統(tǒng)產品薄30％。
圖3是用于對基體的塑性進行比較的曲線圖，其中示出了通過鑄模成形制得的試驗片在進行干燥(含水量的減少)過程中的強度與變形量之間的關系。
首先，向基體原料中加入水和作為解膠劑的適量水玻璃，用球磨機將其粉碎，獲得了原料泥漿。
然后將所獲的原料泥漿澆注入一個試驗片的成形用石膏模型中，在形成鑄坯之后將其脫模，獲得了試驗片。
將成形后的試驗片干燥，然后在1200℃將其燒結。原料粒徑用激光散射式粒度分布測定裝置(日機裝(株)制，Micro-track FRA)進行測定。
基體強度的測定是首先將其制成一種φ13×130mm的試驗片，然后在間距100mm和滑塊速度2.5mm/min的條件下利用三點彎曲的方法進行測定。
陶瓷材料的強度隨試驗片形狀的不同而異，表5和表6示出了對試驗片形狀和強度的關系進行實驗的結果。
圖3示出的結果是按下述則得的。首先制得一種寬15mm、厚15mm和長120mm的試驗片，在脫模之后立即從含水狀態(tài)開始干燥以使其含水率逐漸減少，在此過程中測定試驗片基體的抗彎強度與此時的彎曲量(變形量)。強度和彎曲量的測定是在間距50mm、滑塊速度2.5mm/min的條件下按三點彎曲的方法進行。
燒結變形量(燒結時的變形量)的測定方法是將一種寬30mm、厚15mm、長260mm的未燒結試驗片按200mm的間距支持著進行燒結，在燒結后測定該試驗片的彎曲量和厚度。這時的彎曲量與燒結后試驗片厚度的平方成反比例，按照下式計算出當厚度為10mm時的彎曲量，以此值作為燒結變形量。
燒結變形量=彎曲量測定值×(燒結后的試驗片厚度)2/102釉料適應性(釉層是否剝離或形成珠狀)的測定方法是在一種稱為環(huán)狀物(直徑100mm、壁厚4mm、寬30mm)的半圓形試驗片的外周面上涂敷一層厚約0.5mm的在表2中示出的窯釉，將其燒結，以表3的比較基體1-1的直徑作為基準，以百分比表示釉料的適應性。該數(shù)值越大，表明釉料的適應性越好。
耐熱沖擊性的評價方法是將一種寬25×厚10×長110mm的燒結試驗片在規(guī)定的溫度下保持1小時以上，然后將其投入水中以使其急冷，檢查試驗片是否產生了裂紋，據(jù)此進行評價。以沒有產生裂紋的最大溫度差表示。
再加熱時變形量的評價方法是將一種寬25mm、厚5mm、長230mm的試驗片支持在相距為200mm的兩個支持點上，在4小時內升溫至1000℃，再按每小時100℃升溫至預定溫度，并在該預定溫度下保持1小時，然后將其自然放冷至室溫，將這時的試驗片撓曲量作為再加熱時的變形量。
但是，當試驗片的厚度不是5mm的情況下，可以根據(jù)撓曲量與試驗片厚度成反比例的關系來校正其撓曲量的值，將此校正值作為再加熱時的變形量。
該校正方法如下，實際測定兩種不同厚度的試驗片在再加熱時的變形量，按下式求出常數(shù)n，然后據(jù)此求出當試驗片的厚度為5mm時的再加熱時的變形量。
變形量2=變形量1×(厚度1÷厚度2)n變形量1是厚度1的試驗片在再加熱時的變形量；變形量2是厚度2的試驗片在再加熱時的變形量；n是用于校正的常數(shù)。
表12示出了基體的燒結變形量與同一基體在再加熱時的變形量之間的關系。
澆鑄速度常數(shù)(casting rate constant)可按下述方法獲得，也就是在0.3MPa的加壓下將原料泥漿在濾紙上過濾20分鐘，測定澆鑄在濾紙上的基體的厚度，然后按下式求出澆鑄速度常數(shù)。
澆鑄速度常數(shù)(mm-2/sec)={厚度(mm)}2/20×60(sec)×100吸水膨脹率(liquefaction)可按下述方法獲得，也就是把在澆鑄速度常數(shù)測定中獲得的含水狀態(tài)的基體切成寬10mm、長50mm的試驗片，然后按照圖4所示的方法使該試驗片振動5秒鐘，測定這時試驗片的長度，然后按下式求出吸水膨脹率。
吸水膨脹率(％)={(振動后的長度-振動前的長度)/振動前的長度}×100制品(圖1、圖2所示的制品)的試制可按下述方法進行。
對于圖1、圖2中所示的任一種制品皆使用石膏模型作為成形模型。把原料泥漿灌注入該石膏模型中，當澆鑄形成預定的壁厚時排去多余的泥樂，脫模，加工完畢后將其干燥，然后進行涂釉和燒結。
試制產品的壁厚要比按照傳統(tǒng)方法制成的同樣產品薄約30％。制品基體的壁厚與泥漿鑄模的成形特點及制品的結構有關，一般可分為沿模型的兩個側壁澆鑄成形的基體(雙層部分)和僅沿模型的一個側壁澆鑄成形的基體(單層部分)，一般地說，雙層部分基體的壁厚要大于單層部分的壁厚。
表13中示出了圖1、圖2制品基體的壁厚設定值和傳統(tǒng)相同制品的壁厚設定值。評價了該制品在試制時的塑性和加工性。
此處的塑性和加工性是指在制品脫模之后對制品進行精加工時與該加工有關的特性。塑性是指在對基體表面的凹凸或對粘接面的粘接線進行修正時，表示該修正作業(yè)容易程度的一種尺度。加工性是表示開孔或研磨加工的容易程度的一種尺度。生產者可以通過觸感對這些性能進行評價。
表3的No.1-1～3是比較例，其中示出了傳統(tǒng)技術的基體和使用該基體的制品的試制結果。
有4的No.2-1～6是實施例，其中示出了本發(fā)明的基體和使用該基體的制品的試制結果。
下面說明表3和表4中的各個項目。
在原料的礦物組成一欄中，結晶組成礦物是指在原料中的剛玉、莫來石、石英等非塑性礦物的總量。
高嶺土類是指，除了高嶺土之外，還包含地開石、葉蠟石、埃洛石等，該高嶺土類和絹云母的總量就是在全部原料中所含的粘土礦物量。
在基體組成一欄中，燒結助熔劑量是指在基體化學組成中的Na2O、K2O等堿金屬氧化物與MgO、CaO等堿土金屬氧化物的總量。
在基體組成一欄中，堿土類摩爾比是指在以燒結助熔劑成分為100時，MgO、CaO等堿土金屬氧化物在燒結助熔劑中所占的摩爾比(mol％)。
在基體的物理性質一欄中，熱膨脹系數(shù)是指從50℃至600℃范圍內的熱膨脹系數(shù)。
在生產性一欄中的原料價格是指在以No.1-1的原料價格為100時的指數(shù)。
在生產性一欄中的干燥裂紋發(fā)生率是指在試制10個圖1所示制品時，在成形后至干燥結束的整個過程中由于收縮應力而產生的裂紋的發(fā)生率。
在生產性一欄中的燒窯裂紋發(fā)生率是指在試制10個如圖1所示制品時，在燒結后的降溫過程中由于制品受到冷卻的熱沖擊作用而產生的裂紋的發(fā)生率。
在生產性一欄中的制品變形是指在燒結時由于基體的軟化所導致的制品變形，如果基體的軟化變形(燒結變形)較大，則制品由于其本身的重量也會導致變形。
耐熱沖擊試驗合格率是指，試制10個如圖2所示的洗臉盆，在對制品造成80℃的溫差時，以沒有由于熱沖擊而產生裂紋的產品為合格產品所求得的合格率。80℃的溫差可按如下方法獲得，也就是向洗臉盆的水槽中加入10℃的冷水以使洗臉盆維持10℃的狀態(tài)，然后放掉冷水并立即向水槽中注入90℃的熱水，從而造成80℃的溫差。
No.1-1是在傳統(tǒng)衛(wèi)生陶具的生產中使用的一般的基體。對于這種基體來說，在試制圖1所示的制品時，制品的變形大，因此不宜用于生產中。
No.1-2是一種傳統(tǒng)技術的基體，在該基體的生產中通過添加大量的剛玉來謀求基體的強化并通過原料的微?；瘉碇\求燒結變形的減輕。對于這種基體來說，雖然在制造圖1的制品時沒有變形，但是由于在全部原料中所含的絹云母、高嶺土、地開石、葉蠟石、埃洛石等粘土礦物的總量少，故該基體的塑性和加工性差，吸水膨脹率大，并且干燥裂紋的發(fā)生率大，因此導致生產性差，這是存在的問題。
No.1-3是一種傳統(tǒng)技術的基體，在該基體的生產中，為了確保生產性，通過使例如No.1-1那樣普通基體的原料微?；瘉碇\求基體強化和使燒結變形減輕。對于這種基體來說，雖然在制造圖1的制品時沒有變形，但是由于產生燒窯裂紋而不宜用于生產中。
No.2-1～6是本發(fā)明的基體，在其中任一種基體的全部原料中所含的粘土礦物量都在50重量％以上，因此其吸水膨脹率小，塑性和加工性優(yōu)良，對干燥裂紋的抵抗性也優(yōu)良。
No.2-1～3沒有使用剛玉原料而只是使原料微粒化，以此來謀求基體強化和使燒結變形減輕，另外還謀求基體特性的最優(yōu)化，以便使基體不產生燒窯裂紋。在基體的特性中，基體的耐熱沖擊性和熱膨脹系數(shù)對燒窯裂紋的發(fā)生具有較大的影響。
另外，制品的基體壁厚也有影響，因此，如果要生產象圖1所示那樣基體器壁薄的制品而不讓其產生燒窯裂紋，就必須提高其耐熱沖擊性，并且特別是要使其熱膨脹系數(shù)降低到75×10-7/℃以下。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在制造基體時，必須根據(jù)原料的粒度和燒結條件來調整原料中的石英含量。
No.2-1的基體在耐熱沖擊試驗中有問題，因此不能生產出能夠承受象對圖2制品那樣耐熱沖擊試驗的高質量產品。No.2-2～3是針對該問題而經過改進的基體，其耐熱沖擊性有了提高。
No.2-2是一種改進的基體，它是通過調整燒結助熔劑的組成，具體地是通過提高燒結助熔劑中堿土金屬氧化物的組成比來改進性能的。No.2-3也是改進的基體，它是另外還通過對原料的粒度調整，具體地是在No.2-2的基礎上使原料的粒度粗化來改進性能的。
象No.2-2的基體那樣，通過調整燒結助熔劑的組成，可以提高基體的耐熱沖擊性，并且也可以提高基體的強度。為了能夠十分有效地提高基體的耐熱沖擊性和基體的強度，堿土類的摩爾比必須在40mol％以上，優(yōu)選在50mol％以上。
關于燒結助熔劑的用量，從燒結變形方面考慮，為了把燒結變形抑制到25mm以下，必須把燒結助熔劑的量降低到5重量％以下，而為了使基體的燒結充分進行，必須控制原料粒度和燒結條件?，F(xiàn)實的燒結溫度范圍是1100～1300℃，從這一關系考慮，原料的平均粒徑必須在6.5μm以下。
另外，原料的粒度越細，越能改善基體的燒結性，但是這樣也會導致生產性變差。
No.2-3的基體也能象圖1和圖2的兩種制品那樣具有優(yōu)良的生產性，但是基體的強度低，燒結的變形也稍大，因此希望作進一步的改進。
No.2-4是謀求對No.2-3的基體作進一步改進的產品，其中使用剛玉作原料。剛玉的使用可以使基體強化，其效果也表現(xiàn)在提高耐熱沖擊性方面。另外，為了提高耐熱沖擊性，使用燒結鋁土頁巖作為剛玉原料要比使用精制氧化鋁更為有利。
可以認為，這是由燒結鋁土頁巖中的莫來石貢獻的效果。但是，剛玉原料的使用會象現(xiàn)有技術那樣遇到原料價格高和生產性差的問題。然而，剛玉原料的使用量所帶來的利和害的關系不能一概而論，當剛玉是在10重量％以下時，剛玉能給基體的強化帶來很好的效果，同時能使原料價格仍保持較低的水平，并且能夠獲得生產性優(yōu)良的基體。
圖3是曲線圖，其中示出了表3、表4中的No.1-2和No.2-5的基體從脫模之后的含水狀態(tài)開始使含水率逐漸減少的各個過程中，抗彎強度與變形量之間的關系?？梢哉J為，這種關系是表示基體塑性的一個指標。對于在脫模之后處于含水狀態(tài)的基體，在向其施加應力時引起的彎曲不含由于除去應力而恢復原狀，導致了塑性變形。這種塑性變形量的大小是表示基體塑性的一個尺度。因此，各基體之間的塑性比較可以通過在相同強度下的變形量之差別來看出，可以認為，基體的變形量越大，其塑性就越好。在圖3中對兩種基體進行比較時，可以看出，No.2-5基體的塑性較優(yōu)。該結果與通過觸感的評價結果相一致。
表2至表9是表示在表4中本發(fā)明基體的特征的實施例。
No.3-1～6是表示原料粒度的效果的實施例，隨著粒度變細，基體的強度提高，另一方面，隨著熱膨脹系數(shù)的增加，基體的耐熱沖擊性變差。另外，通過使粒度變細和調整助熔劑的量，可以使燒結變形減小。
No.4-1～4是表示原料中石英量的效果的實施例，隨著石英量的減少，基體的熱膨脹系數(shù)減少，但耐熱沖擊性沒有變化。
No.5-1～5是表示堿土金屬氧化物摩爾比的效果的實施例，隨著堿土金屬氧化物摩爾比的增加，基體的耐熱沖擊性提高，而且基體的強度也隨之提高。
No.6-1～4是表明剛玉量的效果的實施例，當剛玉量在10重量％以下時，隨著剛玉量的增加，基體的強度有顯著的提高，但當剛玉量達到10重量％以上時，其效果變小。
No.7-1～6是在剛玉量不同的情況下，堿土金屬氧化物摩爾比的效果。當剛玉量在10重量％以下時，隨著堿土金屬氧化物摩爾比的提高，基體的強度也提高，但當剛玉量達到10重量％以上時，由于堿土金屬氧化物摩爾比提高所帶來的基體強度提高的效果減小。
工業(yè)實用性如上所述，按照本發(fā)明的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體及其制造方法，配合少量的剛玉，可以使基體的強度提高，燒結時的變形量小，并能獲得優(yōu)良的耐熱沖擊性，而且能以高的生產率制得衛(wèi)生陶具。
因此，按照本發(fā)明，可以在工業(yè)上十分有利地(生產性優(yōu)良并且價格低廉)使衛(wèi)生陶具薄壁輕量化，因此能夠抑制衛(wèi)生陶具的重量增加并能使其大型化。
權利要求
1.一種衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其燒結時的變形量在25mm以下，而且其熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下。
2.一種衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其無釉抗彎強度在100MPa以上，而且其熱膨脹系數(shù)在在75×10-7/℃以下。
3.一種衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其燒結時的變形時在25mm以下，而且其熱膨脹系數(shù)在75×10-7/℃以下，以及其無釉抗彎強度在100MPa以上。
4.權利要求1至3的任一項中所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其中衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的耐熱沖擊性在100℃以上。
5.權利要求1至3的任一項中所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其中衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的吸水率在3％以下。
6.一種衛(wèi)生陶具用陶磁基體，其特征在于，它含有作為構成衛(wèi)生陶具用陶瓷基體主成分組成的SiO255～69重量％；Al2O325～40重量％；選自NaO、K2O、Li2O中的至少一種成分與選自CaO、MgO、BaO、BeO中的至少一種成分之和3～5重量％；含有作為結晶的石英和莫來石，或者石英、莫來石和剛玉，總結晶量在40重量％以下，并且剛玉的量不到10重量％。
7.權利要求6所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，其中的莫來石含量在10重量％以上。
8.權利要求6或7所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體，在其構成成分內的堿土金屬氧化物相對于堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物總量的摩爾比在40mol％以上。
9.一種衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，把選自陶石、高嶺土、硅石、硅砂、含有剛玉的原料、粘土、燒結助熔劑等原料的衛(wèi)生陶具用陶瓷原料，按照其全部原料中所含的石英量在32重量％以下，剛玉量在10重量％以下的比例混合，將該衛(wèi)生陶具用陶瓷原料粉碎至其平均粒徑在6.5μm以下，將其成形和干燥，然后在1100～1300℃的溫度下燒結。
10.一種衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，把選自陶石、高嶺土、硅石、硅砂、鋁土頁巖、粘土、燒結助熔劑等原料的衛(wèi)生陶具用陶瓷原料，按照其全部原料中所含的石英量在32重量％以下，在燒結后的基體中所含的剛玉量在10重量％以下的比例混合，將該衛(wèi)生陶具用陶瓷原料粉碎至其平均粒徑在6.5μm以下，將其成形和干燥，然后在1100～1300℃的溫度下燒結。
11.權利要求9所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，在上述衛(wèi)生陶具用陶瓷原料中含剛玉的原料是煅燒鋁土頁巖。
12.權利要求11所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，上述煅燒鋁土頁巖中的Al2O3含量在50重量％以上。
13.權利要求9所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，將上述含有氧化鋁的原料預先粉碎至100目以下。
14.權利要求10所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其特征在于，上述鋁土頁巖的Al2O3含量在50重量％以上。
15.權利要求9和10的任一項中所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，將上述衛(wèi)生陶具用陶瓷原料按照其全部原料中所含的粘土礦物總量在50重量％以上的比例混合。
16.權利要求15所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其中，上述的粘土礦物從絹云母、高嶺石、地開石、葉蠟石、埃洛石中選擇。
17.權利要求9至16的任一項中所述的衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的制造方法，其中，上述的成形方法是鑄模成形法。
全文摘要
作為構成衛(wèi)生陶具用陶瓷基體的主成分組成是SiO
文檔編號C04B35/18GK1298373SQ99805425
公開日2001年6月6日 申請日期1999年2月24日 優(yōu)先權日1998年2月26日
發(fā)明者古賀直樹, 安田基, 石川秀美, 一木智康, 建山昭三, 大津雅人, 川上克博 申請人:東陶機器株式會社