尹業(yè)濤

（北京市人大附中翠微學(xué)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(xué)校，北京100000）

氧化鋯陶瓷象棋是結(jié)合我國(guó)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(jī)壓制成型和電阻爐高溫?zé)Y(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(jì)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(jì)，解決了字體易斷裂的問(wèn)題。制造的陶瓷象棋具有很高的致密度、強(qiáng)度和韌性，從6米高處自由落體撞擊水泥地面不會(huì)被摔碎。經(jīng)簡(jiǎn)單滾動(dòng)拋光處理后，氧化鋯陶瓷象棋呈現(xiàn)出美如玉、強(qiáng)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(jī)壓制成型；電阻爐高溫?zé)Y(jié)

1 前言

象棋在古代也被稱為象戲，在中國(guó)已有上千年的歷史。到了唐代，象棋已進(jìn)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(xué)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(xué)家在河南洛陽(yáng)發(fā)現(xiàn)了一副北宋時(shí)期的圓形瓷質(zhì)象棋，它是我國(guó)國(guó)寶級(jí)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(jiàn)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(guó)人不可缺少的一項(xiàng)棋藝活動(dòng)。

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(guó)古代勞動(dòng)人民的偉大發(fā)明之一。陶瓷象棋具有強(qiáng)烈的視覺(jué)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(jià)值。近年來(lái)，江西景德鎮(zhèn)制造了青花瓷象棋 （見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)，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(wèn)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(jī)械成型和電爐燒結(jié)工藝制造陶瓷象棋，具有美如玉、強(qiáng)度高、韌性好、摔不碎、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 江西景德鎮(zhèn)生產(chǎn)的現(xiàn)代青花瓷象棋

2 實(shí)驗(yàn)方法

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?zé)Y(jié)→性能檢測(cè)→滾動(dòng)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(jī)物粘接劑和潤(rùn)滑劑后才能成型。陶瓷粉末粒度很小，流動(dòng)性差，必須造粒處理。在購(gòu)買的四方晶氧化鋯無(wú)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(guò)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(jī)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(jī)壓制成型，壓力20～40 MPa，保壓時(shí)間10～20 s，保壓結(jié)束后加壓脫模，得到成型的象棋壓坯。因?yàn)橄笃遄煮w小而窄，生坯強(qiáng)度低，成型工藝重點(diǎn)要研究解決脫模時(shí)的字體斷裂問(wèn)題，以免造成廢品。為此優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)成型質(zhì)量的影響。

第三步，陶瓷高溫?zé)Y(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(jī)物粘接劑和潤(rùn)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(diǎn)要研究如何提高陶瓷象棋的密度、強(qiáng)度、韌性等問(wèn)題，以制造出無(wú)外觀缺陷、高強(qiáng)度、高韌性、摔不碎、一致性好的陶瓷象棋。

第四步，性能檢測(cè)。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(cè)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(cè)量陶瓷的體積密度，樣品密度計(jì)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(cè)量溫度下水的理論密度。在陶瓷燒結(jié)相對(duì)密度大于94%時(shí)，開(kāi)孔率大大減少，可以認(rèn)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(cè)試其耐沖擊性能。

第五步，滾動(dòng)拋光處理。將氧化鋯陶瓷象棋放入滾筒球磨機(jī)內(nèi)，加入相同重量的剛玉粗粉和水，一起滾動(dòng)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 成型工藝

首先，采用圖2設(shè)計(jì)的三種不同象棋模具進(jìn)行壓制試驗(yàn)。圖3是氧化鋯陶瓷象棋的壓制成型結(jié)果。可見(jiàn)，采用圖2（a）下凹刻字模具，刻字深度1 mm，字體外圍設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)一個(gè)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(wú)凸槽或凹槽，字體適當(dāng)放大，發(fā)現(xiàn)成型性有很大改善，能壓制出幾乎無(wú)缺陷的象棋生坯，但合格率不高。

采用圖2（c）設(shè)計(jì)模具壓制不同的象棋，發(fā)現(xiàn)筆畫(huà)比較簡(jiǎn)單的“將、士、仕、馬、卒”等象棋可以順利壓制成型。而筆畫(huà)比較復(fù)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(diǎn)是在字體的“口、日”等封閉、狹窄筆畫(huà)處極易在脫模時(shí)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(huà)斜度等方面改進(jìn)模具設(shè)計(jì)，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(jì)實(shí)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(dāng)刻字深度為0.8～1.2 mm時(shí)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(guò)小或過(guò)大，均難以壓制出合格率較高的象棋生坯。當(dāng)刻字筆畫(huà)斜度（倒角）分別為0、5、10、15°時(shí)，象棋生坯合格率逐漸提高，生坯最高合格率可達(dá)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(jì)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(jì)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(cè)量值，可見(jiàn)在1450～1500℃無(wú)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(gè)典型陶瓷象棋的密度測(cè)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(gè)。用氧化鋁粗粉和水進(jìn)行簡(jiǎn)單滾動(dòng)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(yàn)

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(dòng)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(shí)，也不易出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象；只有當(dāng)象棋邊緣尖角直接撞擊水泥地面時(shí)，才會(huì)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(huì)解體碎裂?？梢?jiàn)，氧化鋯陶瓷象棋的具有非常高的抗沖擊性能。

4 結(jié)論

（1）模具設(shè)計(jì)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(jì)是成功的，解決了字體斷裂的問(wèn)題；

（2）燒結(jié)的陶瓷象棋具有很高的致密度、強(qiáng)度和韌性，從6米高處自由落體撞擊水泥地面時(shí)不會(huì)被摔碎；

（3）經(jīng)簡(jiǎn)單滾動(dòng)拋光處理后，氧化鋯陶瓷象棋呈現(xiàn)出美如玉、強(qiáng)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(xué)性能及其增韌機(jī)理的研究［J］.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，1986，1（2）：129～134

［2］陳士冰，王世峰，李亮.燒結(jié)溫度對(duì)3Y-TZP陶瓷結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響［J］.硅酸鹽通報(bào)，2011，30（3）：724～727.

［3］李樹(shù)先，朱德貴.不同燒結(jié)方法對(duì)3Y-TZP陶瓷力學(xué)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(cè)量參數(shù)