關(guān)于大規(guī)格陶瓷板和陶瓷板切割性能判定方法的探討與研究*

聞萬(wàn)梁

(蒙娜麗莎集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528211)

前言

隨著大規(guī)格陶瓷板和陶瓷板應(yīng)用的快速普及，以及“巖板”新概念的全球火熱。陶瓷板材的使用領(lǐng)域，已經(jīng)從傳統(tǒng)的墻地面裝飾，外延到泛家居家裝領(lǐng)域。此外，功能性板材的概念也在興起，受2020年全球疫情的影響，陶瓷板材的食品級(jí)抗菌環(huán)保性，加持遠(yuǎn)紅外保溫、智能家居生活提高家庭生產(chǎn)品質(zhì)成為新的趨勢(shì)。

在陶瓷板材如火如荼推向市場(chǎng)時(shí)，家居加工行業(yè)的加工破損問(wèn)題也成為一個(gè)對(duì)陶瓷材料來(lái)說(shuō)，全新的挑戰(zhàn)，且有必要為其建立相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。陶瓷板的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23266-2009《陶瓷板》和大規(guī)格陶瓷板的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39156-2020《大規(guī)格陶瓷板技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》分別立項(xiàng)于2007年和2017年，彼時(shí)陶瓷板材尚未進(jìn)入泛家居領(lǐng)域，因此對(duì)于切割性能，未有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。2019年開(kāi)始訂立的各項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)，雖然有考慮制訂切割性能標(biāo)準(zhǔn)，但由于市場(chǎng)上板材的規(guī)格、性能各異，目前也未能有確定的切割標(biāo)準(zhǔn)。

1 影響切割破損的因素

陶瓷材料是脆性材料，并且它們的實(shí)際強(qiáng)度通常不會(huì)達(dá)到理論強(qiáng)度；同時(shí)由于材料表面上存在的微缺陷，一旦材料受到大的施加載荷，材料就會(huì)破裂。這是材料本身的特性，其本身的加工難度是較大的。

1.1 斷裂韌性

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，提高材料斷裂韌性可以增加材料的材料的切割性能，而對(duì)于陶瓷材料斷裂韌性的研究表明，陶瓷材料的斷裂韌性是材料本身的力學(xué)性能指標(biāo)，是陶瓷材料的本質(zhì)。那么是否可以通過(guò)測(cè)定陶瓷材料的斷裂韌性，用以界定其切割性能？通過(guò)與科研院校的合作檢測(cè)，相同配方(a)中切割性能較差，相對(duì)易破損的材料，其斷裂韌性比切割性能好的低，但差值(a)非常小，而不同配方(b)的陶瓷材料其斷裂韌性之間的差值(b)，大于差值(a)。對(duì)比不同配方(a)和(b)，未發(fā)現(xiàn)切割性能有差異。斷裂韌性的檢測(cè)難度高，目前檢測(cè)數(shù)據(jù)少，單憑斷裂韌性可能仍無(wú)法對(duì)切割性能進(jìn)行量化，但作為性能量化的一項(xiàng)指標(biāo)，和其它更多的材料力學(xué)數(shù)據(jù)，一同構(gòu)建完備的評(píng)價(jià)體系，很可能是未來(lái)的最優(yōu)選。

1.2 微裂紋

根據(jù)格里菲斯能量平衡的觀點(diǎn)：①裂縫產(chǎn)生新的表面是需要一定量的表面能，通過(guò)減少材料內(nèi)部的彈性能量存儲(chǔ)來(lái)補(bǔ)償裂縫產(chǎn)生新表面所需的表面能；②材料中彈性能量?jī)?chǔ)存的分布并不均勻，裂縫附近集中了大量彈性儲(chǔ)能，裂縫區(qū)域比其他區(qū)域具有更多的彈性儲(chǔ)能，以提供創(chuàng)建新表面所需的表面能量，從而導(dǎo)致材料首先在裂縫處破裂。為驗(yàn)證微裂紋理論對(duì)切割性能的影響，取同批次相同數(shù)量的樣品，分別對(duì)其表面進(jìn)行拋光處理和非拋光處理，磨邊和不磨邊處理，然后使用相同的加工圖紙，進(jìn)行水刀加工，統(tǒng)計(jì)切割破損數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 拋光和磨邊對(duì)切割性能影響

試驗(yàn)結(jié)果符合微裂紋理論，未磨邊產(chǎn)品其切割破損率遠(yuǎn)大于磨邊后的產(chǎn)品，這是由于半成品產(chǎn)品邊緣的裂紋，隨著加工切割，產(chǎn)品應(yīng)力發(fā)生改變，當(dāng)邊緣所受應(yīng)力大于裂紋的擴(kuò)展力，產(chǎn)品即從原有裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，出現(xiàn)破損。但從試驗(yàn)2也能看出，當(dāng)產(chǎn)品其本身切割性能較好時(shí)，即使未磨邊，其破損率也在很低的水平。雖然陶瓷板材成品都是經(jīng)過(guò)磨邊拋光，應(yīng)以磨邊拋光作為最終確認(rèn)結(jié)果，但如先檢測(cè)未磨邊拋光的半成品切割性能，在日常生產(chǎn)檢測(cè)中，未失為一種較佳的預(yù)警手段。同時(shí)微裂紋理論也對(duì)加工后的產(chǎn)品提出了很好的參考。為防止加工施工后期開(kāi)裂，加工后必須對(duì)加工邊進(jìn)行打磨，特別在使用切割機(jī)開(kāi)孔后，轉(zhuǎn)角位留下的切割裂紋。根據(jù)大量工程案例的統(tǒng)計(jì)，后期裂紋97%以上是從未經(jīng)處理的切割裂紋位置開(kāi)始擴(kuò)展開(kāi)裂。從微裂紋角度分析，切割成功率：玻璃刀切割〉水刀切割=刀片橋切。

1.3 應(yīng)力檢測(cè)

低溫快燒工藝是目前陶瓷磚板行業(yè)普遍使用的燒成工藝。在燒制成形過(guò)程中，應(yīng)力被固定在成品材料之中。理論上讓?xiě)?yīng)力均勻分布在陶瓷板材上，可改善產(chǎn)品的切割性能，為驗(yàn)證應(yīng)力理論，對(duì)于同一批次的產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生斷裂的位置，集中度非常高，固定板材方向位置，和固定圖紙，開(kāi)裂總在同一位置產(chǎn)生，因此可以通過(guò)改變板材方向，修改圖紙等方法，使原來(lái)無(wú)法切割的產(chǎn)品可正常切割。從應(yīng)力集中角度分析，切割成功率水刀切割〉玻璃刀切割〉刀片橋切。為了可無(wú)損檢測(cè)產(chǎn)品應(yīng)力，目前有X射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)2個(gè)方向，但由于陶瓷材料有大量的非晶相，為非均質(zhì)體材料，檢測(cè)難度很高，X射線檢測(cè)難以解決檢測(cè)模型，超聲檢測(cè)難以解決檢測(cè)深度問(wèn)題。無(wú)損檢尚未達(dá)到可靠階段，因此有損檢測(cè)可以說(shuō)是當(dāng)前的唯一選擇，從應(yīng)力集中角度看，銳角位置其應(yīng)力較大，30°和90°角都是難度較大的加工，同時(shí)由于應(yīng)力集中點(diǎn)的不確定性，檢測(cè)方法中應(yīng)考慮覆蓋更多的位置。

1.4 不同規(guī)格板材切割性能差別

在1.2和1.3中，探討了微裂紋原理和應(yīng)力集中原理是陶瓷板材產(chǎn)生切割裂的主要成因，因此小規(guī)格產(chǎn)品，微裂紋的數(shù)量遠(yuǎn)小于大規(guī)格的產(chǎn)品。在應(yīng)力集中角度看，大規(guī)格產(chǎn)品應(yīng)需要多倍于小規(guī)格產(chǎn)品的燒成時(shí)間，才能具有相同的應(yīng)力均勻性，而在實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)長(zhǎng)的燒成時(shí)間是不具備經(jīng)濟(jì)性的。因此根據(jù)理論分析，規(guī)格越大，厚度越厚，即體積越大的產(chǎn)品，其切割不破損幾率也越低，切割難度也是指數(shù)上升的。對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，可得到如表2所示的數(shù)據(jù)：體積大的產(chǎn)品，通常切割破損率更高，因此體積越大的產(chǎn)品，其對(duì)切割性能的要求越高。

表2 不同規(guī)格產(chǎn)品切割切割高難度圖紙的破損統(tǒng)計(jì)比例

1.5 X射線衍射分析

陶瓷材料是具有大量玻璃相和晶相的混合物，且是非均質(zhì)體。有研究認(rèn)為，使用X射線衍射儀對(duì)陶瓷板材進(jìn)行晶相分析，可以對(duì)切割性能進(jìn)行評(píng)估判定。其原理為：把材料切成納米級(jí)薄片，測(cè)量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測(cè)得的結(jié)果實(shí)際上是殘余應(yīng)變，再通過(guò)虎克定律由殘余應(yīng)變計(jì)算得到應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力為晶格內(nèi)部殘余應(yīng)力，習(xí)慣上稱為微觀應(yīng)力。對(duì)于切割裂所說(shuō)的多個(gè)晶體尺度范圍內(nèi)的應(yīng)力，一般稱之為宏觀應(yīng)力，兩者并無(wú)絕對(duì)關(guān)系。因此通過(guò)X射線衍射儀分析殘余應(yīng)力未能實(shí)際解決切割性能判定問(wèn)題。

從切割原理來(lái)說(shuō)，斷裂可分為沿晶斷裂和穿晶斷裂。大多發(fā)生的切割斷裂為沿晶斷裂，因此理論上減少晶粒粒徑和非晶相含量可以提高陶瓷板材的切割性能。此時(shí)使用X射線衍射儀對(duì)材料進(jìn)行晶相分析，是具有相應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值的。但從實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，不管是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，還是國(guó)內(nèi)大小品牌產(chǎn)品，其非晶相含量基本處于50%～58%，未有證據(jù)表明非晶相含量低，切割性能就好。從結(jié)論上說(shuō)，X射線衍射分析目前對(duì)于評(píng)估判定切割性能尚無(wú)重大作用。

2 切割判定方法

為了對(duì)生產(chǎn)線流水產(chǎn)品進(jìn)行性能判定，目前普遍采用的方法為試驗(yàn)切割判定方法。根據(jù)不同規(guī)格、用途的陶瓷板材，使用不同的切割圖紙，使用T型玻璃刀、橋切機(jī)、水刀機(jī)等切割工具進(jìn)行試驗(yàn)切割，能正常切割且未有破損的，分為優(yōu)等品。但作為通用的判定方法，需要有統(tǒng)一的試驗(yàn)條件，首先選擇合適的切割方式，玻璃刀由于劃痕小無(wú)法切割厚板，在切割薄板時(shí)，也未能充分暴露切割風(fēng)險(xiǎn)；橋切機(jī)受限于刀片，目前刀片大多適用于石材切割，對(duì)于何種刀片用于陶瓷切割最佳，依然存在爭(zhēng)議，且刀片的鋒利程度對(duì)于切割是否崩邊角有很大的影響，如用于判定則不確定度過(guò)高。綜合考慮，水刀機(jī)是目前最為合適的切割試驗(yàn)儀器，經(jīng)過(guò)調(diào)研，也是目前大品牌企業(yè)普遍采用的試驗(yàn)方法。水刀試驗(yàn)切割參數(shù)主要包含水刀機(jī)壓力(MPa)、加工速度(cm/min)、水刀機(jī)沙閥(%)，建議參數(shù)如下。

厚度6 mm以下陶瓷板的切割參數(shù)，如表3所示。

表3 厚度6 mm以下陶瓷板的切割參數(shù)

厚度8 mm以上的厚板的切割參數(shù)，如表4所示。

表4 厚度8 mm以下的厚板切割參數(shù)

注意事項(xiàng)：

控制機(jī)床各個(gè)位置的平面度，確保機(jī)床平整；切割過(guò)程中刀頭溫度與水產(chǎn)生的溫差不宜過(guò)大，如出現(xiàn)溫差過(guò)大建議淋水處理。

切割性能判定應(yīng)遵循以可以暴露問(wèn)題為原則。根據(jù)微裂紋理論，試驗(yàn)圖紙應(yīng)覆蓋陶瓷板材盡可能多的位置，如切割挖孔時(shí)，孔越大，同時(shí)越靠近邊緣，切割受微裂紋影響越大。根據(jù)應(yīng)力集中原理，線性切割時(shí)，銳角和直角轉(zhuǎn)角位置應(yīng)力更為集中，也是切割開(kāi)裂的初始裂紋位置。對(duì)于大規(guī)格產(chǎn)品，由于其體積大，自身質(zhì)量大，對(duì)半切開(kāi)后，由于平整度問(wèn)題也存在較大的形變壓應(yīng)力。綜合考慮以上3種狀況，設(shè)計(jì)出3個(gè)不同的試驗(yàn)圖紙。如圖1所示圖紙更適合大規(guī)格陶瓷板產(chǎn)品，橫豎切的第一刀可有效判定其切割性能，如第一刀不裂，90%以上概率，全圖不裂。因此第一刀橫切和第一刀豎切應(yīng)交替進(jìn)行，中心開(kāi)孔的大小應(yīng)在不超過(guò)客戶需求的前提下盡量大，常見(jiàn)的洗手盤(pán)和灶臺(tái)孔，其尺寸約為420 mm×720 mm(可供參考)。另如后續(xù)加工有45°斜邊切割，可考慮適當(dāng)?shù)卦黾有鼻?需5軸水刀機(jī))。

圖1 橫豎切結(jié)合中間挖孔

如圖2所示的圖紙把切割應(yīng)力集中于陶瓷板材的多個(gè)端點(diǎn)，能檢測(cè)到多個(gè)應(yīng)力集中的位置。起點(diǎn)放左上角直接打孔切割，避免因邊緣切開(kāi)，板材變形釋放走應(yīng)力，第二段線條再?gòu)倪吘壡虚_(kāi)，該圖對(duì)于存在放后變形等應(yīng)力集中型板材具有較好的檢測(cè)判定能力。

圖2 銳角連續(xù)切割

圖3 多個(gè)五角星形挖孔切割

如圖3所示的圖紙能很好地結(jié)合微裂紋檢測(cè)和應(yīng)力集中檢測(cè)，具有多個(gè)銳角，且由于所挖五角星面積較大，對(duì)于孔的路徑和其附近的微裂紋都能有效檢測(cè)。從日常檢測(cè)重，也發(fā)現(xiàn)該圖紙切割難度大于其它各種圖紙。但次圖紙和圖2一樣，在板材實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)類似加工要求。如何使下游客戶認(rèn)可板材的切割性能好，仍需要行業(yè)更多的共識(shí)。

經(jīng)過(guò)以上圖紙加工，切割過(guò)程沒(méi)有開(kāi)裂或者裂紋，可以判定該時(shí)段生產(chǎn)的板材合格；如出現(xiàn)開(kāi)裂或者裂紋，則判定該時(shí)段生產(chǎn)的板材不合格。判定不合格的板材經(jīng)復(fù)檢后仍不合格作應(yīng)降級(jí)處理(時(shí)段為切割取樣時(shí)間的前后1 h的產(chǎn)品)。遇切割加工時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂或裂紋而降級(jí)時(shí)，可重新取樣，重復(fù)切割實(shí)驗(yàn)，直至合格為止(間隔為1 h)。

一般陶瓷板材的檢測(cè)都是生產(chǎn)線上直接取樣檢測(cè)，而剛燒制出來(lái)的陶瓷板材，其表面應(yīng)力處于緩慢釋放狀態(tài)，因此除了現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)外，也需要做進(jìn)一步的老化后切割檢測(cè)?？刹捎么蠖嗵沾善髽I(yè)使用的泡熱水加速老化吸濕的方式，也可用定期存放留樣的方式，經(jīng)過(guò)一周時(shí)間后復(fù)測(cè)的方式進(jìn)行二次復(fù)檢，確保陶瓷板材最終的切割性能可靠。

大規(guī)格陶瓷板和陶瓷板屬于陶瓷材料，其本身脆而易裂，由于陶瓷是含有大量的非晶相的非均值體，要提高其切割加工性能是很困難的。建立一個(gè)由斷裂韌性和其它材料力學(xué)性能的判定體系，是前景最佳的方案。陶瓷板材切割開(kāi)裂，主要因?yàn)槲⒘鸭y擴(kuò)展、宏觀應(yīng)力集中、自重平整度不佳造成。目前X射線掃描、超聲波應(yīng)力檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法尚處于研討階段，未能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)之中，而X射線衍射檢測(cè)晶相應(yīng)力以及晶相分析，提高板材強(qiáng)度等手段，無(wú)法大幅提高板材切割性能，有效判定板材的檢測(cè)方法非常重要。目前最有效的檢測(cè)方法為有損試驗(yàn)切割。最后提出的3個(gè)經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證的試切割方案，對(duì)于能通過(guò)3個(gè)試驗(yàn)方案的板材，其切割性能認(rèn)為是可靠的。