石膏模具的基本知识

一、 影响石膏模具质量的主要因素以及提高模具质量的主要途径

    影响石膏模具质量的因素很多，矿石类型及其结构特征，CaSO₄·2H₂O含量及其纯度，脱水方式和温度，煅烧时间、颗粒度、水的pH值、膏水比数、模种质量、脱模剂的好坏、浇注工艺及操作技术，以及外界环境都直接或间接地影响模具质量，所以改进模具质量的途径也是多种多样的。根据我们的体会，认为半水石膏的性能、模种质量、浇注工艺是影响石膏模具的重要因素，因此着重从以下三个方面开展工作。

    1．   半水石膏的性质

    ①β－半水石膏

    目前景德镇陶瓷工业生产中使用的β－半水石膏粉，是由甘肃兰州石膏矿石加工而成的，半水石膏的工艺性能较差，初凝时间偏短，一般5～7分钟，强度较低（二小时抗折强度只14～20公斤/厘米²，干燥抗折强度也只有37.12公斤/厘米²左右），制成模具的均一性不高，加上手工搅拌浇注，模具气孔较多（显气孔率一般＞50%），模具表面易起糙面，致使坯体表面不平整，在注浆和滚压成型中尤其突出，严重者呈“荔枝皮”的糙面。针对这种情况，我们对现用的矿石进行全面了解和分析：兰州石膏矿石是由青石膏、雪花石膏、块状灰黑色硬质石膏组成，呈块状、粒状和少量纤维状结构，硬度较大。由于杂质所致，颜色极不一致，白色、青灰色、黑灰色均有，其化学成份列于表1。CaSO₄·2H₂O平均含量在75%左右，杂质较多，主要是粘土、砂、碳酸盐。根据光谱分析表明，主要杂质除Mg、Al、Si外，还含有微量的Mn、Ti、V。在上述分析基础上，我们认为①要提高半水石膏的质量，首先必须提高矿石中的CaSO₄·2H₂O百分含量和纯度，为此我们对兰州石膏矿进行拣选，CaSO_4·2H₂O的含量由70～75%提高到80～85%。②根据热谱分析指示的温度和石膏脱水动力学曲线方程（dE/dt=KC）特性，炒制温度稍加提高适当控制颗粒度。因此，半水石膏的工艺性能及其强度都有显著提高，其结果列于表2。

    用SM-1半水石膏，经真空脱泡搅拌浇制的尺二鱼盘模，在真空脱泡压力注浆线上试用，注浆压力2.5公斤/厘米²，连续使用6个月，共用了三百次左右，耐压强度高，脱模效果好。1980年7月份，宇宙瓷厂赶制对美出口米卡沙瓷，为适应加大注浆压力成型对模具提出的更高要求，为该厂浇制200只尺四鱼模具，每天注浆3～4次，压力2.5公斤/厘米²，其使用次数比该厂同品种增加一倍以上。10.5英寸荷叶边平盘模，在宇宙瓷厂205组阳模滚压试用，其使用次数也比该厂同品种模具使用次数高出一倍上。用SM－1半水石膏浇制的尺二、尺四鱼盘模和10.5英寸荷口平盘模在大生产作业线上投产试用，普遍反映耐压、耐磨、强度大、不易破损，工艺性能符合要求，是一种质量较理想的石膏模具。

    ②α－半水石膏

    据研究，天然二水石膏加热脱水成间水石膏，因加热条件不同，得到晶形大小、光学性质、结构特征及其它性质不同的α、β两种变体，由于其结构的差异，尽管两种化学成分相同的物质，而它们的性能也存在着明显的差异：

　　　　　　　　　　　　α－半水石膏　　　　　　　β－半水石膏

　折射率　　　　　　　　　　Ng=1.583               Ng=1.556

Np=1.559               Np=1.550

比重（克/厘米³）　　　　2.72～2.73　　　　　　　　2.67～2.68

水化速度（分）　　　　　17～20　　　　　　　　　7～12

混水率（%）　　　　　　40～45　　　　　　　　　60～65

晶形　　　　　　　　　　晶面整齐　　　　　　　　碎　屑

　　　　　　　　　　　　晶形完整　

    在水蒸汽压条件下加热脱水制得α－半水石膏，它是针状的晶体组成，晶形较完整，折射率较高，晶体很少裂纹和孔隙，密度较大，与水调合时需水量较少，在标准稠度下有较高的膏水比从而提高了它的强度，所以α－石膏一般称为高强度石膏。目前日本陶瓷生产都以α－石膏与β－石膏的各种不同比例，制成机压模具。

    ＊硬度是采用BatgC₂硬度计测定，在0.5公斤压力下顶针压入试样表面深度进行计算，所以数字越大，则硬度越小，以下类同

    影响α－半水石膏质量的主要因素是蒸汽压力、蒸压时间、蒸压温度、干燥时间和温度，为了取得合理的蒸压工艺，从蒸汽压力、蒸压时间和温度对α－半水石膏性能的影响进行了类似“正交法”试验，在变更一个因素时，将其它因此加以固定，然后对蒸压产品的主要性能进行测定（表3）。

α－半水石膏β－半水石膏相比，在标准稠度下，有较高的膏水比，加上其晶形较完整，因此耐磨性及强度都较高，强度高的原因，一方面是由于调水量少，另一方面其纤维状结晶错综交错一体。用30%的α－半水石膏β－半水石膏混和制作的5英寸碟模具，在同样使用的条件下，比生产模使用次数提高1倍以上。5英寸萌芽盘阴模滚压模，在为民瓷厂红外线自动干燥线上（207组）试用，采用80只模具周转，每天压坯43次，连续使用次数（60～80次）相比，高达5倍以上，使用400次以后不能压坯的原因，在都是机械和人为损伤造成的伤痕，如果加强这方面的管理，其使用次数还可继续提高。用50%α－半水石膏与50%β－半水石膏混和浇制的9英寸荷叶边平盘模，在宇宙瓷厂210组试用，其使用次数也达到300次。

蒸压工艺与α－半水石膏性能的关系　　　　　　　　　　　表3

    2．模种质量

    石膏模具外观质量，如表面光洁度、平整度、器形规整度，很大程度上，取决于模种的质量。当前生产中所使用的模种材质，主要是采用硫磺，称“硫磺模种”。硫磺在熔制冷却过程中，易于析晶，由于各向析晶速度的差异，产生各向应力的差异，易发生龟裂花纹，同时发生不易被肉眼观察到的变形度，甚至发生挠曲变形。为了防止上述情况的发生，常加入各种填充料，如砂、石墨、滑石主、氧化铝及其它硅酸盐材料。其性能虽然稍有改善，但改变不了龟裂和难以控制的变形度。同时燉炼时，散发出使人难以忍受的恶臭，污染工作环境。

    用SM－1型材质制作的盘类、盅子类、碗类模种，经半年来的使用，证明具有以下特点：

     ①      能精确地复制原样；

     ②      复制尺寸误差小；

    ③      适用常温下进行操作；

    ④      易于脱模；

     ⑤      表面光滑，平整；

    ⑥      °合理条件下，物化性能稳定；

    ⑦      重量轻，价格便宜；

     ⑧      平均使用次数达到600次以上。

    SM－1型模种制作工艺过程大致如下：

    选用优质半水石膏，加0.3%的鞣性减水剂，使膏水比数提高到2：1，脱模后洗去表面的脱模剂油膜，阴干24小时，使其充分水化、凝固、稳定，然后在60℃左右温度下干燥，当其水分达到10～15%时，便可涂复盖层，厚度以0.03毫米为宜，待干后，先用500^＃水沙纸打磨，然后　用过万孔筛的软质抛光悬浮进行抛光，使其光洁度过到▽▽▽8～▽▽▽9，便可投入使用。其主要物化性能列于表4。

    3．浇注工艺

    要想制作高质量的模具，除了要有符合工艺要求的半水石膏和模种外，还必须有先进的浇注工艺，才能制作出高质量的石膏模具。传统方法是采用手工搅拌浇注，用这种方法复制的模具气孔多，显气孔率高达50～60%，致密性差模具在成型过程中，易起“荔枝皮”糙面，严重的呈蜂窝状，由于可溶盐不断积储在孔隙中，使模具发生“粉化”现象，导致模具强度降低。针对这种情况，我们采用高速搅拌真空脱泡离心浇注新工艺，用这种方法浇制的模具，不仅断面致密，显气孔率降至48%以下，硬度提高15%左右，而且模具表面质体均匀、光滑、轮廓清楚，采用离心浇注，还可提高模具表面的硬度，而且器形更加规整、饱满。我们认为高速搅真空脱泡离心浇注法是一种理想的浇注方法。目前我们采用浙江瑞安县陶瓷机械厂生产的JBJ－200型石膏真空搅拌机，它具有重量轻，结构紧凑、操作方便、性能稳定的特点国。

    真空度、搅拌速度、叶片形状、容器形状、搅拌时间，对搅拌效果起着重要的影响。为了录求最佳搅拌工艺参数，分别做了真空度、搅拌速度、容器形状对强度的影响，其结果分别列于表5、6、7。要此基础上，选择最佳的真空度、速度、固定容器形状、叶片形式，并结合我们现有的设备条件，在膏水比、水温、搅拌时间多种因此，利用“正交优选法”求出机压模具，注浆模具所需的膏水比、水温及搅拌时间，其结果列于表8。

    根据设备条件，注注浆和机压模具分别控制在下述范围：

    ①膏水比数　　　　空心注浆　　　　1.1～1.3

　　　　　　　　　实心注浆　　　　＞1.5

　　　　　　　　　机压　　　　　　＞1.5

    ②搅拌速度　　　　　＞300转/分

    ③真空度　　　　　　＞700毫米汞柱

    ④搅拌时间　　　　　1～2

    ⑤注模离心速度　　　80～120转/分

    SM－1材质模种与硫磺质模种性能比较

    真空度对强度、硬度、吸水率的影响　　　　　　　　　　　表5

搅拌对强度、硬度、吸水率的影响　　　　　　　　　　　　表6

注：试料是石膏模具厂大生产的β－半水石膏

容器形状对强度、硬度、吸水率的影响　　　　　　　　　　　　　　表7

    注：试验固定条件：

    ①水温　21℃　　　　②搅拌速度　　　　　　　　③石膏模具厂β－半水石膏；

    ④搅拌时间　1分钟　　⑤真空度720毫米汞柱；　⑥以2公斤水配料进行搅拌试验

用正交法进行石膏真空脱泡搅拌试验　　　　　　　　　　表8

    注：试验固定条件：①搅拌速度　300转/分；　　　②真空度　　　760毫米汞柱；

    ③石膏模具厂β－半水石膏；　④自来水，　　　没有任何添加剂。

    二．结语和讨论

    1． 提高模具质量，首先必须提高现有石膏矿石的石膏含量和纯度。日本由摩洛哥进口块状石膏，其CaSO₄·2H₂O含量高达97%以上，是一级全优石膏，从中国进口应城纤维状石膏，因夹杂灰绿色的粘土层，制成的石膏是甘肃兰州石膏。CaSO₄·2H₂O含量只有70～75%，个别还达不到这个数字，属于三级石膏，所以与日本相比，这方面的差距甚大，加上矿石中的杂质过多，不断改变和影响着石膏的某些性能，由于炒制工艺欠佳，因此半水石膏的工艺性能达不到应有的要求，普遍水化速度较快，经不起充分的搅拌。因为半水石膏的水化速度很大程度上取决于石膏的脱水温度、煅烧时间和石膏的细度，要提高模具的强度，首先必须提高膏水比数，要提高膏水比例，必须解决天然二水石膏的纯度和CaSO₄·2H₂O含量，提高半水石膏的工艺性能。在二水石膏的含量和纯度提高的前提下，炒制温度也要作相应的提高。因为二水石膏愈纯，其稳定性愈高，同时脱水的温度也愈高。所以在合理炒制工艺、适当控制颗粒度的前提下，提高CaSO₄·2H₂O含量和纯度，改进半水石膏的工艺性能，尽是提高膏水比数，增加搅拌时间，并根据不同品种，工艺要求、适量参入α－半水石膏，是提高模具强度的关键。
　

    2． 采用高速搅拌真空脱泡浇注工艺，可以消除模具内的大量气孔，提高模具的致密性和均一性。因为气孔多，一方面使模具强度下降；另一方面，在接近模具表面的气孔，一经表面护层磨掉，形成开口气孔，加上水对石膏的轻度溶解，形成“荔枝皮”糙面，这样严重地影响着制品表面的平整度。同时可溶盐不断储在模具中，使模具发生“粉化”现象，导致模具寿命下降。采用真空脱泡浇注新工艺，可以克服这方面的缺点，显著提高模具内在质量，而且外观质量也有很大改观，同时还可以提高模具表面的硬度。

    3． 目前陶瓷生产中模种材质，仍用硫磺，硫磺在熔制冷却过程中，容易析晶，由于析晶速度的差异，产生应力，使模具发生龟裂和变形。生产中为了克服上述缺点，常加入各种填充料，这样做虽有些改善，但仍克服不了龟裂和变形。采用采用石膏材质浇制的SM－1型模种基本上克服了上述缺点。SM－1型模种，可以在常温下浇注，具有操作方便，无臭，同时变形小，重复使用性能好。模种质量的好坏，直接影响具外观质量，尤其是模具表面的光洁度、平整度，以及制品的规格和外观质量。

    4． 用SM－1型70%的β－半水石膏与30%的α－半水石膏相混合，采用高速搅拌真空脱泡浇制的5英寸阳模滚压碟子模、9英寸荷叶边平盘模，分别在为民瓷厂等单位批量试用，在同样使用条件下，普遍比生产厂同品种模具使用次数提高1～2倍，达到预期效果。景德镇瓷用模具石膏用量每年7500吨左右，每吨价200元，加上模具制作费用每吨250元上下，如果把现有的模具使用次数提高一倍，每年可为国家节约60～70万元。若把由于模具质量提高，带来成瓷质量提高计算在内，这一数字就更加可观。所以提高现有模具的强度，改善模具的质量，对于提高模具的使用次数，降低生产成本，改善成瓷质量，具有可观的潜在的经济效果。