Коэффициент термического расширения (КТР) глазурей и керамики

В процессе повышения температуры объекта происходит увеличение его размера, а при остывании линейные параметры объекта уменьшаются. Для того, чтобы проконтролировать процесс увеличения размера тела, рассчитывается коэффициент его термического расширения (КТР), который демонстрирует во сколько раз происходит увеличение линейных размеров тела или изделия, выполненного из какого-либо материала при нагреве на 10°C.

Как правило, если рассчитывать коэффициент термического расширения для керамических материалов, с подъемом температуры он возрастает. КТР представляют обычно в виде средней величины для некоторого участка температур ΔT°. Керамические материалы имеют линейное расширение, определяемое величинами 10-6 —10-7°C-1. Эти показатели означают, что при нагреве на 1°C керамические материалы расширяются от одной миллионной до десятимиллионной части своей исходной длины. Следовательно, на такую же величину они уменьшаются в размерах в процессе остывания.

Исходя из этих данных следует, что размер деформаций не имеет существенной величины, однако, в процессе нагрева до высоких температур величина деформации становится ощутимой и пренебрегать ей уже нельзя. КТР керамической массы и глазурей зависит от качества материала – полноты его спекания и завершённости превращений при обжиге.

Керамика при нагреве демонстрирует разные свойства – черепок и слой глазури выступают, как объекты разной природы с разными физическими проявлениями. В контактной зоне эти тела связаны друг с другом достаточно жёстко и в процессе расширения или сжатия, между ними возникают механические напряжения, которые при достижении определённой величины вызывают нарушение слоя глазури (разрыв или отслоение), а в некоторых случаях, при некачественной структуре черепка его разрушение.

Для того, чтобы ликвидировать деструктуризацию керамического изделия и сохранить его декор и внешние атрибуты, необходимо знание величины коэффициента термического расширения, чтобы подобрать материал для декорирования изделия. Для этого необходимо, чтобы КТР глазури был равен или был немного меньше (примерно на 10-15%) КТР самой керамической массы.

Дефекты при обжиге керамических изделий вызывают возникновение безвозвратного брака. Появляются они после политого или утильного обжига. Главный дефект утильного обжига – трещины на глазури. Они возникают в результате несоблюдения технологии обжига керамических изделий – слишком медленного обжига, а также неправильного охлаждения глазурованных изделий.

При политом обжиге чаще всего возникает цек. Причина – разница величины КТР между глазурью и черепком. Технология может быть нарушена на первом этапе (утильном), а появление брака фиксируется на конечном этапе (политом).

Основная причина образования цека – несоответствие коэффициентов теплового расширения глазури и черепка, которое проявляется при остывании уже обожжённого изделия. КТР у глазури всегда выше, чем у черепка. Дефект можно ликвидировать, методом пережога глазури (перед повторным обжигом образовавшиеся трещинки заполняются вновь подготовленным глазурным составом). При нагреве черепок расширяется меньше, а глазурь больше. При остывании также – черепок сужается меньше, глазурь больше.

Длины глазурного слоя не хватает для равномерного покрытия черепка, и там, где сцепление глазури с черепком меньше, образуются трещины. При обжиге между глазурью и черепком образуется цементирующий слой. Глины образуют с глазурью толстый сцепляющий слой или тонкий. Благодаря сцеплению, при несоответствии КТР из печи можно получить изделия без наличия цека. Но из-за существующих напряжений, так как черепок остаётся пористым и впитывает влагу, а изделие подвергается нагреву и охлаждению, может возникнуть цек, так как глазурь и черепок расширяются и сужаются при пользовании ими и из-за разницы температур среды. Цек незаметен на поверхности цветной глазури и черепок не просвечивает, поэтому практикуется затирка поверхности изделия черной или белой краской, тушью.

При появлении цека, не изменяя состава глазури повышают температуру обжига или увеличивают его конечную выдержку. Помогает также нанесение тонкого глазурного слоя. Некоторые глазури, например, свинцовые глазури, обладают эластичностью и таким образом не дают цека.

Если ничего не помогает, изменяют состав черепка для повышения его КТР, или состав глазури, уменьшая её КТР.

Обычно практикуется изменение состава глазури (эмали). Действенным способом нивелирования наличия цека является изменение количества содержания кварца в глазури, так как увеличение состава кварца уменьшает расширение глазури и уменьшает вероятность образования цека.

Увеличение содержания кварца приводит к большей тугоплавкости глазури. Кварц, расплавляясь в глазури, уменьшает расширение стекла, и способствует его расширению в черепке. При тонком измельчении кварца можно предотвратить цек.

Добавление к керамической массе глины, полевого шпата или талька способствует образованию цека, так как несогласованность расширения черепка и глазури растёт. Для таких масс применяют глазури с низким коэффициентом термического расширения. Добавление кремния в глазурь понижает КТР. В таблице ниже даны примерные значения для температур обжига для различных типов глазури и соответствия керамических масс и базовых глазурей.

Артикул S-6070-13, цвет после обжига: от светло-кремового до бежевого, температура обжига утиля 1050° С.

КТР для керамической плитки колеблется от 4,1*10 -6°C-1 до 8,1*10 -6°C-1. Это значит, что увеличение линейного размера колеблется от 4 до 8 тысячных долей миллиметра на метр керамической плитки и на 1°C роста температуры. Это свойство керамической плитки должно учитываться по отношению к глазури.

Использование глазурованной плитки включает и продление сроков её службы. Разработка составов глазурей и температурных режимов её нанесения должны быть обеспечены технологической совместимостью с керамическим черепком. Необходимо подбирать компоненты в глазурях, чтобы обеспечить снижение температуры разлива сырых глазурей, согласовывать коэффициенты линейного температурного расширения керамического черепка и полученной глазури, подбирать красители цветовой гаммы покрытий, определять смачивающую способность при разливе глазурей. Необходимо соблюдать технические требования приготовления и нанесения нефриттованных глазурей, так как они имеют отличия в технологии приготовления.

На качество глазурного покрытия на основе нефриттованной глазури оказывает большое влияние тонкость помола сырьевых компонентов и технически правильный режим обжига покрытия. При низкой температуре обжига глазурь не достигает необходимой консистенции. При высокой температуре обжига глазурь выгорает. Для каждого состава глазури необходима определённая температура разлива.

Возникновение цека относится к стадии остывания изделия. Когда КТР глазури соответствует КТР черепка, расширение и сжатие происходят по времени пропорционально. Глазурь распространяется по изделию ровным слоем, без разрывов и отскоков. КТР глазури больше, чем коэффициент теплового расширения черепка. Когда глазурь сжимается быстрее, чем керамическая основа, черепок сдерживает сжатие глазури, растягивая её. Когда натяжение растёт, это приводит к разрыву глазурной поверхности. Образуется цек («кракле»), который при обычной технологии приготовления керамических изделий считается браком. Когда КТР глазури меньше, чем коэффициент теплового расширения черепка, черепок сжимается быстрее, чем глазурь, она собирается на поверхности изделия, образуя цек, подобный внешне черепаховому панцирю.

Примерные коэффициенты теплового расширения для разных типов глазурей представлены в таблице ниже.

Коэффициенты теплового расширения для разных типов глазурей.

Таблицу соответствия теплового расширения (цека) глазурей ГлавГлазурь и различных керамических масс вы можете посмотреть на сайте GlavGlazur.ru

Керамическая масса может менять КТР в зависимости от температуры обжига. Глазури также его меняют в зависимости от степени кристаллизации. Некоторые гончары, работая с глазурованной керамикой, придерживаются правила – если на глазури появляется цек, они повышают температуру обжига. Глазури, у которых КТР больше 8, склонны к цеку.

Можно понизить КТР глазури, добавляя в её состав оксид кремния, так как он переходит в стеклообразное состояние с изменением физических характеристик. При добавлении оксида кремния в глину повышается её КТР, так как в ней он остаётся кристаллическим.

Поддержание температуры обжига с постоянной величиной важно, потому что при повышении температуры, оксид кремния в черепке переходит в стекло, что понижает КТР, а при понижении температуры кремния он растворяется меньше и КТР глазури увеличивается. Сроки и температурные характеристики обжига являются важными составляющими для КТР черепка и наличием цека у глазури. Для повышения качества кристаллизации прозрачных однотонных глазурей, процесс их охлаждения рекомендуется производить медленнее, чем у глазурей, содержащих пигменты.

Средние показатели КТР можно повысить за счёт снижения пористости черепка и при тщательном обжиге. Один и тот же вид глазури на недожженной массе может давать цек, на пережженной – давать отскок или деформировать изделие. При температуре около 150°C КТР у глазури может доходить до 100, тогда глазурь твердеет и вероятность отскока становится выше.

Автор статьи: Бутаков Е.И.
Гончар-любитель, изобретатель, кандидат наук.