Подбор глазури по коэффициенту термического расширения (КТР)

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

Как правило, если рассчитывать коэффициент термического расширения для керамических материалов, то с увеличением температуры он возрастает. Коэффициент термического расширения представляют обычно в виде средней величины для некоторого участка температур ΔT°. Керамические материалы имеют линейное расширение, определяемое величинами 10-6 — 10-7 °С-1. Эти показатели означают, что при нагреве на 1°С 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. Коэффициент термического расширения керамической массы и глазурей зависят от степени качественности материала от полноты его спекания и завершённости превращений при обжиге.

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

Для того, чтобы ликвидировать эти нежелательные явления деструктуризации керамического изделия и осуществлять сохранность его декора и внешние атрибуты, необходимо знание величины коэффициента термического расширения, что даёт возможность подбирать необходимый материал для декорирования изделия. Для этого необходимо, чтобы коэффициент термического расширения глазури был равен или немного меньше (в рамках 10-15%) коэффициента термического расширения керамической массы.

Дефекты при обжиге керамических изделий определяют 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, несоблюдение одного из главных требований при обжиге керамики — охлаждение глазурованных изделий.

При политом обжиге чаще всего возникает цек. Причина – разница величины коэффициента термического расширения 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. Коэффициент расширения у глазури всегда выше, чем у черепка. Дефект можно ликвидировать, методом пережёга глазури (перед повторным обжигом образовавшиеся трещинки заполняются вновь подготовленным глазурным составом). При нагреве черепок расширяется меньше, а глазурь больше. При остывании 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. Некоторые виды глин образуют с глазурью толстый сцепляющий слой или тонкий. Благодаря сцеплению, при небольшом несоответствии коэффициентов теплового расширения из печи можно получать изделия без наличия цека. Но из-за существующих напряжений из-за того, что черепок остаётся пористым и впитывает влагу, а изделие подвергается нагреву и охлаждению, может возникнуть цек, так как глазурь и черепок расширяются и сужаются в процессе эксплуатации и 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 удлиняют его конечную выдержку. Помогает 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 коэффициента термического расширения, или состав глазури, уменьшая её коэффициент термического расширения. Обычно практикуется изменение состава глазури (эмали). Действенным способом нивелирования наличия цека является изменение содержания кварца в глазури так как увеличение количества кварца уменьшает расширение глазури и уменьшает вероятность образования цека. Увеличение содержания кварца приводит к большей тугоплавкости глазури. Кварц, расплавляясь в глазури, уменьшает расширение стекла, а в черепке способствует его расширению. При тонком измельчении кварца можно предотвратить цек. Добавление к керамической массе глины, полевого шпата или талька способствует образованию цека, так как несогласованность черепка и глазури растёт. Для таких масс применяют глазури с низким коэффициентом термического расширения. Добавление кремния в глазурь понижает коэффициент термического расширения глазури. В Таблице ниже даны примерные значения для температур обжига для различных типов глазури и соответствие керамических масс и базовых глазурей.

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

Коэффициент теплового расширения для керамической плитки колеблется от 4,1•10 -6 °С -1 до 8,1•10 -6 °С -1. Это значит, что увеличение линейного размера колеблется от 4 до 8 тысячных долей миллиметра на метр керамической плитки и на градус роста температуры. Это свойство керамической плитки должно учитываться по отношению к другим материалам и 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, 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 разлива глазурей. Необходимо соблюдать технические требования приготовления и нанесения нефриттованных глазурей, так как они имеют отличия от технологии приготовления фриттованных глазурей.

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

Процесс возникновения цека относится к стадии остывания изделия. Когда коэффициент теплового расширения глазури соответствует коэффициенту теплового расширения черепка, расширение и сжатие происходят пропорционально по времени. Глазурь распространяется по изделию ровным слоем, без разрывов и отскоков. Коэффициент теплового расширения 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 покрытия. Образуется цек («кракле»), который при обычной технологии приготовления керамических изделий считается браком. Когда коэффициент теплового расширения 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 глазурей представлены в таблице ниже.

Коэффициенты теплового расширения для разных типов глазурей.

Керамическая масса может менять свой коэффициент теплового расширения в зависимости от температуры обжига. Глазури также меняют коэффициент теплового расширения 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 коэффициент теплового расширения больше 8 склонны к цеку.

Можно понизить коэффициент теплового расширения глазури добавляя оксид кремния в глазурь, так как он переходит в стеклообразное состояние с изменением её физических характеристик. При добавлении оксида кремния в глину повышают коэффициент теплового расширения глины, так как в ней он остаётся кристаллическим. Поддерживание температуры обжига с постоянной величиной очень важно, так как при повышении температуры, оксид кремния в черепке переходит в стекло, что понижает коэффициент теплового расширения, а при понижении температуры кремния растворяется меньше и коэффициент теплового расширения глазури увеличивается. Сроки и температурные характеристики обжига являются важными составляющими для коэффициентов теплового расширения черепка и наличием, и качеством цека глазури. Для повышения качества кристаллизация глазури, процесс охлаждения рекомендуется производить медленнее, чем глазури содержащие пигменты. Средние показатели коэффициент теплового расширения можно повысить за счёт снижения пористости и при тщательном обжиге. Один и тот вид глазури на недожжённой массе может давать цек, на пережжённой – дать отскок или деформировать изделие. Около 150° С – коэффициент теплового расширения коэффициентов теплового расширения может доходить до 100, когда глазурь твёрдая и вероятность отскока выше.

Бутаков Е.И.
Гончар-любитель, изобретатель, кандидат наук.