Обжиг керамики: Основные этапы и ключевые процессы

В процессе обжига керамики происходят различные физико-химические изменения, заканчивающиеся этапом спекания. Спекание можно описать как уплотнение керамической массы и объединение ее зерен в цельный монолит. В результате этого керамика обретает характеристики, сходные с камнем: прочность, устойчивость к воде и морозу. Изменения затрагивают как глинообразующие минералы, так и примеси в глине и добавки, вносимые в керамическую шихту. При обжиге также происходит взаимодействие продуктов разложения минералов с другими ингредиентами шихты.

Процесс обжига обычно разделяют на три этапа: нагревание до заданной температуры обжига, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение. Для каждого этапа устанавливают свой режим. Режимы обжига строго специфичны для различных типов керамических изделий. В начале температурной кривой важно снижать скорость нагрева по мере увеличения влажности сырья. Если скорость образования пара в материале превысит скорость его прохождения через поры, то возникшее в результате давление водяных паров может вызвать трещины и отслоения в изделии, известные как «лопанец». Особенно опасен в этом плане период температурной кривой до 250°С.

Основные понятия и технологии при обжиге керамики

Изготовление керамических изделий включает этапы формования, сушки и обжига из сырой керамической массы.

• Обжиг представляет собой процесс нагревания сырой керамической массы до температуры, достаточной для спекания её частиц.
• Под термином «керамика» понимаются керамические изделия, что происходит от греческого слова «керамос», означающего глину.
• Сырец – сформированное глиняное изделие, но не прошедшее процесс обжига.
• Черепок – это керамическое изделия после обжига сырца.
• Керамическая масса является основным материалом для производства керамики, которая включает в себя натуральные глины, подходящие для моделирования и обжига. Качество и тип керамической массы определяются её минералогическим составом, содержанием примесей, а также пластическими и обжиговыми характеристиками. Выбор температуры и режима обжига напрямую зависит от сорта керамической массы и требуемых характеристик конечного продукта.
• Температурный режим охватывает следующие аспекты: скорость и продолжительность нагревания, максимальная или конечная температура нагрева, поддержание заданной температуры на определенное время, а также контролируемое охлаждение (отжиг).

Подготовка

Отформованное изделие перед обжигом необходимо хорошо высушить. Значительное количество влаги может привести к появлению трещин в изделии на начальном этапе обжига, а в худших случаях – к его разрушению, вплоть до разрыва.

Время высыхания изделия зависит от его размеров, веса, формы и сложности рельефа. Процесс сушки обычно длится от двух дней до трех недель и более. Изделия можно сушить естественным или принудительным способом. Естественная сушка, как следует из названия, не требует применения специальных устройств. Главное — избежать попадания на изделия прямых солнечных лучей и сквозняков, а также обеспечить мягкое и равномерное испарение влаги из изделия. Исключение составляют донышки больших сосудов и широких тарелок, которые следует высушивать в первую очередь, чтобы предотвратить трещины. Донышки высоких сосудов сушат, помещая их на гипсовое основание. Тарелки укрывают полиэтиленовой пленкой, оставляя незащищенным только дно и располагая тарелку лицевой стороной вниз.

Небольшие дефекты, такие как сетка мелких трещин, заделывают сметанообразной керамической массой, подобной той, из которой было сформировано изделие. При благоприятных условиях заготовки высыхают без проблем: их достаточно компактно расположить на полках, стеллажах или столах и оставить до полного высыхания.

Изделия из особо жирной или, наоборот, слишком тощей глины, включающей много песка или шамота, наиболее подвержены трещинам как во время сушки, так и во время обжига. Замедлить высыхание таких изделий можно, разместив их на стеллаже, покрытом пленкой (необходимо периодически проветривать, чтобы избежать образования конденсата), или в коробке с небольшими отверстиями. После окончания сушки, при необходимости, изделия аккуратно шлифуют мелкой наждачной бумагой и обрабатывают влажной губкой, удаляя с поверхности крошки керамического мусора, неровности и отпечатки пальцев.

Принцип обжига

Методика обжига керамики включает несколько ключевых этапов. Во время обжига сырая керамическая масса подвергается термическому воздействию, в результате чего происходит спекание ранее несвязанных минеральных частиц. Это приводит к формированию прочного керамического тела, известного как черепок. Мягкое и порошкообразное глазурное покрытие под воздействием температуры расплавляется и превращается в вид стекла, создавая водонепроницаемый слой, который может быть как глянцевым, так и матовым.

Температурный режим обжига может значительно варьироваться в зависимости от конкретных характеристик керамического материала, включая его минералогический состав, и поставленных технических задач. Обычно температуры обжига колеблются в пределах от 800°C до 1400°C. При этом точное соблюдение требуемого температурного режима и времени обжига критически важно для достижения желаемых качеств готового изделия, таких как шелковистость и белизна фарфора, блеск глазури, а также сохранность простых и сложных форм изделий.

Для улучшения качества готовой продукции могут применяться различные виды обжига, первичный – для удаления механической и химически сорбированной воды, и глазурный обжиг (вторичный), который необходим для образования на изделии глазурного покрытия. На каждом этапе можно контролировать и корректировать процесс в соответствии с требованиями к конечному изделию.

Этапы обжига керамики

Первый обжиг – утильный. Он представляет собой первоначальную обработку глиняного сырья при достаточно высоких температурах для придания заготовке необходимой прочности. При этом материал сохраняет пористость, что упрощает нанесение глазури или краски.

Второй обжиг – политой или глазурный. Происходит после утильного обжига, когда на изделие наносят глазурь и снова помещают в печь. В ходе этого обжига глазурь надежно соединяется с основой, формируя влагонепроницаемое глянцевое покрытие (как уже писалось ранее), которое увеличивает прочность и долговечность изделия, а также придает ему цвет и привлекательность.

Третий обжиг – декорирующий, в процессе которого выполняется: 1. Надглазурная роспись. 2. Роспись люстровыми красками. 3. Декорирование золотом и платиной. В зависимости от сложности и техники декора возможно проведение от одного до трех (или более) дополнительных обжигов, обычно с пониженной температурой. Каждый последующий дополнительный обжиг вне зависимости от их количества обычно называют «третьим обжигом». Однократный обжиг может применяться в случаях, когда утильный и политой обжиги можно совместить из-за одинаковых требований температур к спеканию глины и глазури без необходимости дополнительного декорирования.

Существует четыре основные схемы обжига керамических изделий:

1. Фарфоровая схема: Большую часть состава фарфора составляют плавни (кварц, полевой шпат), которые помогают уменьшить пористость и вызывают значительную огневую усадку. Процесс включает первый низкотемпературный и утильный обжиг (800°С–1000°С), за которым следует второй высокотемпературный обжиг политого фарфора в диапазоне 1350°С–1420°С для твёрдого фарфора, и 1250°С–1350°С для мягкого, 1200°С–1250°С для технического (санфарфора). После политого обжига следует один или несколько декоративных обжигов с понижением температуры.
2. Фаянсовая схема: Фаянс, входящий в группу тонких керамических масс, обладает пористым, непросвечивающим черепком и белизной, схожей с фарфором. Обжиг фаянса возможен при сравнительно высоких температурах первого, утильного обжига (1200°С–1250°С), что позволяет избежать деформации изделий при сохранении необходимой пористости для глазурования. Второй обжиг проводят при пониженной температуре (1000°С–1200°С), требуемой для нанесения глазурных или других декоративных покрытий.
3. Майоликовая схема: Майолика является наименее огнестойким материалом с температурой обжига в диапазоне 900°С–1100°С. Перепады температур в процессе обжига не должны превышать 20°С–50°С, что связано с риском деформации или вспучивания материала. При работе с майоликой часто возникают сложности из-за быстрого перехода материала от рыхлого к стекловидному состоянию, также возможно использование одного обжига в неопытных условиях.
4. Шамотная схема: Обжиг шамотных масс проводится по любой из перечисленных выше схем и варьируется в широком температурном диапазоне.

Что каждый керамист должен знать?

В процессе обжига керамическая смесь подвергается воздействию высокой температуры, что приводит к частичному расплавлению и, главным образом, к спеканию минеральных частиц в единый монолит. Изделие приобретает твердость и прочность, оно становится устойчивым к нежелательным механическим, химическим и тепловым влияниям, отлично сохраняет свою форму, не впитывает воду, а запеченный в стекле пигмент устойчив к воздействию света (например, смальта, бутылочное стекло, цветная глазурь).

Керамическое тело изделия приобретает свойственные камню характеристики, однако становится относительно хрупким (как пример — керамическая посуда, которая может легко разбиться). Таким образом, обжиг представляет собой серию термо-физико-химических преобразований, происходящих в основных составляющих любой керамической массы, таких как кремнезем, каолин и другие присутствующие минеральные соединения. Основной элемент этих трансформаций — кварц, присутствующий в той или иной форме.

Температурные этапы обжига

При обжиге глины наблюдаются различные эффекты в зависимости от температуры.

В интервале от 20°С до 100°С происходит удаление свободной влаги, которая поддерживается влажностью окружающей среды. В этом случае рекомендуется скорость нагрева в пределах 60°С–70°С в час до достижения 200°С. Для крупногабаритных и толстостенных объектов скорость нагрева желательно снизить вдвое.

Между 100°С и 200°С глина сжимается за счет продолжающейся потери влаги и начинает выделяться химически связанная вода из кристаллических решеток. Слишком медленный нагрев в этом диапазоне может вызвать высвобождение солей, особенно в красной глине.

Во время достижения температуры 300°С–400°С начинается выгорание органических примесей. Этот процесс заканчивается при 450°С с медленным увеличением температуры и при 700°С-800°С, если подъем температуры осуществлялся быстро. Последним, как самый тугоплавкий, выгорает углерод. Процесс потери кристаллической воды завершается к 400°С.

Начиная с 450°С, происходит удаление конституционной воды (дегидратация), входящей в состав глинистого вещества и других минералов. Основная масса конституционной воды удаляется в интервале температур 500°С–600°С, причем большая пористость материала оказывает содействие беспрепятственному удалению воды. Поэтому в этот период допустимая скорость нагрева изделия не лимитируется свойствами его материала. Наиболее сложные фазовые преобразования начинаются при температуре 550°С, что связано с аморфизацией глинистого вещества. При температуре 573°С р-кварц, практически, мгновенно переходит в а-кварц, что сопровождается увеличением объема и при быстром подъеме температуры может привести к возникновению трещин в изделиях.

В интервале температур 500°С–950°С происходит диссоциация сульфидов и сульфатов с выделением SO2, а также начинается диссоциация СаСО3 и MgCО2 с выделением СО2, что повышает пористость изделий.

От 600°С до 800°С преобразования продолжают усиливаться, сопровождаясь необратимыми изменениями внутренних связей, делая материал особенно хрупким. В это время крайне важно избегать аварийной остановки нагрева при первом обжиге.

Одновременно, при температурах 700°С–800°С, в зависимости от химического состава шихты, начинается образование жидкой фазы (стеклоподобного расплава), заполняющей поры и стягивающей частицы основного материала, что вызывает первичную огневую усадку.

С 850°С до 950°С происходит разложение карбонатов и сульфатов, освобождая оксид углерода и серы; интенсивное «газование» массы часто приводит к дефектам глазурного покрытия, таким как пузыри и сколы. В этих условиях рекомендуется продлить выдержку на 1-1,5 часа для полного удаления нестабильных химических элементов. Также происходит взаимопроникновение поверхностных частиц изделия и глазурного слоя, увеличивая прочность изделия.

При дальнейшем нагревании в керамическом материале происходят реакции в твердых фазах. Повышение температуры увеличивает скорость реакций.  В интервале 900°С—1300°С наблюдается процесс образования муллита (алюмосиликат с игольчатой кристаллической структурой), который и придает наиболее ценные качества обожженному керамическому материалу: прочность, термостойкость, ударную вязкость. Этот же температурный интервал совпадает со вторым этапом усадки наибольшей интенсивности. Основные интересующие нас преобразования керамических веществ на этом заканчиваются.

Завершающий процесс — это полное спекание частиц или созревание керамического изделия в зависимости от его состава и типа. Температурные режимы следующие: для терракоты составляют 1000–1100°С, для фаянса 1200°С–1250°С, а для каменной массы и фарфора 1250°С–1400°С.

Выгорание органических элементов в смеси, а также разложение карбонатов и прочих веществ, высвобождающих летучие газы, должно происходить до начала активного спекания керамики для предотвращения её вздутия и трещин. В процессе многократного обжига это должно завершаться перед этапом нанесения глазурного слоя.

В период активного сжатия для материалов, подвергающихся разрушительным напряжениям, необходимо тщательно регулировать температуру повышения, чтобы предотвратить образование трещин в изделиях на стадии обжига. В других случаях следует придерживаться принципа, согласно которому температурный режим не должен приводить к значительному различию в скоростях внешнего и внутреннего теплообмена. Если интенсивность внешнего теплообмена существенно превышает внутренний, это может привести к расплавлению поверхности продукта. Подбор окончательной температуры обжига определяется на основе испытаний.

Проблемы при охлаждении керамических изделий после обжига

Если коэффициент термического расширения (КТР) глины и глазури значительно различается, то в диапазоне температур от 900°C до 750°C может произойти цек (трещины на глазурном слое), отслаивание глазури или разрушение самого изделия. Также, при переходе температур с 600°C до 400°C, может возникнуть треск из-за внезапного изменения КТР. Выгружать изделия из печи стоит, когда температура достигает примерно 100°C. Если открыть печь значительно раньше, контакт с холодным воздухом может повредить ещё не остывшие изделия, доходя до их полного разрушения. С другой стороны, тест на термошок при температуре 150°C до 200°C может надёжно выявить проблему «отложенного» цека. В конце концов, каждый мастер-керамист, на основе собственных знаний и опыта, самостоятельно определяет какие правила следует соблюдать.

Автор статьи:
Гончар-керамист Сергей Пименов