Утильный обжиг керамики что это

Политой или глазурный обжиг керамики

Любой керамист знает, что процесс обжига глины имеет определяющее значение, поэтому без соответствующих навыков трудно получить желаемый результат. При термической обработке происходят сложные физические и химические процессы, однако гончарное искусство было освоено задолго до того, как человечеству были открыты тайны химических реакций, фазовых переходов, капиллярных явлений. Это означает, что познать азы работы с керамикой может любой желающий, пополнив свой багаж знаний основными положениями и приготовлении материала, декорировании и обжиге.

Сегодня в сети интернет можно встретить подробные алгоритмы и технологии изготовления разных сортов керамики, а также технологии их декорирования. Все эти алгоритмы проверены временем и разработаны методом проб и ошибок. Знание теории обжига позволит мастеру проявлять творчество, импровизировать, создавать новые шедевры.

Именно термообработка превращает пластичную глину в привычную для нас керамику. Используя разные алгоритмы обжига, можно получать разные по внешнему виду и физическим свойствам изделия. Обжиг несет в себе двоякую функцию.

Виды обжига

В зависимости от того, в какой среде происходит термическая обработка глины, различают два вида обжига. Речь идет о восстановительном и окислительном видах.

Обжиг считается неотъемлемой составляющей процесса производства керамики. Термообработке подвергаются, как изделия промышленного производства, так и продукты ручной работы. Современные материалы, представляющие собой полимерную глину, позволяют вести обжиг в один прием при относительно невысоких температурах. Работа с природной глиной требует более сложных схем термообработки. Как правило, температура обжига некоторых материалов превышает 1200 градусов, поэтому в арсенале керамиста должна быть специальная муфельная печь.

Когда обжиг ведется в несколько приемов, то первый обжиг называют утильным, второй – политым, а третий – декоративным. Утильный обжиг предназначен для закрепления формы изделия, так как пластичная глина не позволяет наносить на поверхность глазури. Политой обжиг заканчивает формирование основных физических свойств керамики, а также способствует закреплению глазури на поверхности изделия (по этой причине политой обжиг часто называют глазурным).

Декоративный обжиг производят по необходимости, когда нужно закрепить на глазури рисунок, выполненный надглазурными красками.

Особенности физико-химических процессов при нагревании и охлаждении

Процесс обжига условно можно разделить на три основные стадии:

Различие режимов обжига подразумевает под собой разные температуры, разную скорость нагрева и время выдержки. Для создания окислительной среды обеспечивают свободный приток воздуха. Восстановительная среда образуется в герметичном муфеле. Если приток воздуха будет минимальным, то такая среда называется нейтральной.

Для четкого понимания влияния среды на процесс обжига необходимо обладать достаточными знаниями по химии. Если говорить упрощенно, то подавляющее большинство процессов термообработки происходит в окислительных средах. Современные печи позволяют регулировать и контролировать режим обжига. Нагревание и охлаждение изделий идет по заданным параметрам, а автоматические системы исключают любые отступления от алгоритма.

Скорость нагрева – один из важнейших параметров, причем далеко не всегда он должен быть высоким. Время выдержки необходимо соблюдать, чтобы все физико-химические процессы формирования керамики завершились в полной мере.

Для объяснения происходящих при термообработке явлений процесс нагревания и охлаждения делят на температурные интервалы. В каждом таком интервале происходят превращения, реакции, фазовые преобразования. Таблица основных процессов одинакова для всех видов керамики, но в специализированной литературе достаточно много неизвестных химических терминов. Можно описать процессы более тривиальным образом.

Нагревание

При нагревании от 25 градусов до 200 градусов повышается внутренняя энергия материала. При этом вся влага, содержащаяся между слоями, испаряется. Чтобы она удалялась равномерно, необходимо медленно повышать температуру. Мастер уже в самом начале обжига может наблюдать дефекты, которые возникают в черепках по причине неправильной сушки или неоднородности глины, а чрезмерная заглаженность поверхностей приводит к тому, что газы не могут прорваться наружу через поры и образуют пузыри или разрывы в толще материала.

Скорость нагрева для каждого случая различная. Она зависит не только от вида глины, но и от объема печи, количества обжигаемых элементов, их габаритов. Чем толще стенки черепка, тем меньшей должна быть скорость нагрева. Однако слишком медленное повышение температуры приведет к появлению пятен от сконденсировавшихся солей, растворенных в воде. В течение одного часа температуре должна подниматься на 100 градусов.

Следующий температурный интервал ограничен верхним порогом в 400 градусов. В этот период окончательно удаляется влага, в том числе, удаляется и связанная вода. Также данный этап характерен реакциями окисления. Органические соединения при контакте с кислородом выгорают, поэтому важно обеспечить хорошую вентиляцию. Органика выгорает достаточно долго и при температуре в 400 градусов этот процесс не завершается. Нагрев от 200 до 400 градусов рекомендуется вести с небольшой скоростью, а после достижения верхнего предела требуется произвести 15-минутную выдержку. Через открытые заглушки печной камеры не только поступает кислород, но и выводятся газы, вышедшие через поры из глины.

При температуре, превышающей значение в 400 градусов, происходит удаление воды уже из структуры кристаллической решетки. Данный процесс достаточно сложен. Он называется дегидратацией. Происходит отщепление молекул воды в результате химических реакций с органическими веществами. Дегидратация наблюдается в интервале от 400 до 600 градусов.

В этот период не наблюдается никаких осложнений в технологии, однако экстремальной точкой, на которую нужно обратить внимание, служит температура в 573 градуса. Причина заключается в изменении структуры кристалла кварца.

Именно при температуре 573 градуса происходит фазовый переход, в результате которого кварц модифицируется (α-кварц превращается β-кварц).

Указанный участок следует проходить при медленном нагревании. В противном случаи будут локально появляться области с повышенным механическим напряжением, что чревато образованием трещин. При температуре 600 градусов делается выдержка в 30 минут.

В диапазоне температур от 600 до 800 градусов глина теряет свою прочность, хотя это явление временное. Глинистые минералы на данном этапе модифицируются, поэтому в процессе модификации наблюдается неоднородность структуры черепка. Часть минералов пребывает в исходном состоянии. Другая же часть уже начала трансформироваться. Но в целом керамика еще не спеклась, поэтому не набрала своей положенной прочности. Рекомендуется пройти участок от 600 до 800 градусов в ускоренном режиме, то есть, необходимо увеличить скорость нагрева. Она должна составлять около 130 градусов в час. Ни в коем случае нельзя прерывать нагревание, так как может наблюдаться разрушение материала.

Керамика при температуре 800 градусов только начинает спекаться. Различные составы глины отличаются разной температурой трансформирования минералов. Для них температуре спекания отличается. Несмотря на то, что с момента начала нагревания прошло достаточно времени, газообразные вещества в диапазоне температур от 800 до 1000 градусов еще продолжают выделяться. Но важно, чтобы до достижения температуры в 1000 градусов процесс выхода газа, образованного в результате химических реакций, завершился.

Охлаждение

В процессе охлаждения на первой стадии никаких особенных процессов не происходит. Сама глина и глазурь, которой покрыто изделие, находятся в пластичном состоянии, поэтому не нужно волноваться за возникновение дефектов. Можно увеличить скорость охлаждения, если это позволяет устройство печи.

В диапазоне от 1000 до 700 градусов происходит окисление металлов. В случае ведения восстановительного обжига на данном этапе важно исключить доступ кислорода. Отсутствие или недостаток кислорода становится причиной металлизации поверхностей. Вплоть до температуры 300 градусов среда должна быть восстановительной.

При температуре 900 градусов керамика становится хрупкой. Она прочно скрепляется с глазурью и впоследствии остывает с ней как единое целое. Важно, чтобы основной материал и глазурь имели примерно одинаковый коэффициент теплового расширения (КТР), иначе будут образовываться сколы или цек.

Критическая температура 573 градуса требует внимания и при охлаждении. В это время происходит обратное преобразование кристаллов кремния. При высокой скорости охлаждения наблюдается разрушение материала, который называют «холодным треском».

Состав глины диктует свои условия при определении подходящего рецепта обжига. При высокой температуре происходит плавление карбонатов, входящих в состав глинистых соединений. Черепки с высоким содержанием карбонатов нельзя пережигать, иначе образуются зоны скопления стекловидного вещества, обладающего низкой прочностью.

Схемы обжига

Чтобы пояснить назначение политого обжига, целесообразно рассмотреть его в комплексе с утильным в двухэтапной схеме или с декоративным в трехэтапной схеме. Двухэтапная схема является самой распространенной. В ней первый обжиг предназначен для получение прочного черепка, обладающего высокой пористостью, чтобы к поверхности хорошо пристала глазурь.

Политой или глазурный обжиг направлен на придание лазури и самому черепку дополнительной прочности и водонепроницаемости. В процессе политого обжига глазури, как и сама глина, принимают определенные оттенки, зависящие от пигмента и оксидов в своем составе. Еще необходимо отметить, что во время политого обжига происходит термообработка подглазурных красок, которыми был сформирован рисунок перед покрытием глазурью.

Комбинирование первого и второго обжига происходит по разным сценариям. В зависимости от типа керамики устанавливается температура. В подавляющем большинстве случаев температура поливного обжига выше, чем утильного, однако существуют схемы, в котором наоборот, температура утильного обжига более высокая.

Под схемой подразумевается алгоритм обжига с определенными параметрами. Дело в том, что для каждого изделия разрабатывать свою технологию нецелесообразно, поэтому пользуются алгоритмами для обжига разных видов керамики. Наиболее популярными являются такие схемы как:

Технология поливного обжига

Первым делом изделие покрывается слоем глазури. Подготовленные черепки, покрытые глазурью, помещаются в печь. Так как утильный обжиг придал черепкам определенную прочность, то на первых этапах можно повысить скорость нагрева.

Самое главное, чтобы глазурь успела хорошо просохнуть. При достижении конечной температуры (зависит от типа керамики) необходимо сделать выдержку, время которой варьируется от 15 минут до 2 часов. Но если на завершающем этапе скорость нагрева не превышала 50 градусов в час, то выдержку делать не нужно, так как изделие прогрелось равномерно.

Источник

Утильный или первый обжиг керамики

Обжиг керамики считается важнейшим технологическим процессом, причем наиболее энергозатратным. Не зная основ химии достаточно трудно понять, что именно происходит с глиной при обжиге. Тем не менее, теория изготовления керамики является доступной для любого желающего, так как можно пользоваться готовыми рецептами, не вдаваясь в детали технологии. Обжиг позволяет получить керамику в привычном для нас виде из глины путем множества физико-химических преобразований. Происходит так называемое спекание, это финальная стадия обжига.

В зависимости от технологии обжига можно получать различные результаты. Основное назначение термической обработки – увеличение прочности черепков, повышение их водонепроницаемости, придание керамике устойчивого оттенка. Если говорить подробнее, то для каждого вида керамики обжиг вносит свои изменения.

Утиль (керамика, получаемая всего лишь одним обжигом и отличающаяся отсутствием декора и глазури) должен стать прочным, но оставаться пористым, чтобы впоследствии впитать глазурь. Бисквитный фарфор после обжига приобретет белизну и шелковистость, а глазури будут отлично блестеть.

Параметры обжига и его технологии были получены методом проб и ошибок. Нужна большая практика, чтобы познать все секреты изготовления керамики. Опытный мастер действует не спонтанно. Он интуитивно предполагает, какие свойства приобретет глина после обжига.

Примечательно то, что азы гончарного искусства постигали люди, далекие от таких наук, как физика или химия. Действительно, с научной точки зрения технология обжига выглядит достаточно сложно. В составе глины присутствует множество химических соединений, которые в процессе высокотемпературной обработки претерпевают различные изменения. Чтобы познать теорию, необходимо иметь представление о таких процессах, как дегидратация, фазовые переходы, химические реакции, кристаллизация и плавление, а также растворение.

Даже сегодня нет единой методики точных расчетов для получения того или иного результата. Иногда требуется провести десяток экспериментов, чтобы получить нужный оттенок или нужные физические свойства. Тем не менее, можно управлять процессом обжига, зная его принципы и особенности.

Процессы, протекающие при обжиге

В настоящее время у мастера есть все возможности, чтобы регулировать процесс термообработки. Современные печи позволяют обжигать заготовки при высоких температурах, обеспечивая высокую скорость нагрева. Но не всегда такая высокая скорость востребована, так как определенные ограничения накладывает быстрота протекания физико-химических процессов. Именно эти процессы сырую глину превращают в прочную керамику.

На полное завершение процесса уходит некоторое время. Если его не выдержать, то изделие не получит тех свойств, на которые рассчитывает керамист.

Принято делить процесс обжига на определенные температурные интервалы. Такое деление обусловлено тем, что в определенном интервале происходят свои изменения. В специальной литературе можно встретить таблицы с подробным описанием процессов. Для общего понимания достаточно остановиться на основных.

25-200 градусов

В диапазоне температур от 25 до 200 градусов происходит повышение внутренней энергии изделия. Скорость нагрева достаточно низкая, поэтому успевает удалиться межслоевая (связанная) вода. В данном периоде важно равномерно прогревать слои глины.

Первый этап способен выявить ранее допущенные технологические ошибки. Например, могут проявиться неоднородные массы или пузыри, которые образовываются в результате плохого вымешивания или неравномерной сушки. При допущении чрезмерного заглаживания будут наблюдаться скопления газов, так как у них нет возможности выйти наружу через поры.

Желательно, чтобы конструкция печи позволяла регулировать скорость нагрева. Она выбирается, исходя из таких условий, как объем муфеля, масса обжигаемых изделий, толщина их стенок. Массивные глиняные черепки необходимо прогревать постепенно, чтобы тепло успевало проникнуть в материал и изделие равномерно повышало свою температуру.

Но не стоит слишком замедлять нагревание, так как это чревато появлением эффекта «запаривания». Проявляется эффект в возникновении пятен на глазури в результате конденсации растворенных в воде солей. Средняя скорость нагревания на первом этапе составляет около 100 градусов в час. На данном этапе глазурные покрытия подвержены риску образования трещин, если будет происходить интенсивное выпаривание влаги.

200-400 градусов

В диапазоне температур от 200 до 400 градусов финализируется удаление связанной воды. Помимо этого, большая часть органических соединений сгорает, поэтому важно на данной стадии обеспечить хороший приток кислорода. Органика в глине может встречаться в виде добавок и связующих, но и сам материал содержит природные органические элементы. Их выгорание может длиться гораздо дольше, вплоть до этапа нагрева до 700 градусов.

Скорость нагрева на данном диапазоне также не превышает 100 градусов в час. Обычно при достижении температуры в 400 градусов производится 15-минутная выдержка. Заглушки муфеля должны быть открыты, чтобы выделяющиеся газы покинули печное пространство. В то же время, обжиг должен быть окислительным, то есть процесс происходит при взаимодействии с кислородом.

400-600 градусов

При более высокой температуре происходит выделение воды, которая входит в состав кристаллической решетки глинистых минералов. Этот процесс называется дегидратацией. Сам по себе процесс дегидратации не сопряжен возникновением каких-либо сложностей, однако в процессе разрушения глинистых минералов локально наблюдаются внутренние напряжения в слоях материала.

Особое внимание следует уделить скорости роста температуры вблизи значения 573 градуса. При указанной температуре происходит фазовый переход, при котором стабильный в нормальных условиях полиморфный кварц (α-кварц) превращается в высокотемпературную модификацию (β-кварц).

При прохождении данной отметки рекомендуется еще снизить скорость нагрева, так как возникают дополнительные напряжения по всему объему черепка. После того, как температура изделия достигнет 600 градусов, делают выдержку продолжительностью около 30 минут.

600-800 градусов

В указанном диапазоне температур глина обладает пониженными свойствами прочности. Дело в том, что и обжиге происходит модификация глинистых минералов. Исходные минералы уже разложились, а новые минералы пока не образовались, то есть керамика не спеклась. Все материалы пребывают в твердой фазе.

Диапазон от 600 до 800 градусов желательно пройти в ускоренном режиме. Скорость нагрева должна составлять не менее 130 градусов в час. Остановка нагрева может фатально обернуться для будущего изделия.

800-1000 градусов

Спекание керамики начинается при температуре 800 градусов. Точную температуру назвать невозможно, так как ее значение зависит от состава глины. К этому времени остатки глинистых минералов путем перекристаллизации и соединения с другими веществами трансформируются в новые минералы. В процессе химического взаимодействия некоторых компонентов глины образуются газообразные вещества. Важно, чтобы именно на данном этапе завершилось образование летучих веществ.

Более детальный рецепт обжига, то есть конечная температура, скорость нагрева на каждом этапе и время выдержки, зависит от состава глины. Присутствующие в глине карбонаты при высокой температуре переходят в жидкое состояние. Пережег таких черепков чреват образованием стекловидного вещества с низкой прочностью и низкой пористостью. Глины, не содержащие карбонатов, спекаются быстрее, поэтому их обжигают первым обжигом при температуре 950 градусов. Высокотемпературные шамоты обжигают по так называемой «фаянсовой» схеме, приведенной ниже.

В небольших мастерских без сложного оборудования регулировать процесс охлаждения очень сложно, поэтому чаще всего мастера просто отключают печь, позволяя керамике остывать естественным путем. Однако и здесь есть свои нюансы.

Печь не следует открывать для увеличения скорости остывания. Считается, что керамика должна по времени остывать столько же, сколько она и нагревалась.

Каменные массы и фарфор содержат много кварца, поэтому опять-таки при прохождении отметки 573 градуса следует замедлить скорость остывания. Открывать печь можно только после того, как температура в ней упадет ниже 160 градусов.

Виды обжига

После того, как были изложены основы процесса обжига при нагревании и охлаждении материалов, можно детальнее рассмотреть суть утильного обжига. Однако его целесообразнее описывать в контексте обобщенной теории, поэтому речь будет вестись обо всех видах обжига. Большинство разновидностей керамики обжигаются за несколько этапов. Самой популярной схемой является двухэтапная схема обжига, хотя существуют рецепты, состоящие из 3 и более этапов.

В двухэтапной схеме обжига первый называется утильным или промежуточным. Для первого обжига изделие просушивают, но не декорируют. Если быть точным, то допускается частичное декорирование цветной глиной или ангобами. Глазурью покрывают изделие только перед политым обжигом, так как термообработка глазури требует более высоких температур, нежели при утильном обжиге.

Утиль, черепок и бисквит – все это слова-синонимы и означают полуфабрикат, с которым еще предстоит работать. Утиль декорируется надглазурными или подглазурными красками, глазурью или ангобами, содержащими флюсы. Самостоятельно выбрать температуру утильного обжига сложно, так как необходимо определить тот интервал температур, в котором бы завершились процессы газообразования и набора прочности, но при этом пористость оставалась достаточно высокой, чтобы впоследствии можно было нанести глазурь. Как правило, пользуются уже готовыми, давно разработанными схемами, проверенными на практике.

Политой обжиг нужен для термообработки, как самого черепка, так и глазури или красок, которыми он декорирован. Температуре обжига также определяется для каждого состава в отдельности. Рецептура первого и второго обжига весьма разнообразна, однако можно выделить пять основных схем, которыми пользуются керамисты. Применение той или иной схемы зависит от разновидности керамики, поэтому, прежде чем приступить к описанию схем обжига, ответим, что вся керамика условно делится на несколько видов.

Схема обжига для фарфора

На первом этапе производится утильный обжиг. Изделия из глины просушивают, но не покрывают глазурью. Температура утильного обжига фарфора не превышает 1000 градусов. В результате такой термообработки черепки приобретают нужную прочность и пористость.

Черепки после утильного обжига называют утилем. Они пригодны для глазурования различными методами. На готовый утиль наносятся подглазурные краски и саму глазурь. Затем проводится политой обжиг. Температура обжига может достигать 1420 градусов (для настоящего фарфора).

Схема обжига для фаянса

Утильный обжиг фаянса проводят при более высокой температуре, так как в материале практически отсутствуют плавни. Это означает, что если черепок обжечь при температуре 1250 градусов, то он останется пористым.

Температура для политого обжига диктуется температурой плавления глазури. Таким образом, температура политого обжига фаянса может быть ниже температуры утильного обжига. Тот факт, что фаянс можно обжигать более низкой температурой, дает возможность проводить третий, декорирующий обжиг, используя весь спектр красок глазурей.

Схема обжига для майолики

Для изготовления майолики используются глины, не отличающиеся высокой тугоплавкостью. Их нельзя пережигать, иначе будут образовываться дефекты и вспучивания. Некоторые глины готовятся в узком диапазоне температур. Например, при температуре 950 градусов они еще достаточно рыхлые, а при температуре 1050 градусов – уже плотно спекаются.

Утильный обжиг проходит в том режиме, когда все глинистые минералы полностью трансформируются. Средняя температура первого обжига лежит в диапазоне от 900 до 950 градусов. Режим политого обжига устанавливается, исходя из свойств глазури.

Схема для обжига шамота

В шамотных массах присутствует жесткий каркас из предварительно обожженных зерен. Он исключает усадку глины в процессе обжига. Отсутствие усадки позволяет обжигать глину при высоких температурах (для остальных материалов температура ограничена по причине возникновения деформаций).

Основная схема обжига является классической. Сначала идет утильный обжиг, и его сменяет поливной. При необходимости можно проводить дополнительный декорирующий обжиг.

Схема одноэтапного обжига

Одноэтапный обжиг оправдывает себя лишь тем, что он наиболее выгоден в экономическом плане. Здесь играют роль такие факторы, как энергозатраты, трудозатраты на загрузку изделий в печь и выгрузку из нее.

Схема одноэтапного обжига проста: на высушенный черепок наносится глазурь, а затем за один прием происходит общий обжиг. Таким образом, утильный и поливной обжиги объединяются.

Но подобный способ имеет несколько недостатков. Приходится декорировать изделие из сырой глины, а это очень неудобно. Для закрепления глазури на поверхности пластичной глины необходимо использовать специальные добавки. Данный способ нельзя применять при работе с низкотемпературными красками и глазурями.

Источник