Обжиг глиняной посуды: основные понятия и принципы технологии

Керамические изделия получают путeм формования, сушки и обжига сырой керамической массы.

Обжиг — нагрев сырой керамической массы до температуры надeжного спекания еe частиц. В промышленности для обжига керамики применяют специальные печи, которые условно делятся не два типа - муфельные и камерные. Муфельные печи в настоящее время наиболее популярны и востребованы, так как они позволяют обжигать сложные изделия из керамики и металло-керамики с максимальной деликатностью, обеспечивая изделиям своеобразную защиту от нагревательных элементов.

Керамическая масса — главный материал для изотовления керамики, основу которого составляют природные глины, пригодные для формования и обжига. Качество (и тип) керамическрй массы зависит от еe минералогического состава, наличия примесей, пластичных и обжиговых свойств. Выбор температурного режима, а также схемы обжига полностью зависит от типа керамической массы и заданного конечного результата (необходимых свойств готового изделия).

Температурный режим включает такие понятия как: скорость (длительность) нагрева, максимальная(конечная) температура нагрева, фиксация нагрева (выдержка) на заданной температуре, контролируемое остывание (отжиг).

Большой выбор муфельных печей для обжига керамики - ЗДЕСЬ

Искусством создания керамики человечество владеет уже не одно тысячелетие. Мастера ранних эпох создавали свои творения ценой немалых усилий и затрат, имея в своeм распоряжении оборудование, далeкое от совершенства, целиком полагаясь на свой опыт и, во многом, на простое везение. Наше время предоставляет керамисту самые передовые технологии и решения для обжига керамических изделий. Например, надeжные муфельные печи с электрическим нагревом и контроллером, позволяющим задавать необходимый режим нагрева (охлаждения) и осуществлять полный контроль процесса обжига керамики.

Возникновение техники обжига глины

Гончарное искусство зародилось в период палеолита. Предположительно, первые изделия из глины сушили на солнце. Естественно, в такой "посуде" приготовить что-либо на огне было невозможно. Разве что хранить сухой, сыпучий продукт, наподобие злаков, бобов, муки и тд.

Методику обжига керамического сырья мастера стали применять в период неолита (5 тыс. лет до н. э.).

Кто и как открыл свойство глины приобретать свойство камня под действием огня, мы сейчас не узнаем. Как считают ученые, это открытие, как и многие другие, произошло случайно.

Есть предположение, что помог потухший огонь. Костры разводили на глиняном основании, которое от нагрева становилось твердым. Это однажды заметили в момент, когда огонь в очаге погас. Затем устроили проверку: поместили в открытый огонь глиняную заготовку. После того как ее достали, увидели, что изделие затвердело. Так было открыто свойство глины изменять состояние под воздействием достаточно высокой температуры.

Древние методы

Методики обжига глины в печах появились примерно во II веке до н. э. До этих пор использовали открытый огонь (костры).

Первоначально глиняные изделия после просушки собирали в кучу и обкладывали со всех сторон дровами, соломой, хворостом или сухим навозом. Затем поджигали и поддерживали горение костра добавлением воспламеняющегося материала. Таким способом удавалось получить очаг с температурой нагрева около 750°С. Обжиг, при этом, требовал от 8 до 24 часов, в зависимости от размера и количества изделий.

Недостаток этой методики в том, что заготовки обжигались неравномерно: в середине они получались недожжeными, а с краю могли потрескаться и даже оплавиться. При этом цвет изделий был неравномерным: от красно-коричневого до черного оттенка. Позже заготовки стали покрывать разбитыми черепками, чтобы внутри очага поднять температуру и уменьшить потерю тепла, говоря современным языком, повысить кпд импровизированного горна.

Такую технологию до сих пор применяют в Африке, Латинской Америке, Средней Азии и горных районах Тибета.

Существовал еще один способ. «Модернизированный» вариант первого. А, может, тогда просто нашли более удобное применение костру, чтобы не расходовать ресурсы.

Изделия помещали в яму и засыпали их углями, стружкой, сухим навозом, другими воспламеняющимися материалами. Яму покрывали влажной глиной, землей, черепками или кусками дерева. Сверху разводили костер и пользовались им для приготовления пищи, обогрева.

При таком способе температура внутри достигала показателей около 1100°С. Для получения готовой продукции нужно было от 8 часов и больше в зависимости от типа глины, толщины стенок и размера заготовок.

Потом костер тушили и оставляли глиняные заготовки в яме до полного остывания (обычно на ночь). Готовая «продукция» получалась с рисунками за счет золы. Последний этап — полировка, чтобы добавить глянца поверхности.

Позднее для обжига стали использовать печи типа горна, то есть возводить над ямами купола. Это позволило получить более равномерное распределение тепла и, в свою очередь, повысить кпд устройства.

Современные технологии обжига

Сегодня гончары используют высокотехнологичные — муфельные печи, которые, во-первых, отличаются объемом обжиговой камеры. Для работы небольшой мастерской подойдут печи от 40 до 100 л. Их основное удобство в том, что они позволяют контролировать температурный режим, продолжительность нагрева и остывания в зависимости от поставленной задачи и свойства художественных материалов.

Подготовительный процесс

Отформованное изделие перед обжигом необходимо высушить как можно лучше. Большое количество оставшейся влаги может привести к треску изделия в самом начале обжига, вплоть до его разрушения, буквально, к взрыву.

Сколько будет высыхать изделие — зависит от его размеров, веса, формы и сложности рельефа. Процесс сушки, как правило, занимает от двух дней до трех и более недель .

Сушить изделия можно естественным и принудительным способом.

Естественная сушка, как ясно из названия, не требует использования специальных сушильных устройств. Главное — соблюсти ряд условий. Полностью исключить попадание на изделия прямого солнечного света и воздействие сквозняка. Обеспечить плавное и равномерное испарение влаги из изделия. Исключение — донышки больших сосудов и широких тарелок высушиваются в первую очередь во избежание их треска. Донышки высоких сосудов сушат постановкой на гипсовое основание. Тарелки обeртывают полиэтиленовой плeнкой, оставляя незащищeнным плeнкой только дно и располагая тарелку лицевой стороной вниз

При благоприятных условиях заготовки высушиваются без каких-либо проблем: достаточно компактно разместить их на полках, столах и оставить до полного высыхания.

Изделия из особо жирной или, наоборот, слишком тощей глины (в которой много песка или шамота, а основа не отличается пластичностью) наиболее подвержены треску, как при сушке, так и при обжиге.

Замедлить высыхание таких изделий помогает размещение сырца на стеллаже, который покрыт пленкой (периодически важно делать проветривания, чтобы не скопился конденсат) или в коробке с небольшими отверстиями.

После окончания сушки и при необходимости изделия аккуратно шлифуют мелкой наждачкой и затем оправляют влажной губкой,. удаляя с поверхности изделия налипшие крошки керамического мусора, неровности и отпечатки пальцев.

Методика обжига

Во время обжига сырой керамической массы происходит спекание несвязанных минеральных частиц массы с образованием прочного керамического тела - черепка. Сырое, пылевидное глазурное покрытие, плавится, превращаясь в род стекла, образуя водонепроницаемый, преимущественно, глянцевый либо матовый слой. В зависимости от вида материала, его минералогического состава и технической задачи варьируется температурный режим обжига в широком диапазоне ( 800°С — 1400°С). Если не соблюдать необходимые требования, вряд ли получится добиться шелковистости и белизны фарфора, блеска глазури, безупречности простых и сложных форм.

Небольшие дефекты, например, сетка мелких трещин, затираются сметанообразной керамической массой (жижелем) на основе той, из которой отформовано изделие.

Виды обжигов

Первый. Утельный.

Это первичная обработка сырца достаточно высокой температурой, в результате которой набирается необходимая прочность заготовки. При этом сохраняется пористость материала, позволяющая легко наносить глазурное или красочное покрытие.

Второй. Политой (или Глазурный).

После утельного обжига изделие покрывают глазурью и вторично помещают в печь. В процессе обжига глазурь надeжно приваривается к черепку, образуя защитное, влагонепроницаемое, глянцевое покрытие, придающее черепку дополнительную прочность а изделию — долговечность и красоту.

Третий. Декорируюший.

В процессе которого осуществляют:

В зависимости от сложности или технологии декора может понадобиться от одного до трех (и более) дополнительных (третьих) обжигов, как правило в порядке понижения температуры.

Надглазурные краски критичны к прямому воздействию пламени, поэтому для работы с ними нужны муфельные печи периодического действия.

Однократный

В некоторых случаях изделия можно обжигать в один этап, объединив утельный и политой обжиг. Это возможно, если для спекания глины и разлива глазури нужны одинаковые температуры, и не требуется дополнительное декорирование.

Основных схем обжига четыре:

Фарфоровая.

Практически, половина состава фарфора — плавни (кварц, полевой шпат), которые способствуют снижению пористости черепка и вызывают наибольшую огневую усадку. Эта схема предполагает низкотемпературный первый, утельный (800°С–1000°С) и высокотемпературный второй, политой обжиг (для твeрдого фарфора — 1350°С–1420°С, для мягкого — 1250°С–1350°С, для технического (санфарфора) — 1200°С–1250°С). За политым обжигом следует декорирующий обжиг, с понижением температуры. Декорирующих обжигов может быть несколько, при этом все — носят название третьего обжига.

Фаянсовая.

Фаянс относится к тонким керамическим массам фаянсо-фарфоровой группы, с пористым, непросвечивающимся черепком. С фарфором фаянс схож только белизной. Минимальное содержание плавней позволяет обжигать фаянс при достаточно высоких температурах первого, утельного обжига (1200°С–1250°С), избегая деформации изделий. При этом сохраняется необходимая для глазурования пористость черепка. Второй обжиг проводят на пониженной температуре, которую требуют глазурное или любое другое декорирующее покрытие ( 1000°С — 1200°С).

Майоликовая.

Майоликовая масса отличается самой низкой тугоплавкостью. Ее обжигают при 900°С–1100°С. Превышение этих значений грозит деформацией и вспучиванием сырца. Трудность работы с материалом в том, что переход от рыхлого к прочному (стекловидному) изделию происходит очень быстро, критичность перепада значений температуры может не превышать 20°С — 50°С. Температуры утельного и политого обжига могут совпадать. Из-за этого использовать однократный обжиг в любительских условиях довольно проблематично

Шамотная.

Обжиг шамотных масс осуществляется по одной из описанных выше схем в широком диапазоне температур.

Основные процессы и превращения веществ в керамической массе во время обжига изделий

Каждому керамисту необходимо знать следующее:

При обжиге керамическая масса подвергается воздействию высокой температуры, избыток тепла, при этом, вызывают отчасти расплавление и, главным образом, спекание минеральных частиц в монолит. Изделие становится твeрдым и прочным, устойчивым к нежелательному механическому, химическому и тепловому воздействию, прекрасно сохраняет полученную форму, не размокает в воде, а запечeнный в стекле пигмент устойчив к воздействию света (смальта, бутылочное стекло, цветная глазурь). Керамическое тело становится подобным камню, вместе с тем обретает хрупкость.

Итак, обжиг — это ряд термо-физико-химических преобразований (вещест), протекающих в основных компонентах любой керамической массы: кремнезeме, каолине и прочих сопутствующих им минеральных соединениях. Можно сказать, ключевым звеном этих превращений является кварц, в том или ином виде.

Рассмотрим, как влияет нагрев на материал при обжиге керамики:

В диапазоне 20°С — 100°С из массы удаляется свободная влага, поддерживаемая влажностью окружающей среды. Рекомендуемая скорость нагрева — примерно 60°С–70°С в час вплоть до отметки 200°С. Толстостенные и крупно-габаритные изделия следует нагревать в два раза медленнее.

В диапазоне 100°С — 200°С происходит усадка сырца за счет дальнейшего удаления влаги. При этом начинает освобождаться химически связанная вода (из кристаллических решеток). Слишком медленный нагрев на этом участке в некоторых массах может спровоцировать выделение солей. Чаще всего это заметно на красной глине.

К 400°С завершается процесс удаления кристаллической воды. Полностью выгорают органические соединения (включая свободный углерод). С этого момента оптимальная скорость нагрева — 100°С в час.

Диапазон 500°С–600°С — участок самых бурных превращений, кварц скачкообразно меняет форму кристаллической решeтки, с увеличением линейных размеров.

С 600°С до 800°С — начавшиеся преобразования активно продолжаются, с необратимым изменением внутренних связей в материале, материал изделия становится особенно хрупкий. Аварийная остановка нагрева на этом этапе при первом обжиге крайне нежелательна.

Нагрев от 850°С до 950°С сопровождается разложением карбонатов и сульфатов с выделением оксида углерода и оксида серы, масса активно "газует", что является основной причиной дефектов глазурного покрытия, таких как пузыри и наколы. Поэтому, в районе этих температур рекомендуется делать длительную выдержку (час-полтора), чтобы максимально освободить массу от химически нестабильных элементов. Также происходит взаимопроникновение частиц поверхности черепка и прилегающего глазурного слоя. Изделие набирает прочность. Начинается рост кристаллов муллита — основа каркаса каменных масс, фаянса и фарфора, который, в целом, заканчивается около 1300°С.

Последний этап — полноценное спекание частиц или созревание черепка по отношению к составу и сорту керамической массы. Для терракоты это: 1000–1100°С, для фаянса: 1200°С–1250°С, для каменных масс и фарфора: 1250°С–1400°С.

При остывании изделий наиболее вероятны следующие неприятности. Если КТР-ы глины и глазури сильно отличаются (в ту или иную сторону), в диапазоне 900°С до 750°С возможен цек (растрескивание), отскок глазури либо разрыв черепка. А при прохождении интервала с 600°С до 400°С возможен независимый треск изделия, обусловленный скачкообразным изменением КТР-а.

Открывать печь и доставать изделия, строго говоря, следует при прохождении отметки 100°С. Если открыть печь намного раньше, то из-за резкого контакта неостывших изделий с холодным воздухом, может произойти их повреждение, вплоть до полной утраты. С другой стороны, проверка термошоком на 150°С — 200°С — надeжно выявляет проблему "отложенного" цека. В конечном итоге, каждый керамист, руководствуясь знаниями и опытом, определяет для себя сам границы следования тем или иным правилам.