Главная страница
Навигация по странице:

  • 1.1. Сырьевые материалы для производства керамики

  • 1.2. Получение формовочной массы

  • 1.3. Формование керамических изделий

  • 1.5. Обжиг изделий

  • 1.6. Декорирование керамических изделий

  • Некоторые химические соединения, применяемые в качестве

  • Основы технологии керамики


    НазваниеОсновы технологии керамики
    Анкор01_ceramic_tec.doc
    Дата12.06.2018
    Размер314 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла01_ceramic_tec.doc
    ТипУчебное пособие
    #18382
    страница2 из 5
    1   2   3   4   5

    По химическому По назначению По структуре


    составу
    оксидная техническая тонкозернистая
    бескислородная хозяйственно-бытовая
    строительная

    грубозернистая

    огнеупоры

    Рис.1. Общая классификация керамики
    Наиболее общим для керамических материалов является именно технология, определяющая последовательность операций. Принципиальная технологическая схема получения керамики с указанием основного оборудования представлена на рис.2.

    Каждая из указанных технологических стадий может в свою очередь делиться на несколько переделов в зависимости от получаемого материала и вида изделий. При этом используемое сырье и желаемые свойства изделий определяют особенности обжига и декорирования (украшения) изделия, а форма изделия определяет способ формования и содержание стадии подготовки массы.
    Сырье (склад сырья: бункера, отсеки, открытые площадки)



    Подготовка формовочной массы (дробилки, мельницы, мешалки)



    Формование (формовочные станки, пресса, гипсовые формы)



    Сушка (сушила)



    Обжиг (печи)
    Рис. 2. Принципиальная технологическая схема получения керамики
    Керамика издавна использовалась там, где была необходима прочность, долговечность (строительные материалы), огнеупорность (сосуды для варки пищи, плавка металлов), химическая стойкость (сосуды для хранения еды). Помимо чисто утилитарных (бытовых) функций керамические изделия служили предметами украшения жилищ, сувенирами, наконец, с распространением фарфора - предметами роскоши.

    В зависимости от назначения изделий для их производства использовали различные сырьевые материалы и различную технологию. Грубые строительные материалы имеют простую форму (кирпичи, плиты, блоки, плитки и т.п.), их изготавливали из глин методом пластического формования. При этом размешивали глину с водой до достижения однородной пластичной массы и формовали массу руками или набивали ее в заранее сделанную из дерева форму. Изделия, имеющие ось вращения (кружки, кувшины, блюда), формовали из глиняной массы на специальном приспособлении - гончарном круге. Сложные по форме изделия сначала лепили вручную из пластичной массы, затем стали изготавливать методом шликерного литья. Для этого глину, разведенную водой до образования легко льющейся густой жидкости - шликера, заливали в пористые гипсовые формы.
    Формовочная масса

      

    Порошок Пластичная масса Шликер

    4-10% воды 18-25 % воды 30-40% воды

      

    Полусухое и Пластическое Шликерное

    изостатическое формование литье

    прессование

       

    Лепка Набивка Раскатка Выдавливание
    Рис. 3. Методы формования керамических изделий
    Форма изделия во многом определяет способ формования: сложные изделия формуют методом шликерного литья, приготавливая форму и литейный шликер. Более простые изделия, имеющие неглубокий рельеф или ось вращения, формуют пластическим формованием, приготавливая однородную пластическую массу и формуя методом ручной лепки, набивки в форму, раскатки на гончарном круге или формовочном станке, выдавливая из мундштука ленточного пресса. Для простейших по форме изделий типа плиток и кирпичей возможно формование из слегка увлажненного порошка в металлические формы под значительным давлением - метод полусухого (по влажности порошка) прессования.
    1.1. Сырьевые материалы для производства керамики

    Наиболее древним и по-прежнему основным сырьем для производства керамических изделий является глина. Глина относится к осадочным породам, состоящим из гидроалюмосиликатов – с общей химической формулой nAl2O3·mSiO2·zH2O. В глинах присутствуют примеси кварцевого песка, полевых шпатов, карбонатов, некоторых оксидов и органических остатков. Глиняные частицы имеют малый размер (0,01- 10 мкм) и в основном пластинчатую форму. Они способны включать воду не только в свою химическую структуру (химически связанная вода), но и удерживать ее вокруг частиц в виде тонких прослоек (физически связанная вода). Это качество определило способность глины, затворенной водой, обладать свойством пластичности. Пластичность - способность изменять свою форму под воздействием нагрузки без разрушения и удерживать форму после прекращения действия нагрузки. На пластичности глинистых минералов основан метод пластического формования глиносодержащих масс.

    Наряду с глинами в качестве пластичных материалов используют каолины - разновидности глинистых пород, содержащие глинообразующий минерал каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O), который отличается белым цветом и высокой огнеупорностью. Каолин - непреложный компонент традиционных составов сырья для производства фарфора и фаянса.

    По внешним признакам - цвету, дисперсности, однородности - можно лишь приблизительно оценить возможность использования глины в производстве керамики. Так, рыжий и бурый цвета большинства встречающихся повсеместно глин говорит о содержании в них оксидов железа. Такие глины относят к небеложгущимся и они имеют невысокую температуру спекания. Сильно запесоченные глинытрудно формуются и плохо спекаются. Неоднородные, содержащие крупные включения, имеющие разную окраску кусков, требуют проведения тщательного обогащения, т.е. процесса удаления примесей. Для качественной оценки глины необходимо знание ее химического и минерального составов и определение целого ряда технологических свойств, показывающих поведение глины при формовании, сушке и обжиге. После такого анализа можно говорить о возможности применения глины для производства того или иного вида керамики.

    По пластичности глины разделяют на 5 групп - от высокопластичных до непластичных. По чувствительности к сушке - возможности принудительной сушки изделия без образования трещин, глины делят на 3 категории - от высокочувствительных до малочувствительных. По спекаемости - объему открытых, т.е. сообщающихся с поверхностью, пор в отформованном и обожженном образце, - глины разделяют на 3 категории - от сильноспекающихся до неспекающихся.

    Кроме пластичныхматериалов в производстве керамики применяются непластичные, так называемые отощающие материалы - кварцевый песок, полевые шпаты, шамот и т.д. Введенные вглину они с одной стороны уменьшают пластичность массы, затрудняя формование, но с другой - способствуют успешной сушке изделия, уменьшая возможность образования трещин и деформации, облегчая удаление воды из полуфабриката.

    Кроме улучшения сушки отощающие материалы могут играть роль плавней - веществ, вступающих в процессе обжига во взаимодействие с компонентами сырья с образованием более легкоплавких соединений, чем исходные. Тем самым снижается температура обжига керамики и улучшается ее спекаемость. В качестве плавней, называемых также флюсами, используют прежде всего разновидности полевых шпатов (алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов).

    Исходный состав массы для производства конкретного керамического материала определяется необходимостью получения нужного химического состава и микроструктуры (формы и размеров зерен) после обжига, обеспечивающих нужные эксплуатационные свойства изделия. Для несложных бытовых гончарных изделий достаточно использовать пластичную спекающуюся глину; для производства прочного и белого фарфора необходимы огнеупорная глина, каолин, кварцевый песок и полевой шпат.
    1.2. Получение формовочной массы

    Пластичные сырьевые материалы - глины и каолины имеют непостоянную влажность, зависящую от сезона. Для выравнивания влажности и повышения однородности глины применяют длительное вылеживание ее в ямах. При этом вода равномерно распределяется по всей массе, масса в таких условиях как бы “зреет” для формования. Хорошо сказывается на глине ее промораживание в условиях пониженных температур, что связано также с перераспределением воды в массе и ее саморазрыхлении.

    Основная задача первых стадий обработки сырья - получение однородной массы определенной влажности. Поэтому из глины необходимо удалить вредные включения - камни, корни деревьев, куски угля и известняка, другие примеси, которые могут усложнить формование и обжиг изделия. Для достижения этой цели применяют отмучивание - глину размешивают в воде и выдерживают некоторое время. При этом на дно сосуда оседают тяжелые включения, а растворимые соли переходят в раствор. На керамических заводах для первичной обработки глины, ее измельчения используют разнообразные устройства - глинорезки, глинорыхлители, бегуны, валковые дробилки.

    Однородности и постоянной влажности массы можно достигать различными путями, которые зависят от выбранного способа формования. Наиболее эффективным способом достижения однородности многокомпонентной сырьевой смеси - шихты является смешивание компонентов в водном шликере. Для получения шликера необходимо измельчить смешиваемые компоненты до такого размера частиц, чтобы они при медленном перемешивании шликера не оседали на дно сосуда. Шликер, содержащий взвесь твердых частиц, время оседания которых на дно сосуда будет составлять десятки минут, считается седиментационно-устойчивым (устойчивым к оседанию).

    Для приготовления шликера из глины, состоящей из дисперсных частиц, необходимо распустить ее куски в воде, при этом образуется достаточно устойчивый шликер. Для уменьшения количества добавляемой к глине воды нередко применяют разжижающие добавки - электролиты.

    Тонкое измельчение частиц отощающих компонентов, иногда вместе с пластичными, проводят в шаровых мельницах - одних из самых распространенных машин и в керамической мастерской, и на крупном заводе. Вращаясь в металлическом барабане в смеси с твердыми шарами или цилиндрами, материал измельчается до нужных размеров. Чаще тонкий помол в шаровой мельнице проводят мокрым способом, добавив к сухому материалу примерно столько же воды. Размер полученных частиц контролируют, просеивая полученный шликер (при мокром помоле) или порошок (при сухом) через сито с определенным размером ячеек. В качестве самого мелкого наиболее распространено сито 0063 с размером отверстий 0,063 мм (63 мкм) или 10000 отверстий на 1 см². Тонкость помола контролируют по остатку материала на сите. После измельчения компонентов достигают однородности шликера, перемешивая его в сосудах (бассейнах) с пропеллерными или лопастными мешалками (рис.4).

    Нередко для избавления от красящих, в основном железосодержащих примесей, проводят магнитную сепарацию шликера, при этом частицы шликера, содержащие такие примеси, осаждаются на магнитах.
    Глинистые материалы Отощающие материалы

     

    Грубое измельчение

    (глинорезки, валковые дробилки) (щековые дробилки, бегуны)

     

    Роспуск Тонкое измельчение

    (мешалки) (шаровые мельницы)



    Процеживание (сита)



    Перемешивание (бассейны с пропеллерными мешалками)
    Рис. 4. Технологическая схема приготовления шликера
    Если компоненты смеси находятся в сухом состоянии, то доводить массу до нужной формовочной влажности можно, добавляя в нее порциями воду и тщательно при этом перемешивая. Для получения пластичной тестообразной массы куски массы, образующиеся при добавлении воды, необходимо тщательно усреднять. Приемы работы с глиняным тестом подобны приемам кулинара: и то и другое тесто рекомендуется как можно тщательнее проминать и отбивать. Для отбивки глиняной массы применяются деревянные молотки - киянки. Смысл этой операции состоит в удалении пузырьков воздуха, попадающих в массу при ее перемешивании. Пузырьки воздуха играют отрицательную роль - при формовании они снижают пластичность массы, “отощают” ее, при сушке, расширяясь и выходя на поверхность изделия, образуют трещины. Для перемешивания пластичных масс и удаления из них воздуха на керамических заводах применяют массомялки и вакууммялки, напоминающие большие мясорубки с устройством для вакуумирования.

    Приготовить пластичную массу и полусухой порошок можно из шликера. Для этого его надо обезводить - удалить лишнюю воду. Для приготовления пластичной массы необходимо довести ее влажность до 18-25% при начальной влажности шликера 40-65%. Обезвоживание небольших количеств шликера в условиях мастерской проводят, выливая шликер в гипсовые формы. При сушке форм в сушильном шкафу (температура сушки форм не более 60˚С) нужно уловить момент, когда масса не потеряет свою пластичность. На керамических заводах для обезвоживания шликера применяют фильтр-прессы - устройства, в которых шликер под давлением фильтруют через ткань, после чего с нее снимают образовавшийся слой пластичной массы (рис.5).

    Приготовить из шликера полусухой (6-8% влажности) пресс-порошок сложнее - для этого надо удалить большую часть воды. На заводах пресс-порошок получают в башенных распылительных сушилках (БРС) распылением шликера в башне с газовыми горелками. При этом капли шликера, высыхая, превращаются в сферические гранулы размером 100-300 мкм (рис.6).

    В некоторых производствах специально идут на дополнительные расходы, первоначально приготавливая керамический шликер, затем обезвоживая его до пластичной массы. При таком способе подготовке можно вылеживать пластичную массу, улучшая ее качество, а затем использовать ее либо для пластического формования, либо, предварительно распустив, для шликерного литья.
    Глинистые материалы Отощающие материалы

     

    Грубое измельчение

    (глинорезки, валковые дробилки) (щековые дробилки, бегуны)


    Роспуск (мешалки) Тонкое измельчение (шаровые мельницы)


    Просев на вибрационных ситах



    Перемешивание в бассейне с пропеллерной мешалкой



    Шликер во “взвешенном состоянии” в сборнике-бассейне с мешалкой



    Обезвоживание на фильтр-прессах.



    Промин массы на вакууммялках.



    Вылеживание массы.

     

    Получение шликера Пластическое формование
    Рис. 5. Технологическая схема получения пластичной массы

    Глинистые материалы Отощающие материалы

     

    Грубое измельчение

    (глинорезки, валковые дробилки) (щековые дробилки, бегуны)


    Роспуск (мешалки) Тонкое измельчение

    (шаровые мельницы)



    Просев на вибрационных ситах



    Перемешивание в бассейне с пропеллерной мешалкой



    Шликер во “взвешенном состоянии” в сборнике- бассейне с мешалкой



    Обезвоживание шликера в башенной распылительной сушилке
    Рис. 6. Технологическая схема подготовки пресс-порошка
    1.3. Формование керамических изделий

    Формование керамических изделий можно вести тремя различными способами: полусухим и изостатическим прессованием из пресс-порошков, пластическим формованием из пластичной массы и шликерным литьем из литейных шликеров. В свою очередь все три способа имеют большое количество разновидностей, отличающихся между собой усилиями формования, способами приложения их к материалу и специальной оснасткой - пресс-формами и различными приспособлениями. Способ горячего литья - литья шликера, содержащего вместо воды расплавленный парафин, в металлическую форму, применяется для формования безглинистой технической керамики. Общая цель всех методов формования - заставить дисперсный материал принять нужную форму и сохранить эту форму без разрушения до обжига, при котором происходит образование единого прочного керамического тела. Для изделий, изготавливаемых из глинистого сырья, достаточно привести частицы массы в состояние контакта и снизить влажность заготовки, высушив ее до влажности 10-15%. При этом мелкие частицы глины служат своеобразным клеем-основой и могут склеивать непластичные частицы песка, полевого шпата и т.п. Если же керамическое изделие производят из непластичных материалов, то для его формования требуется особая связка, которая послужит таким клеем. При горячем литье такой связкой служит парафин, при других способах формования используют синтетические полимеры в виде водных или иных растворов. Сохранить форму изделия в первом случае помогает превращение расплава парафина в твердое тело при его охлаждении в металлической форме, в других случаях - испарение воды или иного растворителя и стягивание частиц, покрытых тонким слоем клеящей связки.

    Рассматривая три основных способа формования, можно заметить, что для придания изделию необходимой формы требуются усилия, обратно пропорциональные содержанию связки в формуемой массе (для материалов на основе глин связкой является вода, образующая тонкие пленки между частицами). Так литье шликера в гипсовые формы протекает практически при атмосферном давлении (0,1 МПа); пластическое формование требует ручных или механических усилий, измеряемых 0,5-5 Мпа; прессование производится под давлением 10-100 МПа. Важно отметить еще одну особенность - чем больше усилий мы прилагаем для придания формы, тем больше вероятность получения неравноплотной заготовки изделия, что, в свою очередь, грозит появлением дефектов - трещин, сколов и т.п. Самые сложные изделия получают шликерным литьем - способом, при котором не требуется приложения внешних усилий.

    Формование керамических изделий способом шликерного литья состоит в получении из сырьевых компонентов устойчивого литейного шликера, наполнения им пористой гипсовой формы и выдержки для набора массы на внутренней поверхности формы. После значительного обезвоживания массы в результате всасывания воды под действием капиллярных сил в мелкие поры гипсовой формы заготовка уменьшается в размерах (“дает усадку”) и приобретает прочность, достаточную для разборки формы и сушки изделия перед обжигом.

    Перед заполнением гипсовая форма должна быть высушена при температуре не выше 65°С и иметь остаточную влажность не менее 4%. Если форму пересушить, процесс набора массы будет идти слишком быстро с образованием дефектов.

    Различают два способа шликерного литья: наливной, при котором количество шликера, залитого в форму должно быть достаточно для полного формования изделия, и сливной, при котором избыточное количество шликера выливается (или отсасывается с помощью вакуума) из формы после заранее определенного времени. Первым способом чаще формуют толстостенные и сплошные изделия, например, скульптуры, вторым - большинство полых и тонкостенных изделий: посуду, вазы и т.п. В формах для наливного способа предусмотрена верхняя полость с избытком шликера, поступающего в форму по мере набора массы - так называемая прибыль.

    Как было уже сказано, литейный шликер (т.е. шликер готовый для литья в форму) должен быть однороден, не содержать крупных частиц, способных быстро оседать, так как при этом произойдет его расслаивание. Литейный шликер должен содержать как можно меньше воды, но при этом легко заливаться в форму. Минимальное содержание воды в литейных шликерах обеспечивают введением электролитов - химических соединений, влияющих на взаимодействие частиц глин с водой, и регулированием вязкости (текучести) шликера путем изменения основности (рН) среды. При использовании малых количеств (не более 0,5%) таких электролитов, как сода (Na2CO3), силикат (Na2SiO3) или полифосфат (Na3PO4) натрия и др., удается снизить влажность шликеров до 30-33% , тогда как шликер с такой же вязкостью и текучестью из распущенной глины без электролита имеет влажность от 40 до 65%.

    Приготовленный шликер поддерживают во взвешенном состоянии (т.е. не допуская оседания твердых частиц), используя механические пропеллерные и лопастные мешалки, перемешивающие большие количества шликера в бассейнах. При перемешивании важно избежать захвата лопастями мешалок воздуха, который может образовать пузыри в отливках.

    Наполнение шликером гипсовой формы ведут таким образом, чтобы не захватывать воздух, не создавать сильной струи - медленно и непрерывно, желательно слегка меняя ее направление. Необходимо дать время для выхода воздуха из узких частей формы, не прерывая при этом процесса литья.

    После наполнения формы шликером начинается процесс набора массы - образование слоя массы на внутренней поверхности формы. При этом вода, содержащаяся в шликере, всасывается в микропоры (размером 1,5-5 мкм) гипсовой формы. Когда необходимая толщина заготовки достигнута, при сливном способе литья избыток шликера медленно сливают, поворачивая форму по окружности, чтобы не оставлять следов на поверхности заготовки в виде натеков или удаляют с помощью вакуума (в литьевых автоматах). После набора массы влажность образованного на поверхности формы слоя составляет 18-24%. Однако форму еще нельзя разобрать, не разрушив заготовку.

    После набора массы наступает второй период - закрепления заготовки. Обычно его проводят в течение более длительного времени - от часа до нескольких суток, исходя из массивности изделия и условий, в которых содержится форма. Форму с заготовкой оставляют на стеллажах мастерской (цеха) или сушат принудительно в сушильных шкафах или сушилах при температурах до 60-65°С. После первого периода сушки - подвялки, когда заготовка отдаст еще несколько процентов воды (слегка “усядет”) и ее поверхности отойдут от стенок формы, форму можно разбирать. Заготовка приобретет прочность, достаточную для того, чтобы можно было взять ее в руки не смяв и не оставив на ее поверхности глубоких следов. Это так называемое “кожетвердое” состояние, в котором заготовка может быть обработана: на ней можно вырезать контррельеф или отверстия, налепить рельеф или приставить детали, ее можно отполировать или придать ее поверхности особую фактуру, наконец, можно замыть или зачистить дефекты поверхности. Приставные, т.е. приклеиваемые детали должны быть из той же самой массы, а их влажность должна соответствовать влажности заготовки. Склеивание ведут тем же шликером, для густоты и увеличения склеивающей способности в него добавляют декстрин.

    Операции по удалению дефектов на отформованной, иногда высушенной, но не обожженной заготовке называют оправкой. Замывкой называют удаление с помощью влажной губки натеков, швов от разъема формы и т.д., зачисткой - обработку наждачной бумагой, металлической сеткой или металлическим инструментом (ножом, скребком, шпателем, клюшкой и т.д.). Широко применяется литье в гипсовые формы под давлением, ускоряющим процесс набора массы.

    Наиболее древний и универсальный способ формования - это пластическое формование, названное так по пластичному состоянию массы. Так как глины различаются по своей пластичности, разным глинам необходимо разное количество воды для приобретения необходимых формовочных свойств. Влажность керамических масс, формуемых способами пластического формования, колеблется от 18 до 25%. Минимальную требуемую формовочную влажность можно определить, раскатывая в руках жгуты диаметром примерно 2-3 см: если масса не прилипает к пальцам, легко мнется, но при этом на формуемых жгутах не появляются поперечные трещины, то ее влажность соответствует формовочной. Пластическое формование осуществляют различными способами, из которых можно выделить как наиболее применяемые - лепку, набивку, раскатку и выдавливание.

    Лепку осуществляют руками, заранее подготовив и промяв массу. Хотя керамисты до сих пор используют формование сосудов жгутами - формуя стенки сосудов из наложенных друг на друга жгутов массы, формование лепкой лучше вести из единого куска массы. При соединении различных кусков существует вероятность появления трещин в местах соединения по причине даже небольших различий влажности кусков. Таким приемом можно пользоваться, если масса обладает широким диапазоном пластического состояния, т.е. остается пластичной довольно долгое время, несмотря на частичное высыхание. Отформованная из пластической массы заготовка может быть обработана с помощью металлического, пластмассового или деревянного инструмента - стека, на заготовке может быть выполнен рельеф, оттиснута печать, вырезан орнамент или сделаны отверстия. Для удобства работы с заготовкой необходимо, чтобы она набрала определенную прочность, для чего ее подсушивают - подвяливают до кожетвердого состояния.

    Формование набивкой заключается в приготовлении пластической массы, набивки, затирки или просто плотного заполнения массой гипсовой или деревянной формы. Таким образом формуют простые по форме изделия с неглубоким рельефом - плитки, изразцы, плакетки и т.п. Для лучшего заполнения рельефа рекомендуется втирать куски массы в рельеф формы, постепенно заполняя ее всю. После заполнения формы и образования некоторого излишка допускается уплотнение всего пласта массы легкими ударами киянки. Избыток массы срезают ножом или проволокой. Формовочная влажность массы для данного способа формования может быть ниже, чем для формования способом лепки, и формовочные усилия значительны. Формование набивкой позволяет тиражировать изделия. В свое время это привело к своеобразной революции в строительстве - с возникновением массового производства кирпича и черепицы повсеместно стали распространяться кирпичные кладки и черепичные крыши.

    Формование раскаткой осуществляют на гончарном круге - вращающемся с регулируемой скоростью металлическом диске. На диск помещают кусок приготовленной пластичной массы, руками центруют его при вращении и придают форму сосуда, формуют внешнюю и внутреннюю поверхности с помощью пальцев и ладоней. Отформованное изделие заглаживают, смачивая поверхность влажной губкой, и после небольшой подсушки отрезают проволокой от основания куска - ножки. Раскатка - один из наиболее древних способов формования, требующих большого опыта. На заводах раскатку осуществляют на специальных формовочных станках-полуавтоматах или на автоматических линиях.
    1.4. Сушка керамических изделий

    Сушка керамических изделий может проходить как в естественных условиях - на стеллажах в мастерской, так и в принудительных - в сушильных шкафах и сушилах. Скорость сушки, т.е. скорость удаления влаги из отформованного изделия, зависит от температуры, влажности окружающей среды и воздухообмена. Кроме того, скорость сушки зависит от формы и габаритов высушиваемого изделия. В процессе сушки механически и физически связанная вода, равномерно распределенная в изделии, перемещается по тонким каналам - капиллярам, образуемым свободным пространством между частицами пластичных материалов - глин и каолинов. Перемещаясь из глубины изделия к поверхности, вода освобождает занятые ранее полости, в результате чего частицы материала сближаются друг с другом. Такое изменение размеров изделия делает его меньше и называется усадкой. Так как вода начинает испаряться с поверхности, то первыми усадку испытывают внешние слои материала. Поверхность изделия, отформованного из массы, имеющей большую усадку, т.е. высокочувствительной к сушке, может покрыться трещинами уже на первых стадиях сушки. Если скорость сушки велика, то даже малочувствительные к сушке массы в толстостенных изделиях могут образовывать трещины из-за того, что внутренние, еще сырые слои материала не дадут возможность усесть внешним слоям без разрыва поверхности, т.е. без трещин. Следовательно, для успешной бездефектной сушки необходимо ограничивать скорость сушки и тем более чем сложнее и массивнее изделие. Ограничивать скорость сушки можно не только снижая температуру окружающего воздуха, но и увлажняя его (при этом замедлиться влагоудаление).

    Наконец, массивные изделия можно сушить продолжительное время под тканью, задерживающей влагу. При сушке керамических изделий недопустимо резкое повышение температуры, особенно в первый период, до температур 70-80°С. Необходимо прогреть изделие по всей глубине и уже затем, поднимая температуру до 100-120°С, окончательно высушить его. В заводских условиях при отлаженной технологии сушку ведут в сушилах различного типа до температур 300°С. Окончательная влажность изделия после сушки, т.е. перед обжигом, не должна превышать 5% (для крупногабаритных изделий - не более 2%).

    Усадка при сушке называется воздушной усадкой и является серьезной проблемой на пути получения бездефектного изделия. Чтобы уменьшить трещинообразование, помимо регулирования скорости сушки можно регулировать состав массы, вводя в нее непластичные - отощающие компоненты. Однако следует учесть, что при этом нельзя выходить за пределы пластического состояния массы, необходимого для ее формования. Введенные отощающие компоненты снизят усадку всей массы вследствие того, что сами не теряют воду и не испытывают усадки. Помимо этого их введение в массу приводит к образованию при сушке изделия более крупных пор, облегчающих удаление влаги.

    Исключить неравномерную усадку изделия, являющуюся причиной образования трещин, можно, предъявляя к его форме определенные требования. Форма керамического изделия не должна содержать мест, которые могут служить концентраторами напряжений при сушке. Такими местами могут быть резкие переходы толщины изделия, острые края, углы, отверстия с острыми краями. Добиваться нужной формы можно, слегка закругляя кромки углов, краев, отверстий и сглаживая переходы, а также увеличивая толщину изделия в опасных местах, выравнивая таким образом скорость усадки в разных местах изделия и упрочняя их. Необходимо помнить, что при сушке отформованное изделие ведет себя как единое целое и нельзя допустить, чтобы подставка, на которой находится изделие во время сушки, прилипала к изделию и мешала его усадке. Для этого иногда изделия сушат на бомзах - специальных подставках, изготовленных в то же время из того же материала и, соответственно, имеющих такую же усадку. После сушки изделия подвергают оправке, зачищая края, заглаживая поверхности и устраняя мелкие дефекты.
    1.5. Обжиг изделий

    Обжиг изделийпроводят в печах различной конструкции: в муфелях с рабочим пространством, защищенным от нагревателей огнеупорным коробом, в горнах - печах с рабочим пространством в виде шахты, в туннельных печах с рабочим пространством в виде туннеля и других. Печи различаются также по виду топлива. Широко распространены печи электросопротивления со спиральными нагревателями из металлических сплавов или с нагревателями из керамических стержней различной формы (карбидкремниевых, хромитлантановых и других), а также печи с газовыми горелками.

    Изделия, помещаемые в печь, ставят на особые подставки лещадки, плиты. Их изготавливают из огнеупорных и термостойких материалов, выдерживающих высокие температуры и их резкие перепады. В качестве таких материалов используют смеси огнеупорных глин с шамотом - порошком обожженной глины, порошками карбида кремния (SiC), оксида алюминия (α-Al2O3 ) и других тугоплавких материалов, а также кордиерит (2MgO ·2Al2O3 ·5SiO2) или карбид кремния. Для выравнивания температур в разных концах обжигаемого изделия, особенно если есть вероятность местного перегрева частей или одного из изделий из-за близости нагревателя (факела горелки), изделия помещают в огнеупорные короба - капсели прямоугольного или круглого сечения.

    Обжиг разделяют на 3 периода: подъема температуры - нагревания, выдержки при постоянной температуре и снижения температуры - охлаждения. В зависимости от материала, особенностей печи и садки, обжиг проводят по определенному режиму, под которым понимают скорость подъема и снижения температуры, температуру и время выдержки. Большую роль для некоторых керамических материалов играет среда обжига. Окислительную среду создают, обеспечивая свободный доступ воздуха, восстановительную - недостатком воздуха в печи (в случае газовой печи) и нейтральную, если доступ воздуха минимален. Среда оказывает большое влияние на химические процессы, происходящие в обжигаемом изделии, меняет его цвет и другие свойства. Особое значение в придании фарфору белизны играет период обжига в восстановительной среде, при котором происходит переход рыжего оксида железа (III) Fe2O3 в синий (II) FeO. Большинство керамических изделий обжигают в условиях свободного доступа воздуха, т. е. в окислительной среде.

    Физический смысл стадии обжига керамики заключается в процессе спекания - образования из отдельных дисперсных частиц, связанных в отформованном изделии прослойками технологической связки, монолитного плотного поликристаллического тела. После обжига изделие приобретает свои основные свойства: механическую прочность, твердость, необходимый цвет; форму изделия уже нельзя изменить, не разрушая его.

    Первая стадия обжига - нагрев изделия до температуры выдержки - наиболее ответственная. Именно в течение этой стадии из изделия удаляется оставшаяся после сушки вода и начинается физико-химические превращения материала, в первую очередь - удаление химически связанной, т.е. включенной в структуру соединений, воды.

    Большинство керамических изделий изготавливают из традиционных сырьевых материалов, прежде всего глин. В составе глин находится много воды, которая при нагревании будет удаляться из материала в виде паров. Процесс удаления воды называют дегидратацией. Он происходит и при сушке, но тогда удаляется свободная (механически связанная) и физически связанная с частицами глины вода, т.е. не входящая в их химическую структуру. Дегидратация глин проходит при их нагревании до температур 600-800°С, в этом диапазоне температур в процессе обжига удаляется химически связанная вода, например из каолинита:

    Al2O3·2SiO2·2H2O → Al2O3·2SiO2 +2H2O

    До температуры 8000С происходят наиболее резкие изменения объема глинистых частиц и модификационные превращения кварца (β-SiO2 → α-SiO2). До температуры 900°С с выделением газообразных продуктов идет разложение карбонатов, часто содержащихся в глинах, и окисление примесей органического происхождения (остатков растений, угля и т.п.). Поэтому процесс нагрева изделий ведут достаточно медленно, не превышая 100 град/ч и нередко делая промежуточные выдержки.

    Конечная температура обжига и время выдержки при этой температуре в основном определяются температурой спекания материала, из которого изготовлено керамическое изделие. Обычно полноту спекания определяют по объему открытых, т.е. сообщающихся с поверхностью, пор. Чем меньше таких пор осталось в изделии после обжига, тем лучше спекся материал.

    Охлаждение изделия после выдержки при максимальной температуре в зависимости от материала и габаритов обжигаемого изделия ведут либо по особому режиму, постепенно снижая температуру и делая остановки - выдержки при температурах модификационных превращений образовавшихся в процессе обжига фаз, либо охлаждая изделия вместе с печью. Так, например, переход кварца из α-формы в β- форму происходит при 575°С и сопровождается значительным изменением объема, в результате чего может быть разрушено изделие.

    Контроль над температурой в печи осуществляют различными способами, из которых самый распространенный - контроль с помощью термопары. Термопара представляет собой металлическую проволоку из особых сплавов, две жилы которой спаяны, и спай помещен в контролируемую зону печи. Свободные концы проволоки выведены за пределы нагреваемой зоны и соединены с прибором, показывающим преобразованный сигнал, поступающий от спая термопары. Термопара, находящаяся в печи, спрятана в огнеупорный чехол, защищающий ее от агрессивной среды печи.

    Используются также пирометры - приборы, позволяющие по излучению, исходящему от нагретого изделия, определить его температуру. Пирометры устанавливают напротив небольших окошек – «гляделок» в корпусе или дверце печи. Если термопарой или пирометром можно определить температуру непосредственно во время обжига изделия, то пироскопами (конусами Зегера) - небольшими конусами, отформованными из масс определенных составов, можно определить максимальную температуру достигнутую в обжиге, рассматривая после обжига степень деформации пироскопа. Каждый конус, согласно своему номеру, при определенной температуре деформируется, касаясь своей вершиной подставки. С помощью пироскопов удобно измерять температурное поле в рабочем пространстве печи и определять места, где нежелательно ставить изделия из-за их возможного пережога или недожога.

    Как в промышленных, так и в большинстве небольших печей, используемых в мастерских, для удобства и высокого качества обжига используют регуляторы мощности, соединенные с задатчиками температуры. Достаточно установить время достижения определенных температур и после пуска печи автоматика будет поддерживать заданный режим обжига. Количество точек с заданными параметрами (температура и время ее достижения) может колебаться от двух до нескольких десятков в зависимости от материала и формы изделия. Крупногабаритные изделия сложной формы требуют сложного режима обжига.

    Основная проблема выбора режима обжига - не только определение температуры и времени выдержки, достаточных для спекания материала, но и предотвращение образования дефектов в процессе нагрева и охлаждения изделия. Происходящая при обжиге усадка - огневая усадка, должна протекать равномерно, не приводя к образованию трещин. После образования единого керамического тела на стадии охлаждения опасность представляют не только возможные модификационные превращения отдельных минералов, образовавшихся в материале, но и растрескивание изделия в местах концентрации напряжений из-за слишком резкого охлаждения.

    Таким образом, для получения высококачественного керамического изделия необходимо тщательно отрабатывать режим обжига - скорость нагрева и охлаждения, время и температуру выдержки, среду обжига.
    1.6. Декорирование керамических изделий

    Для придания изделию окончательного вида его подвергают декорированию - процессу украшения рельефом, глазурью, росписью и т.д. Декорирование осуществляют разными методами (рис.7): скульптурными (созданием рельефа, контррельефа, гравировкой и т.д.), живописными (росписью керамическими красками, ангобами, глазурями и т.д.) и технологическими, которые не только украшают изделие, но и улучшают его свойства (покрытие изделий глазурями, ангобами, эмалями, люстрами). Декорирование скульптурными методами производят на свежеотформованном или подвяленном изделии, находящемся в кожетвердом состоянии. Декорирование живописными методами ведут на высушенном, обожженном, глазурованном изделиях.

    Глазурованием называют процесс покрытия высушенного или обожженного изделия сырьевой суспензией - шликером, который в процессе обжига образует глазурь - стекловидное покрытие на поверхности изделия толщиной 0,1-0,3 мм. Глазурь придает изделию большую механическую прочность, защищает от загрязнений и служит одним из основных средств декора. Глазури могут быть прозрачными, непрозрачными (глушенными) - скрывающими цвет материала изделия, блестящими и матовыми, бесцветными и цветными. Глазурование проводят окунанием изделия в глазурный шликер, поливом изделия шликером, распылением шликера на изделие.

    Чаще всего перед глазурованием изделие подвергают первому предварительному обжигу - утильному обжигу, после которого изделие набирает достаточную механическую прочность, чтобы не разрушиться при намокании глазурным шликером.

    Методы декорирования



    Скульптурные Живописные Технологические

    Рельеф Роспись Глазурование

    Контррельеф Аэрография Ангобирование

    Ажур Декалькомания Лощение

    Инкрустация Мраморизация Томление

    Гравировка Пастилаж Обвар

    Тиснение Резерваж

    Фландровка Шелкография

    Перевод печати

    Декорирование штампом
    Рис.7. Классификация методов декорирования
    Крупногабаритные изделия после тщательной сушки можно покрывать глазурным шликером без предварительного обжига. Утильный (утельный) обжиг предотвращает возникновение дефектов глазури, связанных с газовыделением из изделия через слой глазури во время обжига. Второй обжиг, который проводят для образования глазурного покрытия, называют политым. Однократный обжиг неглазурованного изделия, при котором оно приобретает конечные свойства, называют бисквитным, а само изделие после обжига - бисквитом. Для закрепления надглазурных керамических красок проводят третий - муфельный или декоративный обжиг.

    При политом обжиге на поверхности пористого керамического тела образуется плотная пленка стекла; при этом возможно возникновение на глазури различных дефектов, портящих внешний вид изделия. Часть дефектов связана с неправильным подбором состава глазури к материалу, из которого сделано изделие: это цек - сеть мелких волосяных трещин на глазури, а также отслаивание глазури. Другая группа дефектов связана с неправильно выбранной температурой обжига изделия. При завышенной температуре обжига наблюдается сухость глазури - снижение блеска и шероховатость, матовость - при заниженной или завышенной температуре, плохой разлив, волнистость, слабый блеск - при недожоге, т.е. заниженной температуре обжига. При неправильном нанесении глазурного шликера могут возникнуть натеки - утолщения глазури в отдельных местах изделия. При плохой очистке глазуруемого изделия от пыли и жира могут возникнуть плешины - отсутствие глазури в отдельных местах. С той же причиной связана сборка - стягивание глазури в капельки и складки. При заниженной температуре утельного обжига могут образоваться наколы - точечные впадины, при слишком быстром нагреве в интервале температур 800-1000°С - пузыри или прыщи.

    Необходимо заметить, что каждый из перечисленных дефектов может иметь одну или несколько причин, связанных как с неправильным приготовлением глазури, так и с несоблюдением режима обжига или техники глазурования. Судить уверенно о том, какая из причин является определяющей, можно лишь после специально проведенных экспериментов. Для исключения возможных дефектов необходимо пользоваться специально подобранной для данного материала глазурью, тщательно соблюдать рекомендации по ее нанесению (не наносить толстый слой, не оставлять неглазурованных мест, добиваться равномерного покрытия, очищать изделие перед глазурованием от пыли, пятен жира и т.д.), соблюдать режим обжига и не торопиться извлекать глазурованное изделие из печи, не охладив его до 60-80°С. Глазурные дефекты иногда служат также элементами декора, так цек используют для создания глазурей типа кракле, оттеняя сеть волосяных трещин. Используют также декоративную сборку.

    Долгое время глазури готовили с использованием соединений свинца, придающих глазурям хороший блеск, растекаемость и легкоплавкость. Однако в последнее время, учитывая токсичность свинца, для многих керамических изделий (посуда), стали использовать бессвинцовые глазури.

    Приготавливая глазури для фаянса и майолики, смесь их компонентов предварительно расплавляют, затем выливают в холодную воду. Этот процесс называют фриттованием. Образовавшуюся фритту подвергают помолу. Фриттование необходимо для перевода водорастворимых соединений, которые присутствуют во многих исходных составах глазурей, в нерастворимую форму. Нефриттованные глазури, называемые сырыми, приготавливают из природных компонентов и используют для глазурования фарфора.

    Глухие глазури, чаще белого цвета, называют эмалями и используют для маскировки цвета керамики, а также в качестве сырого фона для росписи красками и солями металлов.

    Ангобом называют матовое, белое или цветное покрытие, наносимое на керамическое изделие для маскировки цвета изделия, создания рисунка и т.д.. В отличие от глазури нанесенный на поверхность ангоб при обжиге не образует стекловидного слоя, а создает плотный декоративный слой, обладающий некоторой пористостью. В состав ангоба входит глина. Ангоб наносится в виде более густой, чем глазурный шликер, суспензии и всегда на необожженное изделие. Благодаря пористости ангобного покрытия газы, образующиеся в керамическом теле при обжиге, могут выйти через него. Если ангоб наносят несплошным слоем, его называют барботином. Ангобы, образующие тонкие глинистые покрытия в виде глянцевых пленок, иногда называют лаками.

    Керамические краски, используемые для декорирования керамики, разделяют на подглазурные, надглазурные и внутриглазурные. Для их производства используют керамические пигменты - соединения переходных металлов (оксиды и некоторые другие), сохраняющие или образующие цвет при обжиге и мало взаимодействующие с расплавом глазури.

    Подглазурные краски наносят на высушенное или прошедшее утильный обжиг изделие. Для этого подглазурную краску, содержащую помимо пигмента глазурь, смешивают со связкой (глицерином, раствором сахара и т.п.). После растирания краски ее наносят кистью на поверхность изделия по намеченному контуру рисунка. Иногда используют в качестве подглазурных красок растворы солей металлов в воде или глицерине. Такой способ росписи называют росписью солями. После нанесения краски изделие глазуруют и обжигают.

    Надглазурные краски наносят на изделия, прошедшие политой обжиг. Для этого надглазурную краску, содержащую помимо пигмента флюсы - легкоплавкие стекла, придающие блеск краскам и хорошее сцепление с глазурью, смешивают со скипидаром и скипидарным маслом. После быстрой сушки изделия подвергают декоративному обжигу.

    Палитра подглазурных красок гораздо беднее палитры надглазурных, что объясняется высокой температурой политого обжига фарфора и, следовательно, требованиями устойчивости к высоким температурам применяемых пигментов. Подглазурные краски обжигают вместе с глазурью при температурах до 1400°С, тогда как надглазурные краски обжигают в отдельном обжиге при температурах 600-900°С.

    В табл.1 приведены некоторые химические соединения – соли и двойные оксиды (шпинели), которые используют в качестве керамических пигментов для подглазурного декорирования. Из таблицы видно многообразие оттенков керамических красок. Однако необходимо помнить, что окончательный цвет керамической краски сильно зависит от условий обжига изделия.

    Внутриглазурные краски наносят так же, как надглазурные на глазурованное изделие и подвергают скоростному обжигу, при котором краски внедряются в глазурный слой. По температурам обжига и палитре внутриглазурные краски ближе к надглазурным.

    Помимо перечисленных выше соединений в качестве керамических пигментов используют для подглазурного декорирования препараты благородных металлов (золота, платины и др.) в виде органических соединений в растворителе, для надглазурного декорирования - люстры - соли смоляных кислот различных металлов, дающие после обжига перламутровый металлический блеск различных цветов.

    Керамические краски наносят на изделия следующими способами: ручной живописью - росписью, отводкой, декалькоманией, шелкографией, раскраской штампом, аэрографией (задувкой) или комбинацией нескольких способов.

    Роспись проводят вручную, используя для нанесения надглазурных красок или подглазурных красок кисти различной формы. Предварительно краски готовят, тщательно растирая их на стекле в связке. Используя па-литры из красок, уже прошедших обжиг, кальки с нанесенными рисунками, проколотыми через миллиметр (припудривая кальку, наложенную на изделие растертым углем, можно получить контуры будущего рисунка) или без предварительного рисунка наносят мазки краски непосредственно на изделие.

    Таблица 1

    Некоторые химические соединения, применяемые в качестве

    керамических пигментов для подглазурного декорирования





    Химические соединения

    Цвет после обжига

    Соли

    Ni(NO3)2

    Коричневый

    CoSO4

    Темно-синий

    K2Cr2O7

    Светло-зеленый

    FeCl3

    Охристо-серый

    MnSO4

    Телесный

    AuCl3

    Розовый

    Шпинели

    CoO·Al2O3

    Глубоко-синий

    FeO· Al2O3

    Охристо-желтый

    NiO·Al2O3

    Небесно-голубой

    MnO·Al2O3

    Розовато-бежевый

    CoO·Cr2O3

    Сине-зеленый

    FeO·Cr2O3

    Черно-коричневый

    NiO·Cr2O3

    Цвета зеленого мха

    MnO·Cr2O3

    Зелено-серый

    ZnO·Cr2O3

    Зеленовато-коричневый

    MgO·Cr2O3

    Грязно-зеленый

    CaO·Fe2O3

    Сине-черный

    NiO·Fe2O3

    Красновато-черный


    MnO·Fe2O3

    Сине-серый

    CuO·Fe2O3

    Сине-серый

    ZnO·Fe2O3

    Кирпично-красный

    MgO·Fe2O3

    Индийский красный
    1   2   3   4   5
    написать администратору сайта