Технология производства фарфоровой и фаянсовой посуды

В этом периоде (при температуре 575°С) обжига происходит реакция превращения β-кварца в α-кварц, которая сопровождается увеличением объема изделий, что, однако, не вызывает появления дефектов. Объясняется это наличием большого количества пор в нагреваемой фарфоровой массе. Кроме того, при расширении в поверхностных слоях изделия возникают сжимающие усилия, которым материал хорошо сопротивляется.

До температуры 1000°С заканчивается декарбонизация (термическое разложение) углекислых магния MgCO3 и кальция СаСО3, присутствующих в фарфоровой массе. Карбонат магния MgCO3 начинает разлагаться при температуре 650°С, а карбонат кальция СаСО3 - при 920°С.

При таких относительно низких температурах материал имеет еще большую газопроницаемость, что способствует беспрепятственному выходу образующегося при разложении карбонатов углекислого газа СО2.

Второй период обжига протекает при температуре от 950 до 1050°С в резко окислительной среде. В этот период кроме завершения реакции декарбонизации и превращения β- в α-кварц происходит интенсивное выгорание углерода в черепке, полное освобождение материала от остатков гидратной воды, а также окисление соединений железа.

Нагрев изделий во второй период обжига носит почти изотермический характер, что способствует выравниванию температурного поля в объеме садки изделий.

Третий период обжига - восстановительный. Восстановительный период создается увеличением концентрации СО в продуктах горения топлива в температурном интервале 1050-1250°С. Оксид углерода СО восстанавливает оксид железа Fe2O3 до оксида FeO, а сульфаты кальция CaSO4 и натрия Na2SO4 - до сульфидов и сульфитов, что предотвращает вспучивание черепка и способствует созданию эффекта "отбеливания" фарфора. Кроме того, FeO благоприятствует образованию стекловидной (жидкой) фазы, расширяет интервал спекания. Стекловидная фаза, в свою очередь, способствует интенсивности протекания реакции муллитообразования (муллит - основная составляющая кристаллической фазы фарфора).

Реакции восстановления оксида железа Fe2O3 до FeO осуществляется по следующим схемам:

3Fe2O3 + СО = 2Fе3О4 + CO2

Fe3O4 + СО = 3FеО + CO2

O2 + 2СО = 2CO2

2FeO+ SiO2 = 2FеО•SiO2

Повышение температуры в этот период обжига и концентрации СО ускоряет реакции, но при слишком интенсивном или слишком позднем (по температуре) процессе восстановления скорость образования стекловидной фазы может превзойти скорость восстановительных реакций, и газы, не найдя выхода из черепка, вызовут образование в нем вздутий. Стекловидная фаза образуется в основном в интервале температур 1150-1170°С, хотя в небольшом количестве она образуется уже при температуре 950-1000°С. В фарфоровой массе присутствуют и другие компоненты, выделяющие газы при нагреве, поэтому эти газы должны быть также удалены до достижения температуры 1170°С, т. е. до плавления полевого шпата, когда фарфор обладает еще достаточной газопроницаемостью.

Реакции восстановления сульфатов кальция CaSO4 и натрия Na2SO4 протекают по следующим схемам:

CaSO4 + CO = CaSO3 + CO2

CaSO3 + СО = СаО + SO2 + CO2

Na2SO4 + CO = Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + CO = Na2O + SO2 + CO2

Если восстановительную среду в этот период заменить окислительной, то разложение сульфатов закончится при температурах, превышающих точки плавления полевого шпата, что также приведет к образованию вздутий. Восстановительная среда значительно снижает температуру газовыделения компонентов массы, что способствует получению бездефектного (без вздутия) черепка.

В продуктах горения СО может содержаться в количестве от 3 до 8% в зависимости от типа печи. Увеличение содержания СО нежелательно, так как при этом в продуктах горения образуется сажа, которая осаждается на изделиях. При дальнейшем ее выгорании могут возникнуть дефекты на глазури - наколы.

Продолжительность восстановительного периода определяется в основном толщиной и формой обжигаемых изделий.

Рассматриваемый температурный интервал 1050-1250°С сопровождается интенсивной усадкой массы. При этом капилляры и поры в черепке постепенно закрываются, а диффузия газов затухает. Наиболее интенсивно усадка протекает в интервале температур 1000-1200°С. Наибольшая усадка соответствует и наибольшему уплотнению черепка.

Четвертый период обжига (1250-1410°С) - спекание фарфора - протекает в условиях нейтральной среды.

В этот период продолжается разложение алюмосиликатов, содержащихся в керамической массе, на свободные оксиды с последующим образованием муллита (3А12О3 • 2SiO2) и свободного кварца; завершается образование стекловидной и кристаллической фаз; происходит спекание фарфора, при котором он приобретает основные физико-механические свойства, а также химическую стойкость.

Этот период протекает от температуры 1250°С до конечной температуры обжига, величина которой в зависимости от состава фарфоровой массы может колебаться от 1280 (мягкий фарфор) до 1410°С (твердый фарфор). Чтобы получить требуемую микроструктуру, характеризующуюся закрытой пористостью от 2 до 4%, оптимальную температуру обжига устанавливают на 20-50°С выше температуры наибольшего уплотнения. Повышение температуры выше оптимальной вызовет пережог фарфора, при котором снижается белизна, увеличивается пористость, уменьшается прочность изделий.

Четвертый период обжига завершается выдержкой при максимальной температуре в течение времени, необходимого для завершения реакций спекания, а также более равномерного распределения кристаллической фазы в стекловидной. Длительность выдержки зависит от объема обжигаемых изделий. Чрезмерное увеличение выдержки вызывает пережог изделий. Отсутствие же выдержки при быстром подъеме температуры от 1250°С до максимальной создает недожог изделий.

Пятый период обжига - резкое охлаждение. При охлаждении фарфора большое значение имеет точка перехода стекловидной фазы из расплавленного в твердое упругое состояние и точка отверждения глазури.

Температуре перехода в твердое состояние соответствует точка отверждения глазури на фарфоре. У глазypeй твердых фарфоров эта точка находится около температуры 700°С, у глазурей мягких фарфоров - 550°С. Для того чтобы между черепком и глазурью не появились термические напряжения, рекомендуется снижать скорость охлаждения в этих интервалах температур. В противном случае может возникнуть растрескивание глазурного покрова. Чрезмерно замедленное охлаждение может привести к потере блеска глазури из-за ее кристаллизации.

На начальной стадии охлаждения (1410-1000°С) на фарфоровых изделиях могут возникнуть два вида дефектов: желтизна на поверхности и матовость глазури. Желтизна возникает в результате окисления железа: 4FeO + O2 = 2Fe2O3. Оксид железа Fe2O3придает желтый оттенок поверхности изделий. Хотя желтый оттенок не ухудшает остальных свойств фарфора, но при этом портится внешний вид изделия. Желтизна может быть устранена при повторном обжиге, выполненном по нормальному режиму. Матовость глазури возникает из-за ее кристаллизации.

При быстром охлаждении от 1410 до 1000°С в воздушной (окислительной) среде в связи с большой интенсивностью начальной стадии охлаждения окисление FeO и кристаллизация глазури становятся невозможными, вследствие чего черепок сохраняет белизну и блеск глазури.

Шестой период обжига - охлаждение. При дальнейшем охлаждении в интервале температур 1000-700°С жидкая фаза окончательно затвердевает и фарфор переходит из вязкого состояния в хрупкое. В этот период в изделии возникают термические и механические напряжения. Термические напряжения, возникшие из-за разности температур в период упругого состояния, исчезают после выравнивания температуры по толщине изделий, поэтому их называют временными. Термические напряжения могут привести к разрушению изделий при охлаждении. При застывании жидкой фазы в изделии возникают механические напряжения вследствие неравномерности усадки массы по ее толщине. Такие напряжения могут также привести к разрушению изделий как в процессе охлаждения, так и у потребителя. Поэтому механические напряжения называются остаточными.

Временные и остаточные напряжения зависят от скорости охлаждения изделий в этот период. Допустимая скорость охлаждения зависит от свойств материала, размеров и формы изделий, а также от объема садки. Для уменьшения напряжений обоих видов скорость охлаждения в этот период несколько снижается. Дальнейшая скорость снижения температуры определяется термической стойкостью изделий и огнеприпаса.

2.6 Характеристика процессов  декорирования изделий

Декорирование изделий в производстве керамики осуществляется в основном после высокотемпературного обжига, который окончательно формирует керамическое изделие. Существует множество способов декорирования изделий после сушки и первого обжига, которые по их воздействию на поверхность изделия подразделяются на текстурное (рельефное и фактурное) и гладкое декорирование.

К текстурному виду декорирования относятся выпуклые и заглубленные украшения поверхности изделий.

Выпуклые украшения поверхности изделий в виде рельефа и приставных деталей характерны для фаянса и в меньшей степени для фарфора.

Техника создания рельефов определяется пластичностью декорируемого материала. Украшения можно вылепить из пластичной массы и приклеить к поверхности изделия, находящегося в кожетвердом состоянии. Кожетвердое состояние черепка наиболее удобно для декорирования, так как размеры и конфигурация изделия при дальнейшей сушке значительно не изменяются и его механическая прочность достаточна для работы с изделием без его повреждений.

Перед приклейкой украшения на поверхности изделия в месте приклейки делают насечки, которые смазывают с помощью беличьей кисти густым шликером или, если декорируемая поверхность изделий выполнена из цветной массы, смачивают водой, затем приставляют деталь, прижимая ее к изделию, после чего места присоединения заглаживают кистью.

Таким образом можно приклеивать выпуклые украшения в виде рельефа, оформленные отдельно в гипсовых формах и подготовленные для приклейки (деталь подвяливают и оправляют - подрезают резачками и заглаживают мокрой губкой, поверхность выравнивают). Чтобы защитить изделия и детали украшения от пересыхания, их покрывают влажной тряпкой или закрывают полиэтиленом, стараясь не касаться их поверхности.

Иногда декорирование рельефом осуществляют штампиками с помощью отпечатков. Штампики изготовляют из обожженной массы, дерева или гипсового вяжущего. Чтобы масса не прилипала к штампику, его поверхность смачивают водой или смазывают маслом. Рельеф получают, надавливая штампиком на прикрепленный к поверхности изделия кусочек массы. Если необходимо, отпечаток рисунка подчищают стекой. На фарфоровых изделиях рельеф получают в результате оформления его в гипсовых формах, на внутренней стороне которых имеется контррельефное изображение.

Рельефные украшения могут быть выполнены из цветных масс, для окраски которых применяют керамические пигменты. Цветными рельефными украшениями декорируют гончарные и майоликовые изделия, после чего их покрывают глазурями. Рельефные рисунки, покрытые цветной или бесцветной глазурью, создают игру бликов и теней.

Заглубленные украшения изделий выполняют различными способами: молетажем, ажуром, инкрустацией, сграффито, резьбой.

Инструментом для текстурного декорирования в виде заглубленного украшения служит штампик. Надавливая штампиком в определенной последовательности на поверхность еще сырого изделия, создают орнаментальный рисунок. Штампиком, выполненным в виде ролика с осью и ручкой, можно накатывать углубленный орнамент.

Молетаж - это способ нанесения на изделие ритмического орнаментального рисунка вдавливанием специального колесика или системой валиков в накатной машинке. Углубления заполняют цветным ангобом. В керамическом производстве молетажем наносят преимущественно бордюры.

Ажур - разновидность заглубленного украшения изделий. Для выполнения этого вида декорирования рисунок наносят на изделия при формовании в гипсовой форме в виде тонкой вдавленной линии (на гипсовой форме - это выпуклая линия). По контуру рисунка в местах, которые должны быть вырезаны, ручным сверлом высверливают отверстия, затем специальным ножом вырезают сквозной орнамент. Декоративный ажур применяют в основном на фаянсовых изделиях или иногда на фарфоровых.

При инкрустации производят вырезание рисунка под определенным углом, не сквозное, аналогично тому, как при получении ажура. Затем в образованные углубления запрессовывают окрашенные массы, состав которых близок к составу массы черепка. Инкрустацию применяют на фаянсовых и других близких к фаянсу по свойствам керамических изделиях.

Сграффито по приемам работы аналогичен гравированию. Поверхность изделия, предназначенную для гравирования, покрывают тонким слоем ангоба более светлого тона, чем само изделие. Ангоб подсушивают до полутвердого состояния. Влажность сырого ангоба, при которой удобно выполнять работу, определяют опытным путем (19-20%). Чтобы смягчить ангобный слой и предотвратить его пересыхание, в ангоб добавляют несколько капель глицерина. Рисунок переносят на поверхность изделия припорашиванием через кальку, проколотую по контуру рисунка толстой иглой.

Способом сграффито можно выполнять силуэтные, орнаментальные рисунки. Иногда применяют трехслойное покрытие цветными ангобами. Штрихи в этом случае гравируют, снимая послойно ангоб и частично черепок изделия, комбинируя при этом три цвета.

Для декорирования фарфоровых изделий применяют резьбу.

Резьба отличается от сграффито более глубокими линиями, проведенными острием карандаша или острым инструментом в мягком цветовом слое ангоба или в неокрашенном черепке. Изделие, декорированное этим способом, покрывают цветными или бесцветными глазурями. Глазурь благодаря образовавшемуся в углублениях более толстому слою выделяет рисунок.