Технология производства фарфора

ПРОИЗВОДСТВА ФАРФОРА

ВСТУПЛЕНИЕ

Производства фарфора.

1) Подбор материалов

2) Формование изделий

3) Сушка

4) Обжиг

5) Декорирование изделий

Заключение: классификация фарфоровых бытовых изделий

Процесс изготовления фарфора

ВСТУПЛЕНИЕ

Начнем с того, что характерные признаки фарфора — белый цвет с синеватым оттенком, малая пористость и высокая прочности, термическая и химическая стойкость и природная декоративность. Особенности определяются химическим составом и строением черепка, которые зависят от назначения изделия, условий их эксплуатации и предъявляемых к ним требований. Отметим, что фарфор — основной представитель тонкой керамики

Производства фарфора

1) Подбор материалов

Цель обработки сырья — разрушение природной структуры материалов до мельчайших частиц для получения однородной массы и ускорения взаимодействия частиц в процессе фарфорообразования.. Ее проводят в основном пластическим способом, который обеспечивает получение равномерной по составу массы

Пластичные материалы распускают в воде в лопастных мешалках. Эту массу в виде суспензии пропускают через сито (3600 — 4900 отверстий на 1 см2) и электромагнит для удаления крупных включений и железистых примесей

Фарфоровый бой промывают, подвергают дроблению и грубому помолу на бегунах, после чего просеивают. Тонкий помол производят в шаровых мельницах с фарфоровыми или уралитовыми шарами. Для интенсификации помола в мельницу вводят поверхностно-активную добавку — сульфитно-спиртовую барду (от 0,5 до 1%), которая, заполняя микротрещины, оказывает как бы расклинивающее действие. Помол ведут до остатка 1-2% на сите с 10 000 отверстий на 1 см2

Далее происходит сортировка отощающих материалов и освобождение от посторонних твердых примесей. Кварц, полевой шпат, пегматит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000шС, причем кварц претерпевает полиформные изменения, в результате которых растрескивается. Это, во-первых, облегчает помол, а во-вторых, позволяет удалить куски, загрязненные железистыми примесями, так как при обжиге кварц с примесями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет

Последний этап — смешивают составляющие материалы в мешалке пропеллерного типа. Однородную массу пропускают через сито и электромагнит и обезвоживают в специальных фильтр прессах или вакуум-фильтрах. Полученную пластичную массу влажностью 23-25% направляют на две недели на вылеживание в помещение с высокой влажностью. При вылеживании происходят окислительные и микробиологические процессы, гидролиз полевого шпата и образование кремниевой кислоты, что способствует разрыхлению массы, дальнейшему разрушению природной структуры материалов и повышению пластических свойств массы. После вылеживания массу обрабатывают на массомялках и вакуум-прессах для удаления включений воздуха, а также пластичности и других физико-механических свойств, необходимых для формирования изделий

2) Формование изделий

Для формования применяют гипсовые формы пористостью не менее 25%

Способы формования:

1. Для формования методом литья готовят сметанообразную массу — шликер влажностью 34-36%. В шликер добавляют для повышения текучести при минимальной влажности 0,1-0,2% электролита, что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изготавливают двумя способами — сливным и наливным

А) сливной способ: шликер заливают в разъемную гипсовую форму и оставляют в ней на определенное время. Гипс быстро впитывает влагу, и на стенках формы откладываются твердые частицы, которые образуют стенки изделия. Время выдержки определяют опытным путем, оно зависит от толщины стенки изделия, толщины стенок гипсовой формы и пористости. После выдержки шликер сливают, а гипсовую форму с изделием подвергают медленной сушке

Б) Полнотелые изделия сложной формы, например ручки для чайников, крышки, изготавливают наливным способом. Шликер наливают в гипсовую разъемную форму с соответствующими углублениями на внутренних поверхностях, где оно полностью затвердевает

Отметим, что методом литья в гипсовые формы изготавливают изделия сложной формы и емкостные. Для получения изделий сложной конфигурации используют разъемные формы

2. . Для пластического формования применяют полуавтоматы или автоматы. При этом используют массу влажностью 22-24%, из которой в зависимости от формы получают заготовки в виде пластов. Для изготовления плоских изделий помещают глиняный пласт, который разравнивают роликом при вращении формы. Для получения полых изделий, например чашек, заготовку массы помещают в форму и раскатывают специальным профильным роликом. Промежуток между роликом и формой заполняется слоем массы необходимой толщины. Наружная поверхность изделия формуется поверхностью формы, а внутренняя — роликом. Если на внутренней поверхности формы имеется углубленный рисунок, то он точно воспроизводится на наружной поверхности изделия

3. Подготовленную при полусухом прессовании пластичную массу высушивают до влажности 2-3%, тонко измельчают и получают порошок, в который добавляют пластификатор. Из этого порошка формуют изделие в металлических пресс-формах под большим давлением (25-30 МПа). Изделия имеют правильную форму, точные размеры, более высокую механическую прочность и небольшую влажность, что значительно сокращает время сушки перед обжигом. Данный вид используетсядля формирования плоских изделий небольшой толщины, например тарелок

3) Сушка

Для сушки применяют конвейерные, конвекторные (с направленной подачей теплоносителя на изделие), радиационные (с электрическим или газовым обогревом) и комбинированные сушилки, в которых время сушки значительно сокращается

Теплоносителями являются воздух и лучистая энергия, выделяемая керамическими панелями и другими поверхностями, которые обогреваются газом, реже — лампами накаливания. Все эти сушилки характеризуются высокой производительностью и минимальными затратами ручного труда на загрузку и выгрузку. Наиболее перспективно использование для сушки керамических изделий ультразвука, токов высокой частоты или инфракрасного излучения. Современные методы сушки позволяют регулировать температуру и время процесса в зависимости от толщины изделия

Сама сушка состоит из двух стадий:

-предварительная стадия (подвяливание) — в гипсовых формах и окончательная — без форм. Плоские изделия сушат только в гипсовых формах. Корпус полых изделий после предварительной сушки до влажности 14-16% вынимают из форм, соединяют с приставными деталями смесью шликера с декстрином;

-во время второй стадии изделия окончательно высушивают

В процессе сушки могут образоваться трещины (при неравномерной влажности массы), деформация и другие дефекты

Отметим, что изделия сушат до остаточной влажности 2-4%. При этом изделие приобретает достаточную для обжига прочность, исключается образование внутренних напряжений, приводящих к появлению трещин, деформации и т.д

Высушенные изделия перед обжигом зачищают наждачной бумагой, удаляют швы от пресс-форм, посторонние примеси и загрязнения. После зачистки изделия обдувают сжатым воздухом для удаления пыли

4) Обжиг

Здесь применяют печи непрерывного действия — туннельные, конвейерные с шагающим подом и роликовые щелевые, а также периодического действия — горны. В печах непрерывного действия поддерживается более строгий температурный режим, сокращается время обжига и обеспечиваются нормальные условия работы при загрузке и выгрузке. В качестве топлива используют нефть, газ и электричество (в электропечах)

Керамические изделия подвергают трем стадиям обработки:

1) Утельный обжиг в зависимости от состава черепка и назначения фарфоровых изделий проводят при температуре 900-1000шС, а политой — 1350-1400шС. При утельном обжиге удаляет механически и химически связанная влага, черепок приобретает необходимую прочность при достаточной для впитывания глазури пористости. Реакции взаимодействия исходных компонентов массы протекают в твердой фазе

После утельного обжига керамические изделия либо декорируют послегазурными красками, газурируют и подвергают политому обжигу, либо глазуруют, обжигают и декорируют

2) Фарфоровые изделия после утельного обжига чаще всего глазуруют , а затем обжигают. Тугоплавкую глазурь в виде суспензии наносят методом окунания, обливания и пульверизацией.

После глазурования с ножки или верхнего края форфорого изделия счищают глазурь, чтобы предупредить сплавление х с подставкой во время политого обжига или другими изделиями при обжиге «в спарку». Это отличительный признак фарфоровых изделий; фаянсовые изделия полностью покрывают глазурью

    1. Политой обжиг можно разделить на ряд периодов, каждый из которых протекает при определенном температурном режиме и газовой среде, что обеспечивает постепенное формирование черепка с необходимыми свойства.

Итак:

А) Температура до 900-940шС; скорость подъема температуры 100-140шС в час. Во время этого этапа из массы удаляется остаток гигроскопической влаги, происходит разложение глинистых веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В этот период поддерживает окислительная газовая среда. Реакция протекает в твердой фазе, начинается спекание черепка, которое сопровождается усадкой

Б) Для второго этапа температуре 940-1040шС + сильно окислительная среда. В этот период выравнивается температура, завершается выделение остатков гидратной воды и полностью выгорает сажистый углерод. Вследствие расплавления полевого шпата образуется жидкая фаза, которая цементирует твердые частицы и обуславливает повышение механической прочности черепка. Происходит процесс кристаллизации глинозема и начинает образовываться муллит. Отметим, что если углерод не выгорит до расплавления глазури в третьем периоде, то изделие будет иметь серую или буроватую окраску либо покроется мельчайшими кратерообразными точками — наколами

В) Температура 1040-1250шС + восстановительная среда, которая необходимая для перевода окисного железа в закисную формы.. На этом этапе вначале образуется силиманитоподобный ангидрид, а затем муллит и кремнезем в виде кристобалита. Продолжается спекание черепка, сопровождающие интенсивной, так как кристаллические частицы соединяют вязким расплавом. При температуре выше 1200шС вязкость расплава снижается, и на границе твердой и жидкой фаз сближаются под действием поверхностных сил частицы кварца, продукты разложения каолинита и кристаллы муллита. Образование легкоплавкого силиката закиси железа способствует развитию жидкой фазы. На этом этапе начинается расплавление глазури. Скорость подъема температуры — 30-35шС в час. Важно знать, что закись железа образует силикаты, который придают черепку голубоватую оттенок

Г) Температура начинается от 1250шС и заканчивается при 1380-1410шС + в нейтральная среда. Происходят окончательное спекание черепка, разлив глазури и сплавление с черепком. Активнее протекает процесс взаимодействия полешпатовго стекла и аморфного кремнезема из каолинитового остатка, что способствует заполнению промежутков между кристаллами муллита. Одновременно укрупняются кристаллы муллита в полешпатовом стекле и уменьшаются размеры остаточного кварца. Протекают диффузионные процессы, обуславливающие равномерное распределение кристаллических новообразований в черепке

Далее изделие выдерживается при максимальной температуре в течение 1,5-3 ч. Чем продолжительнее выдержка изделий, тем больше образуется кристалла муллита. Игольчатые кристаллы муллита, переплетаясь, способствуют повышению механической прочности и термической стойкости черепка. При этом ускоряется процесс муллитизации за счет растворения кварца в стекле и насыщения его кремнеземности. Образующиеся кристаллы муллита как бы врастают в стекло, в нерастворившихся зерна кварца

Интересно, что при повышении температуры обжига уменьшается пористость черепка, так как пустоты заполняются стекловидной массой и другими структурными элементами, однако при этом выделяются газы из полевошпатового стекла, вспучивается черепок и снижается качество изделий

Д) Изделие выдерживается при максимальной температуре обжига и начинается процесс охлаждения. до температуры 600-530шС со скоростью 250-200шС в час и процесс резко замедляется, при этом происходят ионные модификации, сопровождающиеся большими изменениями объемов, в результате чего возникают внутренние напряжения. Помимо этих напряжений, возникают напряжения вследствие перехода стекловидной массы из пластического состояния в упругое

Продолжительность всего процесса данного вида обжига в туннельных печах от 18-22 до 32-34ч

Для сокращения цикла на до 3-5ч, снижения расхода топлива, повышения производительности труда, уменьшения себестоимости готовой продукции на некоторых предприятиях керамические изделия, в том числе и фарфоровые, подвергают однократному бескапсельному обжигу. Главная задача однократного обжига — обеспечение непромокаемости черепка при глазировании изделий, высушенных до содержания влаги 1%. С этой целью в массу вводят высушенные до 4-7% трошковской глины или специальных пластифицирующих добавок, способствующих повышению водостойкости, в том числе и некоторые виды пластических масс

Из недостатков: при обжиге на изделиях могут образоваться следующие дефекты: искажение размеров и формы, щербины, задувка, прыщи, пузыри, засорка, желтоватый оттенок и т.д. После обжига изделия проверяют для выявления дефектов. Изделия, отвечающие предъявляемым к ним требованиям, декорируют

5) Декорирование изделий

Эта самая последняя стадия производства фарфора. Она заключается в украшении изделий подглазурными и надглазурными красками, препаратом золота, растворами солей, красящих окислов и декоративными глазурями с последующим обжигом

В зависимости от характера поверхности декорирование изделий может быть:

1). Рельефное декорирование — это нанесение на поверхность изделий выпуклых ил заглубленных украшений

    1. К выпуклым относится рельеф, получаемый при формовании путем лепки, к заглубленным — врезывание, сверление и вдавливание на поверхности.

В зависимости от назначения и природы изделий выбирают вид разделки, при этом необходимо учитывать естественную красоту черепка, украшение должно сочетаться с его естественными особенностями и подчеркивать их, а не затушевывать. Для фарфора в основном применяют гладкое надглазурное декорирование, иногда рельефное и подглазурное

Заключение: классификация фарфоровых бытовых изделий

Фарфоровые изделия бытового назначения классифицируютсяЖ

по форме, размерам, наличию глазурного слоя, назначению, комплектности, видам и группам сложности разделок и сортам

    • по форме изделия делят на полые и плоские;
    • по размерам — на мелкие и крупные;
    • в зависимости от наличия глазурного слоя различают изделия глазурированные и неглазурированные;
    • по назначению фарфоровые изделия на бытовую посуду, художественно-декоративную и прочие;
    • по комплектности — одиночные и в виде комплектов; особенностью изделий, входящих в комплект, является единство декоративного оформления, конструкции и формы;

Выпускают комплектную посуду в виде сервизов, гарнитуров, наборов и подарочных комплектов, предназначенных для двух, четырех, шести и двенадцати человек. По функциональному использованию она подразделяется на столовую, кофейную, чайную, закусочную, для вина, пива и воды, прочую и изделия художественно-декоративного назначения

В разделе изложены основы технологии и приведены технологические схемы производства тонкокерамических изделий хозяйственно-бытового, строительного и технического назначения. Даны характеристики сырьевых материалов и оборудования, а также технико-экономические показатели производства. Особое внимание уделено технологии изделий из фарфора и фаянса хозяйственно-бытового назначения.

Предназначен для учащихся средних учебных заведений.

В производстве фарфоровых и фаянсовых изделий происходят глубокие качественные изменения: механизация и автоматизация технологических процессов, обновление и расширение ассортимента, совершенствование структуры производства, освоение новых видов изделий. Только за годы десятой пятилетки внедрено 160 поточных механизированных и 87 автоматизированных линий, 390 полуавтоматов, сооружено 22 туннельных и 27 конвейерных и роликовых печей. Значительно выросла производительность труда в отрасли. Все это позволило довести выпуск фарфоровых и фаянсовых изделий бытового назначения до 1109 млн. шт. Однако несмотря на значительный рост выпуска изделий, спрос населения в них удовлетворяется всего на 83%.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, принятыми на XXVI съезде КПСС, решениями последующих Пленумов ЦК КПСС предусматривается дальнейший рост благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы, в частности, более полное удовлетворение спроса на предметы культурно-бытового и хозяйственного назначения.

В связи с этим производство изделий бытового назначения из фарфора и фаянса к 1985 г. возрастет на 30,6% за счет повышения коэффициента использования производственных мощностей с 82 до 98%, реконструкции действующих и ввода новых заводов. Значительно изменится ассортимент изделий. Доля фарфора в общем объеме производства керамической посуды повысится с 72 до 76%, полуфарфора с 4,6 до 11%, фаянса — снизится с 18 до 12%.

Будет увеличен выпуск изделий из полуфарфоровых масс для предприятий общественного питания, а изделий из костяного фарфора — до 2,5 млн шт.

в год. Более рациональным станет размещение мощностей по производству изделий из фарфора и фаянса. В общем объеме производства доля РСФСР понизится с 51 до 47%, УССР с 31,5 до 22%, повысится доля республик Средней Азии с 6,9 до 16,5%, Казахстана с 0,8 до 3,2%.

Перспективы развития производства фарфоровых и фаянсовых изделий предусматривают проведение значительных работ по расширению и улучшению сырьевой базы отрасли. Будет расширено использование предварительно обогащенных сырьевых материалов, а также организовано централизованное приготовление пластичной массы и шликеров.

Особое внимание будет уделено применению порошковых масс для полусухого гидростатического прессования плоских изделий из фарфора и полуфарфора, а также масс для «полужесткого» формования и др. На ряде заводов вместо фильтр-прессов будут построены распылительные сушилки, использованы тепловые агрегаты более совершенных конструкций, применены новые типы уплотненной садки изделий, осуществлены мероприятия по снижению расхода топлива и электроэнергии.

Все более совершенствуется процесс декорирования изделий с применением автоматов, термопластической деколи и красок, проникающих в глазурь («вжигаемых») и закрепляемых при более высоких температурах обжига.

Осуществление намеченных мероприятий позволит повысить в одиннадцатой пятилетке производительность труда в отрасли на 44% и фондовооруженность в 1,5 раза.

Дальнейшее развитие получит производство фаянсовых облицовочных плиток, санитарно-строительных изделий, изделий электротехнического назначения и др. В производстве фаянсовых облицовочных плиток создаются конвейерные линии мощностью 800 и 1000 тыс. м2 в год, расширяется их ассортимент за счет освоения новых способов декорирования и более широкого использования цветных глазурей. Общий объем выпуска к 1985 г. возрастет до 33 млн. м2 плиток в год.

В производстве санитарно-строительных изделий будет завершен переход на фарфоровые и полуфарфоровые массы взамен фаянсовых, расширится количество изделий, изготовляемых на механизированных стендах. Общий объем выпуска к 1985 г. составит около 10 млн. изделий. Основным направлением развития тонкокерамических производств на ближайшие годы явится повышение качества и расширение ассортимента изделий на основе использования новейших достижений науки и техники. Изучение технологии производства керамических изделий из фарфора и фаянса, способов ее дальнейшего усовершенствования и повышения эффективности составляет основное содержание данного учебника для студентов средних специальных учебных заведений по специальности «Технология керамики». В нем использованы данные современных достижений науки и техники, а также передовой опыт заводов по производству фарфоро-фаянсовых изделий.

Главная — Уроки — Авторский фарфор глазами художника

11. Технология изготовления фарфора (для любителей)

Поскольку этот материал предназначен для любителей, есть необходимость рассказать о некоторых этапах производства фарфора, которые очень хорошо знакомы профессионалам, но остаются вне поля зрения всех остальных людей. Многие коллекционеры и продавцы фарфоровых изделий никогда не были на производстве и не имеют необходимых знаний.

Самые часто задаваемые вопросы дали мне возможность понять, что в целом народ не имеет никаких возможностей для получения простых ответов, не требующих погружения в технологические сложности.

Самый распространённый вопрос: Почему изделия из фарфора полые внутри?

Конечно, вопрос относится к скульптуре и посудным формам. Есть плоские изделия, которые делаются методом формования или прессования и не имеют внутри полостей.

Есть процессы, которые лучше показать, чем объяснять. Для начала рекомендую посмотреть небольшой фильм о производстве фарфора:

Жидкая сметанообразная масса (фарфоровый шликер) заливается на определённое время в гипсовую форму. Гипс впитывает влагу, образуя черепок изделия. Как только толщина черепка становится достаточной, оставшийся в форме шликер выливается через сливное отверстие. Толщина стенок изделия, в зависимости от его объёма, может быть от 3 мм. до 8 мм.

Фарфор, в процессе изготовления, имеет воздушную и огневую усадку, т.е. пропорционально уменьшается в размере на 14-16% от исходной модели. (фото).

Температура политого обжига фарфора 1350-1410 градусов. Процент усадки зависит от конечной температуры. В камерных печах температура может быть разной в зависимости от места в печи. Соответственно, разной будет и усадка. Усадка зависит и от толщины стенок (черепка) изделия. Чем толще стенки, тем больше усадка. Если изделие отлито со слишком толстыми стенками и стенки имеют неравномерную толщину, то при политом обжиге у него может проявиться на поверхности деформация. Слишком тонкое изделие ещё в большей степени деформируется при политом обжиге. Большая часть брака фарфоровых изделий проявляется после политого обжига: мушки, наколы глазури, плешины (проступление матового черепка, в следствие неравномерной толщины глазури), пузыри, сборка глазури и т.д. Следует сказать, что процент брака после политого обжига может доходить до 50% при норме в 15%.

На крупных производствах приготовление шликера контролируется технологами из ЦЗЛ. Плотность шликера составляет 1,72 гр на 1 кубический см. Плотность замеряется ареометром. Плотность глазури 1,28 гр. Глазурь разводится в большой ёмкости для того, что бы можно было свободно окунуть изделие полностью. При высыхании могут образоваться капли и подтёки, которые аккуратно убираются с изделия с помощью войлока. Для того, что бы приготовить изделие к ставке в обжиг, донышко полностью зачищается от глазури и замывается влажной губкой. В печь изделие ставится на карборундовые плиты, покрытые каолином. Каолин предохраняет изделие от прилипания к плите в процессе обжига.

Первый утельный обжиг проводится при температуре до 900 градусов для закрепления черепка и последующей глазуровки.

Процессы проходящие при обжиге фарфора подробно описаны в специальной литературе. При обжиге в электрических печах происходит постепенный подъем температуры, который отображается на контрольных приборах и при необходимости тестируется с помощью керамических конусов, которые имеют заданную температуру плавления. Конус с определённой температурной меткой оплавляется и касается вершиной основания при достижении необходимой температуры. Политой обжиг фарфоровых изделий лучше производить в газовых печах, в которых можно добиться наибольшей белизны фарфора. В газовой печи происходит ещё смена режимов с помощью регулировки подачи воздуха и газа. Возможен скоростной обжиг фарфоровых изделий, при котором хорошо просушенные изделия могут нагреваться со скоростью до 900 градусов в час в резко окислительной среде с увеличением подачи воздуха. При скоростном обжиге начало восстановительного периода соответствует температуре 1000 градусов, окончание 1200 градусов (увеличение подачи газа). Дальнейший подъём температуры идёт при слабо восстановительной среде. Обычно для каждой газовой печи составляется оптимальный график обжига с прописанными показателями давления газа и воздуха. Опытные обжигальщики со временем определяют температуру в печи по цвету пламени. По достижении нужной температуры делается выдержка в течение 15 минут для выравнивания температуры во всём объёме печи, после чего подачу газа прекращают. Потом печь с помощью продувки воздухом охлаждают. От 1350 до 900 градусов возможно быстрое охлаждение. Далее лучше проводить естественное охлаждение, при котором печь менее разрушается.

Для тех читателей, которые захотят более подробно остановиться на технологии обжига, я даю цитату из справочника: «Политой обжиг можно разделить на ряд периодов, каждый из которых протекает при определенном температурном режиме и газовой среде, что обеспечивает постепенное формирование черепка с необходимыми свойствами.

Первый период обжига фарфора (20-950°С) характеризуется различными физико-химическими реакциями, зависящими от предварительной подготовки изделий к политому обжигу, а также от сушки изделий после глазурования. Предварительная подготовка зависит от степени первого обжига и определяется наличием в составе изделий газообразных продуктов.

В первую очередь удаляется остаточная механически связанная и гигроскопическая вода. Оба вида воды испаряются при температуре 110-130°С.

После прогрева фарфоровых изделий осуществляется более интенсивный подъем температуры. В этом интервале температур происходит окончательная дегидратация глинистого вещества и полное удаление химически связанной гидратной воды, если этот процесс не получил завершения при первом обжиге. Наиболее активно пары гидратной воды выделяются в интервале температур 500-600 °С.

Поскольку при указанных температурах фарфор обладает еще достаточно большой пористостью, бурное выделение влаги в этот период не приводит к растрескиванию черепка изделий. Печная газовая среда не влияет на удаление гидратной воды.

Примерно с температуры 200 до 500°С изделия при обжиге поглощают (адсорбируют) сажистый углерод из дымовых газов. Выше 700°С начинается его постепенное выгорание, которое более активно происходит в окислительной среде. Одновременно осуществляется возгонка органических веществ, содержащихся в глинистых материалах, которая также сопровождается науглероживанием черепка. Чтобы уменьшить науглероживание изделия в этом интервале температур поддерживают окислительную газовую среду (? = 2-4).

Не выгоревший при достижении 1000°С углерод, как и остатки не удаленной влаги, на более поздних этапах обжига способствуют образованию вздутий в виде «прыщей» в результате закрытия жидкой фазой, которая начинает образовываться при температуре 950°С, некоторой части капилляров в обжигаемом черепке.

Не выгоревший к началу восстановительного периода адсорбированный черепком углерод может вызвать дефекты и в последующих периодах обжига фарфора, особенно в начальный период охлаждения, поскольку после периода восстановления, когда соотношение СО:СО2 станет меньше 0,1, возможно его выгорание с образованием газовых пузырьков, обусловливающих возникновение на фарфоре наколов и кратеровидных углублений.

Органические вещества так же, как и адсорбированный углерод, должны быть полностью удалены из черепка к началу восстановительного периода в резко окислительной газовой среде с избытком свободного кислорода (около 4-6%), поскольку при температуре свыше 1050°С обжиг уже ведется в восстановительной атмосфере.

Необходимость выжигания органических веществ до температуры 950°С обусловлена еще и тем, что при этой температуре фарфор обладает достаточно высокой пористостью (газопроницаемостью), способствующей беспрепятственному выходу газов, которые образуются при сгорании органических веществ. Продолжительность выжигания органических веществ из фарфора зависит от его толщины и содержания кислорода, а также от объема садки.

В этом периоде (при температуре 575°С) обжига происходит реакция превращения ?-кварца в ?-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 ?- в ?-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 Fe2O3 придает 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.»

Михаил Обрубов, 15 июня 2013 г.

К оглавлению уроков фарфора

Добавить комментарий

Закрыть меню