Характеристики керамических масс

Рассмотрим основные характеристики керамических масс.

Влажность  – отражает общее количество воды, содержащееся в керамической массе. В керамике чаще пользуются абсолютной влажностью W_абс - это количество воды, содержащееся в готовой керамической массе, отнесенное к массе сухого вещества, выраженное в процентах.

Формовочная влажность керамической массы  – отражает количество воды, необходимое для придания массе нормальной рабочей консистенции. Обычно формовочная влажность составляет – W_форм  =  20 ± 5 %.
Перед работой кусочку керамической массы придают шарообразную форму. Это предотвращает преждевременное высыхание массы и появление неравномерно увлажненных участков.

Интервал обжига  – указывает интервал температур, в пределах которого изделие приобретает определенные свойства: набирает необходимую пористость, прочность. Во время обжига керамических масс следует строго соблюдать указанный производителем интервал обжига.

По температуре обжига массы делятся на:
1) низкотемпературные - с температурой обжига до 1100°С
2) среднетемпературные - 1100°С - 1200°С
3) высокотемпературные - от 1200°С

Дефекты глазури нередко появляются вследствие недожога или пережога черепка в первом, утильном обжиге. 

Если черепок обжигать ниже указанной границы, то может произойти его недожог. В результате недожога некоторые физико-химические процессы, которые обычно протекают в керамической массе во время спекания, могут остаться незавершенными  –это перенос вещества в пространство между зернами, перекристаллизация имеющихся в составе глины минералов и кристаллизация новых, различные химические реакции, в том числе с выделением газообразных веществ и т.д. При недожоге есть риск не достигнуть необходимой прочности изделия. Недожог проявляется в слишком активном взаимодействии черепка с глазурью в последующем политом обжиге, что может отразиться на качестве глазурного покрытия. Могут произойти: изменение цвета глазури, матовость, появление пузырьков, наколы и другие дефекты, вплоть до закипания глазури.

Обжиг выше указанной границы температуры может вызвать пережог, который обычно приводит к значительному и неравномерному снижению пористости изделий, потере формы, изменению цвета. Во время пережога может произойти резкое увеличение стекловатой фазы в черепке, что также ведет к потере прочности изделий и даже к их деформации и разрушению. Пережог черепка в утильном обжиге может привести к появлению сборки во втором, политом обжиге.

Пластичность  – отражает способность керамической массы изменять форму под действием деформирующей силы без разрывов и трещин и сохранять ее при устранении внешнего воздействия. Обычно характеризуется числом пластичности IP (индекс Аттерберга).

Число пластичности IP отражает интервал влажности, в котором керамическая масса сохраняет пластичное состояние. Обычно указывается как безразмерная величина.
IP = Wт – Wp
Где  Wт – влажность массы, соответствующая границе текучести, в абсолютных процентах. Выше этой границы – масса превращается в шликер.
Wр – влажность массы, соответствующая границе раскатывания пласта, абсолютный процент. Ниже этой границы – пласт перестает раскатываться и начинает крошиться.
Во время работы влажность края пласта может стать меньше границы раскатывания, и пласт начнет крошиться. При этом середина пласта может сохранять формовочную влажность W_форм.
Чем выше пластичность IP, тем шире интервал влажности керамической массы, в котором она сохраняет свое рабочее состояние. Пластичность керамической массы зависит от пластичности составляющих ее глин и количества отощающих добавок.
Различают высокопластичные массы, с числом пластичности 25-30, среднепластичные 25-20, умереннопластичные 20-15 и малопластичные с IP <15.

Карбонаты – мел, доломит, карбонат бария и др. - относятся к группе отощающих материалов и одновременно плавней. Во время обжига карбонаты разлагаются с выделением углекислого газа, что до определенной температуры способствует сохранению пористости изделий и в дальнейшем облегчает нанесение глазури на черепок. Поэтому массы с карбонатами часто используются в качестве учебных масс.  
Обжиг керамических масс, содержащих большое количество карбонатов (больше 15%), обычно проводят по удлиненному графику, с низкой скоростью обжига 75-100°/час на конечном этапе обжига в интервале температур 800-1000°С и выше. Если скорость нагрева будет выше, углекислый газ может остаться в порах изделия. Это повлечет за собой дефекты глазурного покрытия в последующем политом обжиге.

Воздушная усадка керамических масс показывает сокращение линейных размеров изделия после сушки. Выражается в процентах от начального размера сырого изделия. Усадка происходит в результате уменьшения толщины водных оболочек вокруг частиц глины и сближения частиц под действием сил капиллярного давления. Усадка керамической массы зависит как от вида глин, входящих в ее состав, так и от вида и количества отощающих компонентов.

Огневая усадка –  это сокращение линейных размеров образца при обжиге на определенной температуре.
Огневая усадка происходит в результате общего воздействия всех физико-химических процессов, происходящих в керамических массах во время обжига: дегидратации минералов, переноса материала за счет диффузии, перекристаллизации и образования новых минералов, а также за счет сближения частиц под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы во время  спекания. В некоторых случаях огневая усадка может быть очень маленькой или даже иметь некоторую отрицательную величину. Это возможно, если во время обжига образование новых минералов или перекристаллизация прежних происходит с увеличением объема. Часто этот эффект наблюдается в керамических массах с высоким содержанием карбонатов. Низкотемпературные массы с шамотом также имеют небольшую усадку обжига. Объемная усадка примерно в три раза больше линейной.  Воздушную и огневую усадку следует учитывать при расчете размеров изделий в процессе формования, особенно если это изделия сложной формы.

Влагопоглощение (пористость) – отражает способность черепка, обожженного при указанной температуре, поглощать воду. Влагопоглощение определяют как отношение массы воды, поглощенной образцом при полном насыщении, к массе сухого образца, выраженное в процентах.
Чем больше влагопоглощение, тем лучше черепок впитывает воду и тем легче его декорировать. Соответственно, чем ниже влагопоглощение, тем сложнее декорировать изделие -  материалы для декорирования начинают стекать и плохо закрепляются на изделии. Возникает необходимость вводить в них специальные добавки. Однако керамические массы с низким влагопоглощением успешно применяются для столовой посуды, а также изделий санитарного назначения.

Прочность при сушке и обжиге – выражается в единицах давления н/мм² и отражает способность изделия выдерживать механические нагрузки: давление пальцев рук в процессе работы с сухими изделиями или давление щипцов и пр. при декорировании обожженного черепка.

Например, прочность при сушке у шамотных масс меньше, чем у других. Поэтому подобные массы требуют большей аккуратности при работе с сухими изделиями. Это не значит, что изделие распадется при первом прикосновении, но данный фактор необходимо учитывать.
Прочность при обжиге характеризует прочность конечного изделия, которая обычно возрастает с увеличением температуры обжига. По этой величине также можно косвенно судить о возможном искажении формы и трещинообразовании.
Прочность при обжиге в значительной степени связана с размером зерен исходного материала. Часто изделия из высокотемпературных масс с крупным шамотом оказываются менее прочными, чем изделия из мелкодисперсных гончарных масс, обожженных при более низких температурах. С другой стороны, изделия из высокотемпературных масс с мелким шамотом являются наиболее прочными. Это свойство связано с переносом вещества и заполнением пор во время спекания, что происходит гораздо легче и быстрее в массах с мелким размером зерен.

Коэффициент термического расширения - КТР
Во время нагрева все тела незначительно увеличиваются в размерах, а при остывании уменьшаются. Коэффициент термического расширения (КТР) показывает, во сколько раз увеличивается линейный размер изделия, выполненного из этого материала, при нагреве на 10°С.
Как правило, КТР керамических материалов с увеличением температуры возрастает. КТР обычно дают в виде усредненной величины для некоторого участка температур дельта T.
Керамические материалы (окислы) имеют линейное расширение, определяемое  величинами порядка 10-6 —10-7 °С-1. Это означает, что при нагреве на 1°С они расширяются от одной миллионной до десятимиллионной части своей первоначальной длины. Соответственно примерно на такую же величину они сокращаются в размерах при остывании. Несмотря на небольшой размер деформаций, при нагреве до высоких температур их величиной уже нельзя пренебрегать.
Соприкасаясь, различные керамические материалы ведут себя как отдельные тела, например, черепок и слой глазури. Так как эти тела жестко связаны друг с другом в зоне контакта, то в процессе расширения и сжатия в этой зоне возникают механические напряжения, которые при определенной величине могут вызвать разрушение слоя глазури (разрыв или отскок), а иногда и разрушение черепка.
Знание величины КТР позволяет подобрать необходимый материал для декорирования изделия. Для этого нужно, чтобы КТР глазури был равен или немного меньше (в пределах 10-15%) КТР керамической массы.

Чтобы выбрать материалы, которые лучше всего подходят для воплощения конкретной идеи, нужно принимать во внимание все эти характеристики. 

Статья подготовлена сотрудниками Компании: технологом-консультантом Ольгой Анатольевной Хлебородовой и руководителем учебно-методического отдела Оксаной Александровной Кондрашиной.