Политой или глазурный обжиг керамики

Любой керамист знает, что процесс обжига глины имеет определяющее значение, поэтому без соответствующих навыков трудно получить желаемый результат. При термической обработке происходят сложные физические и химические процессы, однако гончарное искусство было освоено задолго до того, как человечеству были открыты тайны химических реакций, фазовых переходов, капиллярных явлений. Это означает, что познать азы работы с керамикой может любой желающий, пополнив свой багаж знаний основными положениями и приготовлении материала, декорировании и обжиге.

Сегодня в сети интернет можно встретить подробные алгоритмы и технологии изготовления разных сортов керамики, а также технологии их декорирования. Все эти алгоритмы проверены временем и разработаны методом проб и ошибок. Знание теории обжига позволит мастеру проявлять творчество, импровизировать, создавать новые шедевры.

Именно термообработка превращает пластичную глину в привычную для нас керамику. Используя разные алгоритмы обжига, можно получать разные по внешнему виду и физическим свойствам изделия. Обжиг несет в себе двоякую функцию.

• С одной стороны, он необходимо для придания черепкам прочности и водостойкости.
• С другой – после воздействия высоких температур глина принимает те или иные устойчивые оттенки.

Виды обжига

В зависимости от того, в какой среде происходит термическая обработка глины, различают два вида обжига. Речь идет о восстановительном и окислительном видах.

1. Окислительный обжиг – это представляемый нами процесс, в котором получается белая или красная керамика. В среде, богатой кислородом, происходит обжиг всей керамической посуды.
2. Восстановительный обжиг характерен отсутствием доступа кислорода. Для герметичности в печи закрывают все топочные устья. В результате восстановительного обжига получаются черепки серого или черного цвета. Характерный цвет придает окись железа. Известно, что интенсивность цвета зависит не только от состава и количества пигмента, но и от выбранного температурного режима. После обжига пластичная глина превращается в камнеподобный и прочный материал.

Обжиг считается неотъемлемой составляющей процесса производства керамики. Термообработке подвергаются, как изделия промышленного производства, так и продукты ручной работы. Современные материалы, представляющие собой полимерную глину, позволяют вести обжиг в один прием при относительно невысоких температурах. Работа с природной глиной требует более сложных схем термообработки. Как правило, температура обжига некоторых материалов превышает 1200 градусов, поэтому в арсенале керамиста должна быть специальная муфельная печь.

Когда обжиг ведется в несколько приемов, то первый обжиг называют утильным, второй – политым, а третий – декоративным. Утильный обжиг предназначен для закрепления формы изделия, так как пластичная глина не позволяет наносить на поверхность глазури. Политой обжиг заканчивает формирование основных физических свойств керамики, а также способствует закреплению глазури на поверхности изделия (по этой причине политой обжиг часто называют глазурным).

Декоративный обжиг производят по необходимости, когда нужно закрепить на глазури рисунок, выполненный надглазурными красками.

Особенности физико-химических процессов при нагревании и охлаждении

Процесс обжига условно можно разделить на три основные стадии:

1. нагревание;
2. выдержка;
3. охлаждение.

Различие режимов обжига подразумевает под собой разные температуры, разную скорость нагрева и время выдержки. Для создания окислительной среды обеспечивают свободный приток воздуха. Восстановительная среда образуется в герметичном муфеле. Если приток воздуха будет минимальным, то такая среда называется нейтральной.

Для четкого понимания влияния среды на процесс обжига необходимо обладать достаточными знаниями по химии. Если говорить упрощенно, то подавляющее большинство процессов термообработки происходит в окислительных средах. Современные печи позволяют регулировать и контролировать режим обжига. Нагревание и охлаждение изделий идет по заданным параметрам, а автоматические системы исключают любые отступления от алгоритма.

Скорость нагрева – один из важнейших параметров, причем далеко не всегда он должен быть высоким. Время выдержки необходимо соблюдать, чтобы все физико-химические процессы формирования керамики завершились в полной мере.

Для объяснения происходящих при термообработке явлений процесс нагревания и охлаждения делят на температурные интервалы. В каждом таком интервале происходят превращения, реакции, фазовые преобразования. Таблица основных процессов одинакова для всех видов керамики, но в специализированной литературе достаточно много неизвестных химических терминов. Можно описать процессы более тривиальным образом.

Нагревание

При нагревании от 25 градусов до 200 градусов повышается внутренняя энергия материала. При этом вся влага, содержащаяся между слоями, испаряется. Чтобы она удалялась равномерно, необходимо медленно повышать температуру. Мастер уже в самом начале обжига может наблюдать дефекты, которые возникают в черепках по причине неправильной сушки или неоднородности глины, а чрезмерная заглаженность поверхностей приводит к тому, что газы не могут прорваться наружу через поры и образуют пузыри или разрывы в толще материала.

Скорость нагрева для каждого случая различная. Она зависит не только от вида глины, но и от объема печи, количества обжигаемых элементов, их габаритов. Чем толще стенки черепка, тем меньшей должна быть скорость нагрева. Однако слишком медленное повышение температуры приведет к появлению пятен от сконденсировавшихся солей, растворенных в воде. В течение одного часа температуре должна подниматься на 100 градусов.

Следующий температурный интервал ограничен верхним порогом в 400 градусов. В этот период окончательно удаляется влага, в том числе, удаляется и связанная вода. Также данный этап характерен реакциями окисления. Органические соединения при контакте с кислородом выгорают, поэтому важно обеспечить хорошую вентиляцию. Органика выгорает достаточно долго и при температуре в 400 градусов этот процесс не завершается. Нагрев от 200 до 400 градусов рекомендуется вести с небольшой скоростью, а после достижения верхнего предела требуется произвести 15-минутную выдержку. Через открытые заглушки печной камеры не только поступает кислород, но и выводятся газы, вышедшие через поры из глины.

При температуре, превышающей значение в 400 градусов, происходит удаление воды уже из структуры кристаллической решетки. Данный процесс достаточно сложен. Он называется дегидратацией. Происходит отщепление молекул воды в результате химических реакций с органическими веществами. Дегидратация наблюдается в интервале от 400 до 600 градусов.

В этот период не наблюдается никаких осложнений в технологии, однако экстремальной точкой, на которую нужно обратить внимание, служит температура в 573 градуса. Причина заключается в изменении структуры кристалла кварца.

Именно при температуре 573 градуса происходит фазовый переход, в результате которого кварц модифицируется (α-кварц превращается β-кварц).

Указанный участок следует проходить при медленном нагревании. В противном случаи будут локально появляться области с повышенным механическим напряжением, что чревато образованием трещин. При температуре 600 градусов делается выдержка в 30 минут.

В диапазоне температур от 600 до 800 градусов глина теряет свою прочность, хотя это явление временное. Глинистые минералы на данном этапе модифицируются, поэтому в процессе модификации наблюдается неоднородность структуры черепка. Часть минералов пребывает в исходном состоянии. Другая же часть уже начала трансформироваться. Но в целом керамика еще не спеклась, поэтому не набрала своей положенной прочности. Рекомендуется пройти участок от 600 до 800 градусов в ускоренном режиме, то есть, необходимо увеличить скорость нагрева. Она должна составлять около 130 градусов в час. Ни в коем случае нельзя прерывать нагревание, так как может наблюдаться разрушение материала.

Керамика при температуре 800 градусов только начинает спекаться. Различные составы глины отличаются разной температурой трансформирования минералов. Для них температуре спекания отличается. Несмотря на то, что с момента начала нагревания прошло достаточно времени, газообразные вещества в диапазоне температур от 800 до 1000 градусов еще продолжают выделяться. Но важно, чтобы до достижения температуры в 1000 градусов процесс выхода газа, образованного в результате химических реакций, завершился.

Охлаждение

В процессе охлаждения на первой стадии никаких особенных процессов не происходит. Сама глина и глазурь, которой покрыто изделие, находятся в пластичном состоянии, поэтому не нужно волноваться за возникновение дефектов. Можно увеличить скорость охлаждения, если это позволяет устройство печи.

В диапазоне от 1000 до 700 градусов происходит окисление металлов. В случае ведения восстановительного обжига на данном этапе важно исключить доступ кислорода. Отсутствие или недостаток кислорода становится причиной металлизации поверхностей. Вплоть до температуры 300 градусов среда должна быть восстановительной.

При температуре 900 градусов керамика становится хрупкой. Она прочно скрепляется с глазурью и впоследствии остывает с ней как единое целое. Важно, чтобы основной материал и глазурь имели примерно одинаковый коэффициент теплового расширения (КТР), иначе будут образовываться сколы или цек.

Критическая температура 573 градуса требует внимания и при охлаждении. В это время происходит обратное преобразование кристаллов кремния. При высокой скорости охлаждения наблюдается разрушение материала, который называют «холодным треском».

Состав глины диктует свои условия при определении подходящего рецепта обжига. При высокой температуре происходит плавление карбонатов, входящих в состав глинистых соединений. Черепки с высоким содержанием карбонатов нельзя пережигать, иначе образуются зоны скопления стекловидного вещества, обладающего низкой прочностью.

Схемы обжига

Чтобы пояснить назначение политого обжига, целесообразно рассмотреть его в комплексе с утильным в двухэтапной схеме или с декоративным в трехэтапной схеме. Двухэтапная схема является самой распространенной. В ней первый обжиг предназначен для получение прочного черепка, обладающего высокой пористостью, чтобы к поверхности хорошо пристала глазурь.

Политой или глазурный обжиг направлен на придание лазури и самому черепку дополнительной прочности и водонепроницаемости. В процессе политого обжига глазури, как и сама глина, принимают определенные оттенки, зависящие от пигмента и оксидов в своем составе. Еще необходимо отметить, что во время политого обжига происходит термообработка подглазурных красок, которыми был сформирован рисунок перед покрытием глазурью.

Комбинирование первого и второго обжига происходит по разным сценариям. В зависимости от типа керамики устанавливается температура. В подавляющем большинстве случаев температура поливного обжига выше, чем утильного, однако существуют схемы, в котором наоборот, температура утильного обжига более высокая.

Под схемой подразумевается алгоритм обжига с определенными параметрами. Дело в том, что для каждого изделия разрабатывать свою технологию нецелесообразно, поэтому пользуются алгоритмами для обжига разных видов керамики. Наиболее популярными являются такие схемы как:

• Схема обжига фарфора. В данной схеме присутствует утильный обжиг. Сначала изделия из глины необходимо просушить. Перед утильным обжигом керамику глазурью не покрывают. Температура первого обжига составляет 1000 градусов. Черепки подсушиваются и приобретают нужную прочность. Затем на них наносятся подглазурные краски и сама глазурь. Поливной обжиг является завершающим. Он происходит при температуре 1420 градусов.
• Схема обжига фаянса. В данной схеме температура поливного обжига может быть более низкой, чем температура утильного обжига. В связи с почти полным отсутствием плавней черепок можно нагревать до температуры 1250 градусов. Это и есть показатель первого обжига. Политой обжиг необходимо проводить согласно рекомендациям от производителя глазурей или в зависимости от состава глазурей. При необходимости можно воспользоваться трехэтапной схемой и обжечь надглазурные краски.
• Схема обжига майолики. Майолика готовится из легкоплавких глин. Такие материалы нельзя пережигать, иначе можно получить дефекты в виде вспучиваний. Разброс температур первого обжига, при которых происходит подготовка черепка к глазурованию, не превышает 50 градусов. Задача мастера заключается в том, что необходимо точно попасть в диапазон допустимых температур. Поливной обжиг проводится при температуре, рекомендованной для конкретной глазури, однако то не должны быть тугоплавкие глазури.
• Схема обжига шамота. Шамот отличается от остальных видов глины тем, что в его составе уже присутствуют частицы обожженной керамики. Эти частицы играют роль своеобразного каркаса. Каркас препятствует усадке, поэтому шамот можно обжигать при высокой температуре. Температура поливного обжига выше, чем температура утильного обжига.

Технология поливного обжига

Первым делом изделие покрывается слоем глазури. Подготовленные черепки, покрытые глазурью, помещаются в печь. Так как утильный обжиг придал черепкам определенную прочность, то на первых этапах можно повысить скорость нагрева.

Самое главное, чтобы глазурь успела хорошо просохнуть. При достижении конечной температуры (зависит от типа керамики) необходимо сделать выдержку, время которой варьируется от 15 минут до 2 часов. Но если на завершающем этапе скорость нагрева не превышала 50 градусов в час, то выдержку делать не нужно, так как изделие прогрелось равномерно.