Опыт 8. Меднение стекла

В чисто вымытую пробирку наливают 3-4 мл 3% раствора сульфата меди и по каплям добавляют 10% аммиака до полного растворения появляющегося осадка (избегать избытка аммиака). В пробирку добавляют 1-2 мл 10% раствора глюкозы и нагревают на пламени горелки. Наблюдайте происходящие явления. Сделайте выводы.

Классификация стеклянных изделий. Стеклянные бытовые изделия относятся к товарам сложного ассортимента, их классифицируют по химическому составу, цве­ту, способу формования, форме, размеру, виду и сложности деко­рирования, назначению и комплектности.

По химическому составу изделия бывают натриево-известковые, калиево-известковые (силикатные), боросиликатные, калиево-свинцовые, боратные, алюмоборосиликатные и др. Природа изделий зависит прежде всего от условий их эксплуата­ции и свойств, которыми они должны обладать, а также от воз­можностей и особенностей формования и украшения.

По цвету различают стеклоизделия бесцветные, цветные сплошные, цветные с нацветом, полутоновые и др. Изделия цвет­ные сплошные и с нацветом могут быть различного цвета в зави­симости от вида красителя.

По способу формования стеклоизделия подразде­ляют на прессованные, выдувные, прессовыдувные, тянутые, а также полученные методом литья и сочленения, прокатки, центри­фугирования и вытягивания. Наиболее сложную форму имеют выдувные изделия, особенно изделия, полученные методом сво­бодного формования. Более простыми являются изделия, полу­чаемые в формах.

По форме их делят на полые и плоские.

По размеру стеклянные бытовые изделия делят на мел­кие, средние и крупные. Размер плоских изделий определяют по наибольшему диаметру в мм, полых – по объему в см³, высоких изделий (ваз для цветов) – по высоте в мм.

По виду и сложности декорирования бытовые стеклоизделия, особенно выдувные, весьма разнообразны.

Все рисунки, наносимые на стеклоизделия, объединены в со­ответствующие группы, за каждой из которых закреплен опреде­ленный номер. Например, рисунки, наносимые на изделия из обыч­ного стекла, делят на 7 групп – с 1-й по 7-ю. Рисунки, наносимые на хрустальные изделия, включены в группы с 4-й по 10-ю.

По назначению бытовые стеклянные изделия делят на следующие группы: бытовая посуда, художественно-декоративные изделия и ламповые изделия (ламповые резервуары, ламповое стекло и столовые лампы). Бытовая посуда может быть подразде­лена на столовую, чайную, закусочную, для вина, пива и воды, кухонную и хозяйственную.

По комплектности стеклянную бытовую посуду делят на штучную и комплектную.

Функциональные свойства стеклоизделий предусматривают возможность выполнения ими двух основных функций: принимать и сохранять пищу и напитки в неизменном количестве и качестве и отдавать их полностью или частично по мере необходимости.

Эргономические свойства предопределяют прежде всего удоб­ство (комфортность) пользования и гигиеничность стеклоизделии.

Комфортность бытовой посуды определяется удобством ее держания, переноса, выполнения функций хранения, мойки и т. п.

Гигиенические свойства обусловлены прежде все­го природой и свойствами стекла. Эти изделия имеют высокую химическую стойкость и безвредны для организма человека. При оценке гигиеничности учитывают также загрязняемость изделий, простоту и легкость очистки и поддержания чистоты. Из гигиени­ческих свойств особое значение имеет соответствие размеров, фор­мы и цвета изделий зрительным и психофизиологическим возмож­ностям человеческого организма.

Эстетические свойства стеклянных бытовых изделий характе­ризуются целостностью композиции, рациональностью формы и информативностью.

Целостность композиции характеризует располо­жение, сложение и соединение частей в единое целое в определен­ном порядке. Она обусловлена пространственно-декоративным строением, тектоникой и пропорциями формы стеклоизделий.

Рациональность формы характеризует соответствие формы изделия функциональному назначению и условиям окру­жающей среды, соответствие тонального и цветового решения отдельных элементов требованиям эргономики, стилевого реше­ния – интерьеру, технологии изготовления – свойствам мате­риала. Рациональна форма, которая максимально выявляет на­значение сосуда.

Информативность стеклоизделий определяется знаковостью, оригинальностью и соответствием их стилю и моде, гос­подствующим в данное время.

Свойство надежности стеклянных изделий определяется их долговечностью и сохраняемостью. Наибольшее значение имеет долговечность, которая характеризуется физическим и моральным износом. Менее надежны изделия с приставными деталями, изде­лия на высокой ножке, сложной конфигурации.

Физический износ стеклоизделий зависит от их механических, термических, химических и других свойств, а также от износо­стойкости защитно-декоративного покрытия. Поэтому изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации резкому нагреванию и охлаждению, механическим воздействиям, должны иметь необхо­димые термическую стойкость и механическую прочность, осо­бенно к удару.

Моральный износ проявляется в отсутствии покупательского спроса на изделия устаревших фасонов, форм, размеров и укра­шений.

При характеристике надежности стеклоизделий большое зна­чение имеет их сохраняемость при транспортировании и хране­нии, зависящая от особенностей упаковки, тары, расположения при перевозках и на складе и обращения с ними. При рассмотре­нии надежности стеклоизделий следует иметь в виду долговеч­ность и сохраняемость заданных функциональных эргономиче­ских и эстетических свойств изделий при упаковке, транспортиро­вании, хранении и эксплуатации при условии соблюдения соот­ветствующих требований.

Рассмотренные выше потребительские свойства и требования могут быть дифференцированы в зависимости от назначения изделий и условий эксплуатации. При оценке уровня качества стеклоизделий помимо этих свойств учитывают показатели технологические, стандартизации и унификации, патентно-правовые и| экономические. Для этого показатели анализируемого изделия сопоставляют с эталоном.

Соответственно этим показателям устанавливают категорию качества изделия – высшая и первая.

Качество стеклянной бытовой посуды зависит от наличия дефектов, отрицательно влияющих на механические, термические, оптические, эстетические и санитарно-гигиенические свойства. Влияние того или иного дефекта на качество изделия зависит от его вида, расположения, размера, а также размера изделия и т. д. По этим признакам некоторые дефекты допускаются с ограниче­ниями по количеству, размерам и месту нахождения, другие вообще не допускаются (свиль, шамотный камень, продавливающие­ся пузыри). На мелких изделиях допускается не более двух дефек­тов, на средних – трех, на крупных – четырех. Изделия из хру­сталя крупные 1-го сорта могут иметь не более четырех дефектов, 2-го сорта и прессованные – пяти, для мелких изделий допускает­ся соответственно не более двух и трех дефектов.

Дефекты стеклоизделий подразделяют на три группы: дефек­ты стекломассы, выработки и обработки.

Дефекты стекломассы – недостаточная обесцвеченность, включения газообразные и воздушные (пузыри и мошки), стекловидные (свиль, шлир) и кристаллические (шамотный ка­мень, рух и др.).

Недостаточная обесцвеченность возникает при избытке или недостатке обесцвечивателей в шихте или вследствие нарушения режимов процесса варки стекломассы. Проявляется она в виде зеленоватого или голубовато-зеленоватого оттенка стекла, при этом снижается светопропускание, ухудшается внешний вид из­делий.

Основные воздушные и газовые включения – пузыри и мошки, снижающие эстетическую ценность изделия, а также прочность и термическую стойкость, образуются в результате плохого освет­ления стекломассы.

Отрицательно влияют на механические, термические, оптиче­ские и эстетические свойства стеклоизделий стекловидные и кри­сталлические включения – свиль, шлир, камни и др. Для пред­отвращения их образования нужно следить за составом шихты, температурой варки стекломассы, подбором и состоянием огнеупорных материалов для футеровки стекловаренных печей, а также обеспечивать равномерный провар и тщательное пере­мешивание стекломассы.

В изделиях не допускаются такие дефекты стекломассы, как шамотный камень, замутненные и продавливающиеся пузыри и др.

К дефектам выработки относят различные откло­нения от нормативов, возникающие при формовании изделий. Основными из них являются неравномерное распределение стек­ломассы, кривизна изделий, несимметричность носиков и ручек, различного рода сколы, посечки, зазоры между корпусом изде­лия и крышкой. Образуются они вследствие нарушения режимов формования и отсутствия должного контроля за состоянием пресс-форм, несоблюдения режимов обработки и т. д.

Специфические дефекты прессованных изделий – кованость (следы от изношенной пресс-формы), заусенцы и лишки (следы от раскрывающихся форм). Кованость не допускается; лишки вы­сотой не более 3 мм и без режущих кромок могут быть допущены. К недопустимым дефектам этой группы относят просвет между корпусом изделия и крышкой, посечки, искривление кнопки, осыпь края, заделку сколов на мелких изделиях и др.

Дефекты обработки могут возникнуть на изделиях на завершающих этапах изготовления. Это перетоп края, несим­метричность деталей, посечки, осыпь края, прилип стекла, сколы и щербины незаправленные, искажение рисунка, косина края, ка­чание пробок, заоваленность граней рисунка и др. Большинство этих дефектов являются недопустимыми.

Стеклоизделия из обычной стекломассы на сорта не подразде­ляют. Хрустальные изделия в зависимости от наличия дефектов делят на 1-й и 2-й сорта. Прессованные изделия без доработки выпускают одним сортом – годные. Хрустальные изделия выпус­кают и с государственным Знаком качества. В зависимости от сор­та изменяется цена изделия, что отражено в прейскуранте. Сорт изделий бытового назначения устанавливают по ограничитель­ной системе.

Тема 6. Керамические изделия. Фарфор. Состав, свойства, основы производства. Глазури. Дефекты фарфоровых изделий

В отличие от стекла керамические изделия не обладают прозрачностью и имеют пористую гетерогенную структуру из-за наличия муллита – соединения оксидов алюминия и кремния (3Al₂O₃·2SiO₂), имеющего высокую температуру плавления и высокую химическую стойкость.

К керамическим относят изделия, получаемые из глинистых зеществ с минеральными добавками или без них путем формова­ния и последующего обжига. Керамические изделия различают по характеру строения и плотности черепка, наличию глазури и назначению.

По характеру строения черепка различают изделия тонкой керамики и грубой керамики. К тонкой керамике относят изделия со спекшимся черепком однородного и мелкозернистого строения, не пропускающим воду и газы. Основными представителями тонкой керамики являются фарфоровые, фаянсовые и майоликовые изделия. Изделия грубой керамики – кирпич, черепица – характери­зуются неоднородным, грубозернистым, непросвечивающимся черепком с землистым изломом.

По плотности черепка керамические изделия делят на плотные и пористые. Пористость черепка определяют по водопоглощению в процентах. К плотным относятся изделия с водопоглощением менее 5 %, к пористым – более 5 %. Плотными яв­ляются фарфоровые изделия, пористыми – фаянсовые и майоли­ковые.

По наличию глазури различают изделия глазурован­ные и неглазурованные. Изделия тонкой керамики чаще всего из­готовляют глазурованными, а грубокерамические – неглазурованными. Глазурованные изделия имеют гладкую, ровную и глян­цевую поверхность, не пропускают воду и газы. Поверхность не-глазурованных изделий шероховатая, матовая; они, как правило, пропускают воду.

По назначению керамические изделия делят на быто­вые, архитектурно-строительные и технические. К бытовым относят посуду и художественно-декоративные изделия (фарфоровые, фаянсовые, майоликовые и др.). Изделия архитектурно-строительные – преимущественно из­делия грубой керамики, применяемые для кладки стен, кровли зданий и сооружений (кирпич, черепица), отделки и облицов­ки наружных и внутренних стен. Изделия технические применяют в радиотехнической, авиаци­онной, автомобильной и других отраслях народного хозяйства, а также для оборудования лабораторий (посуда, ступки, пестики и др.). В данном разделе особое внимание уделяется характеристике фарфоровых изделий, весьма разнообразных по химическому составу, струк­туре, свойствам и назначению.

Состав, строение и свойства фарфора. По характеру строения черепка фарфор, как уже было отме­чено выше, относится к тонкой керамике. Характерные признаки фарфора – белый цвет с синеватым оттенком, малая пористость и высокая прочность, термическая и химическая стойкость и деко­ративные достоинства.

Состав фарфора. Различают два вида фарфора – твердый и мягкий.

Твердый фарфор получают из массы, содержащей 50 % глины и каолина, 25 % кварца и 25 % полевого шпата. Это классический состав, который может быть изменен в зависимости от вида исход­ных материалов. Наиболее рациональный состав твердого фар­фора – 55 % глинистых веществ и по 22,5 % квар

ца и полевого шпата. Химический состав твер­дого фарфора, исходя из соотношения различных оксидов, содер­жащихся в нем, может быть представлен в следующем виде: SiO₂ – 68 %, Al₂O₃ – 26 % и К₂О – около 6 %. Как видно, особенностью твердого фарфора является ма­лое содержание оснований и повышенное количество глинозема. Для получения плотного спекшегося черепка твердый фарфор обжигают при повышенной температуре – 1350-1400 °С. Одним из показателей, характеризующих поведение фарфора при обжиге и эксплуатации, является величина отношения эквивалентов кис­лот к эквивалентам оснований, которая называется коэффи­циентом кислотности и определяется по формуле:

Для твердого фарфора этот коэффициент равен 1,1-1,3, по мере перехода к мягкому фарфору он возрастает до 1,68-1,75. С повышением коэффициента кислотности увеличивается хруп­кость черепка и способность к деформации. Твердый фарфор характеризуется повышенным содержанием в массе каолина и глины, что придает ему высокую белизну, обус­ловливает образование кристаллической фазы и повышение тер­мической стойкости. Каолин способствует диффузии ионов алю­миния и растворимого дегидратированного остатка каолинита в расплав полевого шпата, что ведет к увеличению их концентрации и образованию муллита. Муллит и отвердевший при охлаждении расплав обусловливают механические, термические и химические свойства изделий. Твердый фарфор глазуруют тугоплавкими гла­зурями.

В массе для получения мягкого фарфора содержится больше плавней и меньше глины и каолина. При увеличении в массе плав­ней количество стекловидной фазы в черепке возрастает, при этом повышается и просвечиваемость. Масса для получения мягкого фарфора содержит 25-30 % каолина и глины, 20-45 % кварца и 30-36 % полевого шпата. Иногда добавляют 1,5-2,5 % мела и 1,2-4,0 % оксида цинка. Молекулярная формула мягкого фар­фора характеризуется повышенным содержанием оснований. В мягком фарфоре кристаллическая фаза, которая обусловливает высокую прочность, незначительна. По прочности и термической стойкости мягкий фарфор уступает твердому. Обжиг его ведут при более низкой температуре – 1250-1300 °С. Разновидностями мягкого фарфора являются фриттовый, костяной, бисквитный и др.

Фриттовый фарфор получают из массы, не содержа­ли кварц, полевой шпат и пластичные материалы. Состав его: 5-80 % фритты, 17 % мела и около 8 % отмученного мергеля, эритта – это тонкоизмельченный сплав песка, гипса, соды, поваренной соли, калийной селитры и аммиачных квасцов. Этот фарфор занимает промежуточное положение между твердым фарфором и стеклом. Для придания большей пластичности при формовании в смесь добавляют специальные клеящие вещества. Для глазурования применяют легкоплавкую глазурь. Краски, нано­симые на такие изделия, сплавляются с глазурью и имеют высо­кий блеск и красивые тона. В состав костяного фарфора наряду с другими ве­ществами входит от 20 до 60 % костяной муки, содержащей фосфат кальция. Каолина в нем содержится от 20 до 45 %, иногда его частично заменяют пластичной беложгущеися глиной. Формуют изделия литьем в гипсовые формы и пластическим способом. Для глазурования используют боросвинцовую фритто­ванную глазурь. Для украшения применяют фаянсовые краски, как подглазурные, так и надглазурные, которые хорошо согласу­ются с глазурью. По свойствам этот фарфор занимает промежу­точное место между твердым и фриттовым фарфором. Обжиг про­водят до полного спекания черепка. Особенностью костяного фар­фора является высокая просвечиваемость и декоративность.

Бисквитный фарфор не покрывают глазурью, он имеет мягкий матовый блеск. Благодаря пористому строению че­репка и отсутствию глазурного слоя падающие лучи света как бы проникают в толщу фарфора и придают ему сходство с белым мра­мором. Массы для его получения составляют из глинистых мате­риалов (33-36 %), кварца (45 %) и фритты (24 %) или без нее. Из мягкого фарфора вырабатывают посуду, а также художе­ственно-декоративные изделия. Разновидностью мягкого фарфора является низкотемпературный фарфор. Особенностью его является спекшийся че­репок с водопоглощением до 0,5 % и теплостойкостью не менее 10 теплосмен; предел прочности его при изгибе около 60 МПа. Обжигается он однократно при температуре 1160-1180°С. Для получения фарфоровых изделий с высокой прочностью, малым термическим расширением и хорошей термостойкостью в состав массы вводят корунд, тальк, циркон, оксид бериллия и др.

Строение фарфора. Фарфоровый черепок представляет собой гетерогенную систе­му. Его строение зависит от состава и вида исходных материалов, их соотношения, условий и режимов технологической обработки. Изменяя состав и технологические параметры, можно управлять процессами структурообразования фарфора и получать изделия с заданными свойствами. Основными элементами структуры фарфорового черепка явля­ются стекловидная фаза, кристаллическая фаза и поры. От соот­ношения структурных элементов зависят свойства готовых изде­лий. Свойства изделий взаимосвязаны: повышение одного из по­казателей свойств часто приводит к снижению или повышению других, например повышение просвечиваемости черепка сопро­вождается понижением механической прочности.

Стекловидная фаза представляет собой расплав полевого шпата с частично растворившимися в нем зернами кварца и гли­нозема. Иногда встречается полевошпатовое стекло с кристал­лами муллита. Стекловидная фаза способствует повышению про­свечиваемости черепка. Чем больше в массе полевого шпата и кварца при соответствующем уменьшении глинистых материалов, тем выше просвечиваемость черепка. С повышением стекловид­ной фазы уменьшаются прочность и термическая стойкость. На долю стекловидной фазы в твердом фарфоре приходится от 40 до 60 %, в мягком – до 85 %. Количество стекловидной фазы в фар­форе зависит как от состава исходных материалов, так и от сте­пени помола их и режима обжига. Влияние стекловидной фазы на свойства фарфора зависит от степени насыщения ее кремнезе­мом, глиноземом и кристаллами муллита. Прочность, химическая и термическая стойкость фарфора с увеличением насыщения полевошпатового стекла глиноземом и муллитом повышаются, а при насыщении кремнеземом снижаются.

Кристаллическая фаза представлена прежде всего кристалла­ми муллита, а также частицами кварца и каолинитного остатка, не растворившимися в стекловидной массе. На долю кристалли­ческой фазы в фарфоре приходится около 30 %. Муллит, имеющий игольчатое волокнистое строение, обладает высокими механической прочностью и химической стойкостью (не растворяется в 20 %-ном растворе плавиковой кислоты), малым термическим расширением и в связи с этим высокой термической стойкостью. С увеличением кристаллов муллита в черепке улучша­ются механические и термические свойства фарфоровых изделий. Процесс муллитизации фарфорового черепка зависит от темпера­туры обжига и времени выдержки изделий при максимальной тем­пературе. Наиболее активное образование муллита наблюдается в интервале температур 1350-1480°С, причем чем продолжи­тельнее выдержка изделий в этих условиях, тем больше образу­ется муллита. Муллит образуется в результате превращения глинистых ма­териалов под влиянием температуры по следующей схеме:

Образовавшийся муллит пронизывает полевошпатовое стекло, сообщая черепку положительные свойства. Процесс муллитиза­ции в области высоких температур протекает при наличии жидкой фазы. Зерна кварца, не растворившиеся в полевошпатовом стекле, вместе с кристаллами муллита образуют как бы каркас, обуслов­ливающий свойства готовых изделий. Этот каркас прочно цемен­тируется аморфным стеклом.

Поры в фарфоровом черепке занимают объем до 5 %; водопоглощение черепка составляет примерно 0,1–0,2 %. Они частич­но снижают просвечиваемость и механическую прочность. На свойства фарфорового черепка влияет и строение контакт­ного слоя, который по составу и структуре аналогичен стеклооб­разному веществу. Контактный слой образуется вследствие раз­личия химического состава глазури и черепка, проникновения расплава глазури в поры черепка и растворения кристаллических фаз черепка в расплаве глазури. Все это обусловливает образова­ние новых кристаллических веществ и газовых пузырьков. На интенсивность этих процессов, от которых зависит величина кон­тактного слоя, влияют продолжительность и температура обжига. Контактный слой заполняет поверхностные трещины черепка, снижает напряжение между глазурью и черепком, что способ­ствует повышению прочности. Глазурь в состоянии сжатия больше влияет на повышение термической стойкости, чем глазурь, находящаяся в состоянии растяжения. Это объясняется тем, что из-за плохой теплопроводности фарфора его глазурный слой, быстро охлаждаясь, подвергается напряже­ниям, которым он лучше противостоит в состоянии сжатия. Гла­зурь, находящаяся в состоянии сжатия, способствует повышению механической прочности черепка. Основными свойствами фарфора являются физические и хими­ческие.

Физические свойства. К ним относятся плотность, белизна, просвечиваемость, механическая прочность черепка и глазури, блеск и твердость глазури, термическая стойкость, электрическая прочность и др. Они зависят от структурных элементов черепка, и прежде всего от соотношения стекловидной и кристаллической фаз, а также от количества и характера пор и наличия дефектов в виде трещин. На некоторые свойства фарфора влияет также тол­щина черепка и глазури.

Плотность фарфора 2,4-2,5 г/см³. Фарфор имеет плотный спекшийся черепок с пористостью по водопоглощению не более 0,2 %.

Белизна является важным показателем качества фарфора. Она зависит от наличия в сырьевых материалах примесей желе­за, титана, хрома и других окрашивающих соединений, а также от режима и среды в печи при обжиге. Исходные материалы очи­щают от окрашивающих примесей. Если оксид железа находится в массе в виде мельчайших частиц, то на изделиях могут появить­ся темные рассредоточенные точки – мушки, которые снижают белизну и ухудшают внешний вид изделий. Крупные включения оксида железа при обжиге выплавляются, оставляя темное пятно или сквозное отверстие. Снижение белизны фарфора может произойти и за счет непол­ного выгорания углерода при обжиге в окислительной среде и не­полного восстановления оксида трехвалентного железа в двухва­лентное. Оксиды трехвалентного железа придают черепку желто­ватый оттенок, а двухвалентного – синеватый. Белизна фарфора повышается с увеличением в массе каоли­на. Существенно влияет на белизну фарфора наличие глазурного слоя и его толщина: с увеличением толщины глазурного слоя она снижается. Определяют ее путем сравнения с эталоном, белизна которого принята за 100 %. В качестве эталона используют баритовую пластинку. Белизну фарфора учитывают при установлении сорта го­товых изделий. Для обычного фарфора она должна быть от 55 до 63 %, для изделий со Знаком качества – не менее 65 %; белизна глазурованных изделий несколько ниже белизны неглазурованных.

Просвечиваемость фарфора зависит от содержания стекловид­ной фазы, на что влияет количество в массе плавней, степень их дисперсности, а также температура обжига. С увеличением в че­репке полевошпатового стекла при одновременном снижении со­держания глинистых материалов просвечиваемость возрастает. Она улучшается и при повышении температуры обжига. Кристал­лы муллита, остаточного кварца и особенно пузырьки газа и поры снижают просвечиваемость. Это объясняется тем, что путь свето­вого луча удлиняется из-за многократного преломления, обуслов­ленного гетерогенной структурой черепка. При этом лишь незна­чительная часть светового потока проходит через стенки изделия, а остальная отражается, поглощается и рассеивается. Поэтому для характеристики масс иногда определяют коэффициент про­хождения света при определенной толщине, принятой за единицу. Просвечиваемость фарфорового черепка толщиной 2 мм находит­ся в пределах от 0,09 до 0,15 %. Просвечиваемость некоторых масс при увеличении толщины черепка с 1 до 2 мм снижается в несколь­ко раз. Она может быть повышена путем выравнивания показа­телей преломления его структурных элементов (муллита, кварца и стекла). Мягкий фарфор имеет более высокую просвечиваемость, чем твердый, так как у него показатель преломления стекловид­ной фазы близок к показателю преломления кристаллической фазы (1,56).

Механическая прочность имеет большое практическое значе­ние. Для фарфора различают прочность черепка и прочность гла­зури. Прочность черепка зависит от соотношения кристалличе­ской и стекловидной фаз, его толщины и пористости. С увеличе­нием содержания кристаллической фазы прочность черепка повышается:

Таблица 3.

Зависимость прочности черепка от вида фазы

При увеличении толщины изделия на 0,5 мм механическая прочность возрастает на 12–17 %. Изделия из массы с повышен­ным содержанием глинистых материалов (50–54 %) имеют бо­лее высокую механическую прочность. На механическую прочность черепка влияет степень дисперс­ности зерен кварца: чем тоньше помол, тем выше прочность за счет уменьшения пористости. Фарфор, как и стекло, в 12–13 раз лучше сопротивляется сжа­тию, чем растяжению. На прочность фарфоровых изделий заметное влияние оказы­вает и толщина глазурного слоя. Чем тоньше слой глазури, тем выше прочность изделий, особенно если глазурь находится в со­стоянии сжатия. Если глазурь находится в состоянии растяжения, то прочность изделий резко снижается. Так, если прочность на изгиб неглазурованного фарфора составляет примерно 70 МПа, то при наличии глазурного слоя, находящегося в состоянии сжа­тия, она в два раза выше, а в случае наличия в глазури растяги­вающих напряжений – в два раза меньше. Для того чтобы гла­зурный слой находился в состоянии сжатия, коэффициент терми­ческого расширения глазури должен быть меньше коэффициента термического расширения черепка. Механическую прочность фарфоровых изделий, исходя из условий эксплуатации их, иногда оценивают по удельной меха­нической прочности. Ее определяют по методу свободного паде­ния стального шарика, при этом определяется работа, затрачен­ная на разрушение изделия, которую относят к толщине изделия.

Блеск и твердость глазури являются важными показателями фарфоровых изделий, характеризующими их внешний вид и при­годность для использования по назначению. Блеск глазури придает изделиям красивый внешний вид и по­вышает их санитарно-гигиенические свойства, так как гладкие изделия меньше загрязняются и легче очищаются. Он зависит от количества зеркально и диффузно отраженного от поверхности света и от коэффициента преломления, с повышением которого блеск увеличивается. Чем ровнее поверхность глазурного слоя и меньше шероховатость, тем выше блеск. По изменению блеска глазури можно судить о появлении микротрещин, которые со вре­менем увеличиваются. При определении блеска глазурного слоя за эталон принимают темное увиолевое стекло, блеск которого равен 65 %. Блеск глазури зависит от ее состава, температуры обжига и среды, а также от наличия в ней различных газовых включений и коэффициента преломления. Повышенным блеском характеризу­ются свинцовые, стронциевые и титановые глазури, а также гла­зури, содержащие редкоземельные элементы. Воздушные и газо­вые включения, присутствующие в стекловидной фазе глазури, сильно снижают ее блеск. При соответствии температуры поли­того обжига температуре плавления глазури достигается хороший блеск. Если температура обжига ниже, то глазурь имеет матовость в результате неполного расплавления.

Твердость глазури – важный эксплуатационный показатель, характеризующий поведение глазурного слоя при пользовании режущими и другими столовыми приборами. Глазурь не должна разрушаться столовыми приборами, на ней не должны оставаться штрихи от ножа, вилки. Твердость глазури зависит от ее химического состава. Боль­шей твердостью характеризуются полевошпатовые глазури, более мягкие – свинцовые и баритовые. Твердость глазурного слоя по минералогической шкале между 5-м и 6-м минералами; по скле­роскопу – 100-115. Мягкие глазури разрушаются столовым ножом, при этом обра­зуются трещины, нарушающие целостность защитного слоя, в ре­зультате чего загрязняется черепок, ухудшается внешний вид из­делия. Такое изделие непригодно для эксплуатации вследствие несоответствия санитарно-гигиеническим требованиям. Фарфоровые глазури являются твердыми, майоликовые – мягкими, а фаянсовые глазури относятся к средним.

Термическая стойкость обусловливает надежность фарфоро­вых изделий и возможность использования их по назначению. Эти изделия в процессе эксплуатации часто подвергаются воздействию разных температур. Низкая термическая стойкость приводит к преждевременному износу и выходу из строя фарфоровых изде­лий. Термическая стойкость фарфора так же, как и стеклоизделий, зависит от химического состава черепка и глазури, соответ­ствия их коэффициентов термического расширения, формы изде­лия, толщины черепка и глазури, прочности и модуля упругости черепка, а также от теплопроводности и плотности. Она может быть ориентировочно определена расчетным путем по формуле коэффициента термостойкости. Термическая стойкость изделий сложной конфигурации сни­жается с увеличением толщины глазурного слоя. Она уменьшает­ся по мере повышения в черепке стекловидной фазы и возрастает с увеличением муллита. Однако при насыщении полевошпатового стекла глиноземом и кварцем термостойкость повышается, так как их коэффициенты термического расширения в стекловидной фазе уменьшаются. Заметно влияют на снижение термической стойкости инород­ные включения, микротрещины и другие дефекты черепка и гла­зурного слоя. Трещины глазури чаще всего образуются, когда у глазури ко­эффициент термического расширения выше, чем у черепка. Если термическое расширение черепка выше, чем глазури, то происхо­дит отскок глазури, что ухудшает внешний вид изделий. С появ­лением трещин сильно снижается блеск глазури.

Химическая устойчивость – важный показатель качества фарфоровых изделий, так как в процессе экс­плуатации они часто подвергаются воздействию различных хими­ческих сред. При этом следует различать химическую устойчи­вость глазури к воздействию влаги, соды, уксусной и лимонной кислот. Устойчивость глазури к различным средам зависит от ее химического состава: чем меньше в ней щелочей, тем выше ее хи­мическая устойчивость. При определении химической устойчиво­сти фарфоровых изделий необходимо также учитывать устойчи­вость к различным средам надглазурных украшений. При малой химической стойкости глазури и украшений ухудшаются внешний вид изделий и их санитарно-гигиенические свойства. При разру­шении поверхность глазури становится шероховатой и снижается блеск.

Основы производства фарфоровых изделий. Производство керамических изделий, несмотря на их разно­образие, состоит из следующих основных этапов: получения мас­сы, формования изделий, декорирования (украшения). Рассмот­рим эти процессы на примере производства фарфоровых изделий. Сырьевые материалы, применяемые в керамической промышленности, делят на основные и вспомогательные. Основные материалы идут на образование черепка, глазури и получение керамических кра­сок. Вспомогательные используют для изготовления форм (для формования изделий) и капселей, применяемых при обжиге из­делий.

Основные сырьевые материалы. К ним относятся материалы пластичные и непластичные – отощающие, плавни, глазуреобразующие и керамические краски.

Пластичные материалы при смешивании с водой способны при­нимать под действием внешних сил ту или иную форму и сохра­нять ее после сушки и обжига. Они представляют собой тонко­дисперсные горные породы осадочного происхождения. Основные пластичные материалы – глина, каолин и бентонит. Они являются продуктами разрушения горных пород, содержащих полевые шпа­ты (гранитов, гнейсов и др.), под влиянием воды и углекислого газа:

К₂О ∙ А1₂О₃ ∙ 6SiO₂ + 2Н₂О + СО₂ = А1₂О₃ ∙ 2SiO₂ ∙ 2Н₂О + K₂CO₃ + 4SiO₂

ортоклаз каолинит

Продукты, оставшиеся на месте разрушения, называются пер­вичными. Они более качественные, так как меньше загрязнены посторонними примесями. Продукты разрушения горных пород, которые переносятся водой и отлагаются на новом месте, назы­ваются вторичными. При переносе с одного места на другое изме­няются их химический и минералогический составы. Основными минералами, содержащимися в продуктах разрушения, являются каолинит – Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O, монотермит – А1₂О₃∙3SiO₂∙2Н₂О, монтмориллонит – А1₂О₃∙4SiO₂∙2Н₂О, гидро­слюды и др. Каолинит повышает огнеупорность глины, гидрослю­ды снижают пластичность и обусловливают усадку при сушке. При наличии в глинах (бентонитовых) монтмориллонита повы­шается их набухаемость, пластичность и адсорбционная способ­ность.

Глины весьма разнообразны по химическому и минерало­гическому составу и свойствам. Пригодность глин для изготовле­ния керамических изделий, помимо состава, определяется их пла­стичностью (связующей способностью), усадкой (воздушной и огневой), огнеупорностью, интервалом спекания, белизной и др.

Химический состав глин колеблется в широких пределах. Ос­новными соединениями, содержащимися в них, являются крем­незем (до 80 %), оксид алюминия и вода. С повышением содер­жания в глинах свободного кремнезема снижаются их пластич­ность, прочность при сжатии и изгибе и резко повышается пори­стость. Из глин, содержащих более 80 % SiO₂, практически невоз­можно получить изделие.

Примеси соединений железа в глинах снижают их огнеупор­ность, обусловливают деформацию изделий и образование та­ких дефектов, как выплавки и мушки, которые ухудшают внеш­ний вид и снижают сорт изделий. Изделия, изготовленные из глин с повышенным содержанием оксидов железа, имеют темную окраску (от светло-желтой до коричневой), так как при обжиге их в восстановительной среде оксид железа (III) переходит в оксид железа (II), а иногда в металлическое железо. В окислительной среде оксид железа (II) переходит в оксид железа (III) и вызывает появление красной или бу­рой окраски изделий.

Карбонаты и сульфаты способствуют появлению на изделиях белых выцветов. Вредной примесью является известняк, снижающий огнеупорность и интервал спекания глин и повы­шающий их усадку. При обжиге он разлагается с образованием оксида кальция и углекислого газа. Свободный оксид кальция, взаимодействуя с влагой, образует Са(ОН)₂, увеличивающийся в объеме в 1,5-2,5 раза, что приводит к разрушению изделий. На свойства глин большое влияние оказывает и размер гли­нистых частиц. С повышением содержания частиц менее 0,001 мм (от 60 до 90 %) увеличиваются пластичность и усадка глин и по­нижается температура спекания. В легкоплавких глинах частиц менее 0,001 мм содержится от 46 до 60 %, поэтому они имеют мень­шую пластичность. Пластичность глин зависит от минералогического состава, сте­пени дисперсности и формы глинистых частиц, а также химиче­ского состава жидкой фазы. Пластичность глины проявляется при смешивании ее с полярными жидкостями (водой и электро­литами). Определяется пластичность числом пластичности, которое представляет собой разность водосодержания между границами текучести и раскатывания. Число пластичности по видам глин (высокой, средней, умеренной и малой пластичности) соот­ветственно более 25, 25–15, 15–7, менее 7, а также неплас­тичные. Под усадкой глины понимают изменение линейных размеров образца из нее под влиянием процессов сушки и обжига. Усадка происходит в результате того, что при испарении влаги в капил­лярах частично появляются напряжения сжатия. Воздушная усадка глин колеблется в пределах от 6 до 10 %. Большая воз­душная и огневая усадка приводит к деформации изделий и по­явлению трещин. Усадка зависит от пластичности глины, с повы­шением которой она увеличивается. Для уменьшения усадки в глину добавляют отощающие материалы. При обжиге глины спе­каются, уплотняются и уменьшаются в объеме в пределах от 5 до 20%.Огнеупорность характеризуется способностью глин сопротив­ляться действию высоких температур без расплавления. Она влияет на температуру обжига изделий. Огнеупорность зависит от примесей щелочных и железистых оксидов: чем их больше, тем она ниже. Содержание в глине оксида алюминия повышает ее огнеупорность. По степени огнеупорности глины делят на огнеупорные (с температурой плавления выше 1580 °С), тугоплавкие (от 1350 до 1580 °С) и легкоплавкие (ниже 1350 °С). Оксида алюминия в огнеупорных глинах содержится от 30 до 35 %, в легкоплавких от 11 до 17 %. Для изготовления фарфоровых, полуфарфоровых и фаянсовых изделий применяют огнеупорные глины, состоящие в основном из каолинита. От каолина огнеупорные глины отличаются боль­шей дисперсностью, пластичностью, менее выраженным кристал­лическим строением и большим содержанием окрашивающих при­месей, дают более темный черепок. Они имеют больший интервал спекания. Тугоплавкие и легкоплавкие глины, содержащие больше плавней (от 10 до 30 %) и других примесей, применяют для изготовления майоликовых изделий. Они малопластичны, чувстви­тельны к сушке и имеют малый интервал спекания. Температура спекания глины понижается при повышенном содержании оксидов калия или натрия, входящих в состав глино-образующего минерала глины. Увеличение количества кремне­зема в огнеупорных глинах вызывает повышение температуры спекания. С повышением содержания в глине плавней увеличивается интервал спекания и понижается температура спекания. Интер­вал спекания резко уменьшается при добавлении талька.

Каолин относится к мономинеральным породам и состоит в основном из минерала каолинита. В отличие от глины он имеет ярко выраженное кристаллическое строение, меньшую пластич­ность и большие огнеупорность и температуру спекания, что за­трудняет формование из него изделий. Для повышения пластич­ности и улучшения формующих свойств, кроме глины, в массу до­бавляют бентонит. Каолин содержит меньше примесей, в том числе и окрашивающих. При обжиге дает черепок белого цвета, что очень ценится в производстве фарфоровых и фаянсовых изделий. Так же, как глины, каолины делят на первичные и вторичные. Для удаления примесей их обогащают отмучиванием. Отмученный каолин имеет большую огнеупорность (1730-1770 °С). Для изго­товления фарфоровых изделий бытового назначения применяют преимущественно отмученные каолины, фаянсовых – вторичные.

Бентонитовые глины представляют собой продукт гидратации и гидролиза стекловидной фазы пеплов, туфов и лав. Основной составной частью их является монтмориллонит. В ще­лочной среде образуются щелочные бентониты, обладающие вы­сокой пластифицирующей способностью. При смешивании с водой они сильно набухают, увеличиваются в объеме до 10 раз и обра­зуют гелевидную массу. В керамической промышленности их используют в качестве добавок (от 3 до 5 %) взамен огнеупорной глины (8-15 %). Это позволяет сохранить хорошую формующую способность массы и за счет увеличения содержания в ней каолина повысить белизну изделий. Бентониты имеют огнеупорность 1300-1400 °С и играют роль пластификатора и минерализатора, способствуя ускорению процессов фарфорообразования. В качестве сырья для получения фарфоровых изделий приме­няют также каолинизированный кварц («гусевский камень»), со­держащий кварц (56 %), каолинит (40 %) и другие компоненты.

Отощающие материалы применяют для регулирования техно­логических свойств и получения изделий с заданными свойства­ми (уменьшения усадки, деформации и растрескивания изделий). Их делят на искусственные и естественные.

К искусственным отощителям относится шамот, представляющий собой обожженную при температуре 700-900 °С глину. При обжиге из глины удаляется химически связанная вода,и она теряет пластические свойства. В качестве отощающего ма­териала используют также отходы производства (бой).

Естественные отощители – кварц, кварцевый пе­сок, кремень и другие, которые не обладают пластическими свой­ствами. При температуре ниже 1000 °С эти материалы повышают капиллярность массы, что способствует ускорению процессов суш­ки изделий. Отощающие материалы образуют как бы каркас, ко­торый цементируется при сушке и обжиге пластичными материа­лами. Природные отощающие материалы способствуют спеканию черепка при обжиге, взаимодействуя при температуре выше 1000 °С с легкоплавкими примесями пластичных материалов. За счет растворения кварца в расплавах повышается вязкость жид­кой фазы, что предотвращает деформацию черепка. Содержание, отощающих материалов в керамических массах колеблется в пределах от 30 до 80 %. Влияние отощающих ма­териалов на свойства массы и готовых изделий зависит от их при­роды и количества, гранулометрического состава и температуры обжига. При увеличении размера зерен шамота уменьшаются усадка и прочность на сжатие и повышаются пористость и тер­мическая стойкость готовых изделий. Если частицы менее 0,1 мм, то повышаются плотность, прочность и снижаются пористость и термическая стойкость. При введении кварца учитывают его полиморфные превра­щения в пределах 100 и 200 °С (тридимита), 200 и 300 °С (кристобалита) и 500 и 600 °С (кварца), которые могут привести к обра­зованию трещин на изделиях.

К плавням относятся вещества, которые при взаимодействии с компонентами керамических масс образуют легкоплавкие соеди­нения. Их вводят в состав масс для снижения температуры обжи­га. При этом повышаются плотность и механическая прочность изделий и уменьшаются их прочность и термическая стойкость. При увеличении плавней в массе возрастает содержание стекло­видной фазы, в результате чего улучшается просвечиваемость изделий, но уменьшается механическая прочность, особенно на удар, и термическая прочность. В качестве плавней используют полевые шпаты, пегматиты, мел, нефелиновые сиениты, сподумены и другие вещества, способные образовывать легкоплавкие эвтектики. Чаще всего при­меняют полевые шпаты, калиевый ортоклаз – К₂О∙Аl₂О₃∙6SiO₂ или натриевый альбит – Na₂О∙Аl₂О₃∙6SiO₂. Полевые шпаты, введенные в керамическую массу, вначале действуют как отощаю­щие материалы, а при достижении температуры размягчения (1150–1350 °С) – как плавни, способствуя образованию стекло­видной фазы. Она как бы соединяет (склеивает) отдельные части­цы массы и заполняет промежутки между ними, в результате чего повышается просвечиваемость черепка в тонких слоях. Полево­шпатовое стекло способствует и растворению в нем более тугоплав­ких глинистых частиц с последующим образованием кристаллов муллита и других кристаллических фаз. В массу вводят от 5 до 30 % плавней. Примерный состав массы следующий (в %): као­лин – 35, глина веселовская – 4, глина трошковская – 9, квар­цевый песок – 25, пегматит – 20, черепок политой – 5 и утельный – 2.

Глазурь представляет собой тонкий стекловидный слой на по­верхности керамических изделий. Ее наносят для защиты поверх­ности от загрязнений, придания декоративности, а также для по­вышения газо- и водонепроницаемости черепка. Глазурь от череп­ка отличается большим содержанием плавней и меньшим коли­чеством глинистых веществ. Закрепляют глазурь на поверхности черепка обжигом.

Глазури различают по химическому составу, температуре плавления и прозрачности. По составу они бывают полевошпато­выми, баритовыми, титановыми, стронциевыми, циркониевыми и др.; по температуре плавления – легкоплавкими и тугоплавки­ми. Глазури с повышенным содержанием кремнезема и понижен­ным щелочных и щелочноземельных элементов являются туго­плавкими, а с повышенным содержанием щелочных и щелочно­земельных элементов и меньшим количеством кремнезема – лег­коплавкими. Температура плавления тугоплавких глазурей 1400-1370 °С, легкоплавких – 1250-1080 °С и ниже.

Тугоплавкие гла­зури получают из кварца, полевого шпата, пегматита, мела, каоли­на, глины и тонкоизмельченного боя соответствующих керамиче­ских изделий; легкоплавкие – из кварца, полевого шпата, угле­кислого бария, буры, соды, поташа. Глазури для предотвраще­ния растворения в воде их исходных компонентов перед нанесе­нием подвергают предварительному спеканию – фриттованию и последующему помолу. При этом образуются не растворимые в воде силикаты. Состав глазури подбирают в зависимости от на­значения изделий, их природы, характера украшения и темпера­туры обжига.

По прозрачности и цветности различают глазури прозрачные и глухие, бесцветные и цветные. Глухие глазури содержат не­растворимые или плохо растворимые соединения в виде диоксидов олова или циркония, титана, церия и др. Заглушающее действие циркония обусловлено тем, что при плавлении он растворяется а при охлаждении кристаллизуется с образованием оксида цирко­ния, коэффициент преломления которой равен 2,4. Цирконий ока­зывает большее влияние, чем диоксид олова, коэффициент пре­ломления которого 2,04. В состав цветных глазурей входят краси­тели, применяемые в стеклоизделии. Глухими и цветными глазу­рями скрывают дефекты черепка, а также естественную окраску, чтобы придать ему большую декоративность.

Прозрачные и бесцветные глазури применяют при нанесении подглазурных украшений на черепок белого цвета.

Глазури должны соответствовать основному черепку по коэф­фициенту термического расширения, иначе может произойти разрушение глазурного слоя (цек или отскок). Они также должны обладать высокими химической и термической стойкостью, меха­нической прочностью, хорошо сплавляться с черепком, равномер­но разливаться по поверхности изделий и придавать ей блеск. Гла­зури не должны содержать вредных для организма человека ве­ществ.

Для фарфоровых изделий применяют тугоплавкие прозрачные и бесцветные глазури. Примерный состав глазури для указанной ранее массы следующий (в % ): кварц – 30, полевой шпат – 36, политой черепок – 17, доломит – 12 и каолин – 5.

Керамические краски применяют для украшения фарфоровых, а также фаянсовых, майоликовых и других изделий. К ним отно­сятся оксиды различных металлов, в том числе и редкоземельных, которые при нагревании образуют с силикатами, алюминатами, боратами и другими веществами окрашенные соединения на че­репке. Кроме красящих веществ, они содержат легкоплавкое стек­ло или флюсы, которые способствуют равномерному распределе­нию пигмента и сцеплению с черепком. Основной пигмент должен сочетаться по природе с основным флюсом, кислый – с кислым. Керамические краски делят на подглазурные, которыми покры­вают неглазурованный черепок, и надглазурные, которые нано­сят на предварительно заглазурованный черепок.

Подглазурные краски после нанесения на черепок покрывают глазурью и закрепляют одновременно с закреплением глазури при политом обжиге. Они должны выдерживать газовую среду и температуру политого обжига, а также воздействие гла­зури. Эти краски более тугоплавкие благодаря тому, что нахо­дятся под слоем глазури, более стойкие к химическим и механиче­ским воздействиям при эксплуатации изделий и, кроме того, обла­дают повышенным блеском. Ассортимент подглазурных красок ограничен, потому что не всякое красящее вещество способно вы­держать высокую температуру политого обжига (особенно фарфо­ра – 1350-1400 °С) без разрушения и изменения цвета. Для упрочнения подглазурных красок при обжиге красящие оксиды переводят в соединения с другими оксидами, и прежде всего со шпинелями – СоОАl₂О₃, CoOCr₂O₃, FeOCr₂O₃, FeOAl₂O₃, NiOAl₂O₃, NiOCr₂O₃, MgOAl₂O₃ и др., которые дают различные цвета.

Для получения подглазурных красок используют в основном оксиды кобальта (синие и голубые тона), хрома (зеленые и крас­ные), урана и титана (желтые), железа (коричневые и красные), марганца (розовые, фиолетовые и коричневые). Оксиды железа, хрома, марганца и цинка в смеси дают гамму цветов от темно-коричневого до черного; оксид хрома в сочетании с оксидом олова – гамму красных цветов.

Подглазурные краски применяют для украшения фаянсовых
изделий, температура политого обжига которых 1050-1180 °С, и
реже фарфоровых (кроме кобальтовых).

Надглазурные краски более легкоплавкие, скорее разрушаются от химических и механических воздействий. Закреп­ляют их муфельным обжигом при температуре 600-840 °С. Ас­сортимент надглазурных красок более разнообразен. Они пред­ставляют собой легкоплавкое стекло, в котором во взвешенном состоянии находится красящее вещество. В качестве красящих веществ используют оксиды хрома, железа, марганца, сурьмы, кобальта, меди, олова, а также их соединения с алюминием и крем­неземом.

Обжиг надглазурных красок во избежание изменения цвета проводят в окислительной среде. Надглазурные краски чаще используют для украшения фарфоровых изделий.

Наряду с красками применяют люстры, представляющие со­бой особый вид глазурей с металлическим блеском. Они являются сплавами тяжелых металлов с канифолью и бывают бесцветными или цветными. Бесцветные люстры получают на основе висмута, свинца, цинка и алюминия. К цветным относятся железные, ко­бальтовые, урановые, хромовые и др. Закрепляют люстры на по­верхности черепка при температуре около 800 °С, при этом проис­ходит диффузия металла в слой глазури, что и обусловливает ха­рактерный радужный блеск, возникающий вследствие интерфе­ренции падающих и отраженных световых лучей.

Помимо красок и люстров, для украшения керамических из­делий широко применяют препараты жидкого и порошкообраз­ного золота и серебра. Жидкое золото – раствор органического соединения золота в смеси скипидара и хлороформа. Металличе­ского золота в препарате содержится от 10 до 15 %. Препарат порошкообразного золота представляет собой смесь тонкодис­персных частиц металла нитратом висмута.

Вспомогательные материалы. Из этих материалов изготов­ляют формы для получения изделий, огнеупорного припаса и кап­селей для обжига. Для формования применяют гипсовые формы, с помощью которых получают изделия с гладкой, ровной поверх­ностью. Капсели используют для обжига тонкокерамических изде­лий. Они предохраняют изделия от загрязнения продуктами сго­рания топлива и засорки. Изготовляют их из огнеупорного шамота, карборунда и других высокоогнеупорных материалов, а для повышения термической стойкости и оборачиваемости до­бавляют тальк. Так, при введении в состав мас­сы до 13 % талька коэффициент термического расширения снижается до 2,14∙10^-6 за счет образования минерала кордиерита:

3MgO∙4SiO₂∙H₂O+2(Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O) = 2MgO∙2Al₂O₃∙5H₂O+MgOSiO₂+2SiO₂

каолинит кордиерит

Подготовка сырьевых материалов. Состав керамической массы и метод ее подготовки определяют исходя из назначения изделия, его формы и вида исходного сырья. Цель подготовки сырья – разрушение природной структуры ма­териалов до мельчайших частиц для получения однородной массы и ускорения взаимодействия частиц между собой в процессе фарфорообразования. Ее проводят в основном пластическим спосо­бом, который обеспечивает получение равномерной по составу массы.

Пластичные материалы (глину, каолин, бентонит) распускают в лопастных мешалках. Полученную массу в виде суспензии про­пускают через сито для удаления крупных включений и железистых примесей.

Отощающие материалы и плавни сортируют, освобождают от посторонних и вредных примесей. Кварц, полевой шпат, пегма­тит и другие компоненты подвергают обжигу при температуре 900-1000 °С. При этом кварц претерпевает полиморфные превра­щения, в результате чего растрескивается. Это, во-первых, облег­чает помол, а во-вторых, дает возможность удалить куски, загряз­ненные железистыми примесями, так как при обжиге кварц с при­месями железистых соединений приобретает желто-коричневый цвет.

Каменистые материалы, в том числе и фарфоровый бой, про­мывают подвергают дроблению и грубому помолу на бегунах, после чего просеивают.

Пластичные и отощающие материалы, плавни и фарфоровый бой тщательно смешивают в мешалке пропеллерного типа. Одно­родную массу пропускают через сито и электромагнит и подвер­гают обезвоживанию в специальных фильтр-прессах или вакуум-фильтрах. В результате получают пластичную массу влажностью 23-25 %, которую направляют на вылеживание во влажном по­мещении в течение двух недель. 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.

Формуют керамические изделия в основном пластическим ме­тодом и методом литья, а также полусухим прессованием. Для формования применяют гипсовые формы пористостью не менее 25 %. Для изготовления форм в последнее время начали приме­нять массы на основе поливинилхлорида.

При пластическом формовании используют массу влажностью 22-24 %, из которой в зависимости от формы изделия получают заготовки в виде пластов. Для формования применяют полуав­томаты или автоматы.

Методом литья в гипсовые формы изготовляют изделия слож­ной формы и емкостные, например чайники, художественно-деко­ративные предметы. В зависимости от конфигурации изделия гип­совые формы могут быть разъемными. Для формования методом литья готовят сметанообразную массу – шликер влажностью 34-36 %. В него добавляют для повышения текучести при мини­мальной влажности 0,1-0,2 % электролита (соды, жидкого стек­ла), что обеспечивает лучшее заполнение формы. Изделия изго­товляют двумя способами – сливным и наливным.

Сушка. После формования изделия для подготовки к обжигу – за­ключительному и наиболее ответственному этапу производства – подвергают сушке до остаточной влажности 2-4 %. При этом изделие приобретает достаточную для обжига прочность и исклю­чается образование внутренних напряжений, приводящих к по­явлению трещин, деформации и т. п.

Сушка проводится в две стадии: предварительная (подвяливание) – в гипсовых формах и окончательная – без форм. Плос­кие изделия сушат только на гипсовых формах. Полые изделия после предварительной сушки до влажности 14-16 % вынимают из форм, прикрепляют к корпусу приставные детали (ручки, но­сики и др.) смесью шликера с декстрином, после чего изделия окончательно высушивают.

Обжиг. Керамические изделия подвергают, как правило, двукратному обжигу – утельному (до глазурования) и политому (после гла­зурования).

Утельный обжиг в зависимости от состава черепка и назна­чения фарфоровых изделий проводят при температуре 900-1000 °С, а политой – 1350-1400 °С.

Политой обжиг является важным процессом производства фарфоровых изделий, обусловливающим формирование черепка с необходимыми физическими и химическими свойствами. При политом обжиге происходят расплавление глазури, равномерное распределение ее по всей поверхности изделия и сплавление с че­репком. При обжиге должны строго соблюдаться определенные режим температуры, скорость ее подъема, время выдержки и га­зовая среда. Нарушение этих требований приводит к образованию дефектов, ухудшающих внешний вид и свойства готовых изделий.

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

Первый период протекает при температуре до 900-940 °С. Из мас­сы удаляется остаток гигроскопической влаги, происходит раз­ложение глинистых веществ, карбонатов, выгорание органических примесей. В этот период поддерживается окислительная газовая среда. Реакция протекает в твердой фазе и начинается спекание черепка, которое сопровождается усадкой. При температуре 500-550 °С происходит обезвоживание као­линита с образованием метакаолинита – Al₂O₃∙2SiO₂. При повы­шении температуры до 800-900 °С метакаолинит разлагается на оксид алюминия и кремнезем.

Второй период обжига протекает в сильно окислитель­ной среде при температуре 940-1040 °С. В этот период выравнивается температура, завер­шается выделение остатков гидратной воды и полностью выго­рает сажистый углерод. Если углерод не выгорит до расплавления глазури в третьем периоде, то изделие приобретет серую или бу­роватую окраску либо покрывается мельчайшими кратероподобными точками – наколами.

Третий период ведется в интервале температур 1040-1250 °С в восстановительной среде, которая необходима для пе­ревода железа (III) в железо (II). Оксид железа (II) образует силикаты, которые придают черепку голубоватый оттенок. На этом этапе вначале образуется силиманитоподобный ангид­рид, а затем муллит и кремнезем в виде кристобалита. Продол­жается спекание черепка, сопровождающееся интенсивной усад­кой, так как кристаллические частицы соединяются вязким рас­плавом. При температуре выше 1200 °С вязкость расплава сни­жается и на границе твердой и жидкой фаз под влиянием поверх­ностных сил сближаются частицы кварца, продукты разложения каолинита и кристаллы муллита.

Четвертый период, завершающий формирование че­репка, начинается при температуре 1250°С и заканчивается при 1380-1410 °С; протекает он в нейтральной среде. Происходят окончательное спекание черепка, разлив глазури и сплавление ее с черепком. Игольчатые кристал­лы муллита, переплетаясь между собой, способствуют повышению механической прочности и термической стойкости. Процесс муллитизации при этом ускоряется за счет растворения кварца в стек­ле и насыщения его кремнеземом. Образующиеся кристаллы мул­лита как бы врастают в стекло и нерастворившиеся зерна кварца.

Пятый, диффузионный, период обжига соответ­ствует выдержке изделий при максимальной температуре обжига.

После обжига начинается процесс охлаждения. До темпера­туры 600-530 °С. Затем процесс резко замедляется, так как при этом проис­ходят модификационные переходы (α-кварц – в β -кварц и α - кристобалит – в β -кристобалит), сопровождающиеся большими изменениями объемов, что приводит к возникновению внутрен­них напряжений. Помимо этих напряжений, возникают напряжения за счет перехода стекловидной фазы из пластического состоя­ния в упругое.

Декорирование изделий. Изделия украшают подглазурными и надглазурными краска­ми, препаратами золота, растворами солей, красящих оксидов и декоративными глазурями с последующим обжигом.

В зависимости от характера поверхности декорирование изде­лий может быть рельефным и гладким. Рельефное декорирование заключается в нанесении на поверхность изделий выпуклых или заглубленных украшений. К выпуклым относится рельеф, полу­чаемый при формовании путем лепки, к заглубленным – врезы­вание, сверление и вдавливание на поверхности. Различают глад­кое декорирование по сырому черепку, подглазурное и надглазурное.

Для фарфора применяют в основном гладкое надглазурное декорирование, иногда также рельефное и подглазурное.

Из подглазурных красок для украшения фарфора наиболее часто используют кобальтовые (синие) и хромовые (зеленые) краски. Разделки, наносимые на глазурованный черепок, харак­теризуются более разнообразной гаммой цветов, и, кроме того, любые неточности рисунка можно легко исправить до обжига.

Основными видами декорирования изделий являются отводка, лента, усик, крытье, штамп, трафарет, печать, декалькомания, живопись, шелкография, разделка рельефа, фото по керамике, декоративные глазури и др.

Отводка – лента шириной 1-3 мм, наносимая по верхнему краю изделия кисточкой.

Лента – полоска шириной от 4 до 10 мм. На фаянсовые изде­лия наносят буфетную ленту шириной 15–16 мм

Усик – полоска шириной до 1 мм, наносится кисточкой, как правило, под лентой или отводкой.

Крытье – покрытие поверхности изделия краской.

Штамп – мелкий, несложный, однокрасочный, реже много­красочный, повторяющийся рисунок.

Трафарет – однокрасочный или многокрасочный рисунок, наносится с помощью одного или нескольких трафаретов, через вырезы которых краска попадает на поверхность изделия.

Печать – контурный, однокрасочный рисунок в виде точек, черточек и мелких штрихов.

Декалькомания – наиболее распространенный вид украше­ния. Различают декалькоманию литографскую и шелкотрафаретную (сдвижную).

Живопись – самый разнообразный и трудоемкий вид украшения. Рисунок наносят на изделие вручную красками различных цветов и золо­том.

Шелкография – однокрасочный или многокрасочный рисунок, по способу нанесения напоминающий трафарет, но с тонкими и точными штрихами.

Разделка рельефа характерна для изделий с рельефным бор­том или вырезным краем. Изделия раскрашивают краской или золотом. Пестрение – частичная разрисовка, подчеркивающая отдельные элементы; промазка – сплошное покрытие рельефа.

Фото по керамике – негативное изображение переносится с фотопластинки на поверхность изделия.

Декоративные глазури применяют для украшения фаянсовых и майоликовых изделий. Они бывают цветные, потечные, кристал­лические, матовые, кракле, кружевные, люстры и восстановитель­ного обжига.

Цветные – это обычные глазури, в состав которых вводят различные красители. Они бывают голубые, зеленые, красные и др.

Потечные глазури относятся к легкоплавким, темпе­ратура плавления их ниже температуры политого обжига.

Кристаллические глазури содержат диоксид титана, оксиды цинка или хрома. При понижении температуры политого обжига они образуют на поверхности изделия мелкие кристаллы различной формы.

Матовые глазури имеют температуру плавления выше температуры политого обжига.

Кракле получают при нанесении на поверхность изделия глазурей с разным коэффициентом термического расширения, которые при нагревании и охлаждении изделий растрескиваются. Эти мельчайшие трещины заполняют красителями, погружая из­делия в растворы нитрата кобальта (синий цвет), медного купороса (зеленый), серно-кислого марганца (бурый) и т. д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: