Обжиг керамики считается важнейшим технологическим процессом, причем наиболее энергозатратным. Не зная основ химии достаточно трудно понять, что именно происходит с глиной при обжиге. Тем не менее, теория изготовления керамики является доступной для любого желающего, так как можно пользоваться готовыми рецептами, не вдаваясь в детали технологии. Обжиг позволяет получить керамику в привычном для нас виде из глины путем множества физико-химических преобразований. Происходит так называемое спекание, это финальная стадия обжига.
В зависимости от технологии обжига можно получать различные результаты. Основное назначение термической обработки – увеличение прочности черепков, повышение их водонепроницаемости, придание керамике устойчивого оттенка. Если говорить подробнее, то для каждого вида керамики обжиг вносит свои изменения.
Утиль (керамика, получаемая всего лишь одним обжигом и отличающаяся отсутствием декора и глазури) должен стать прочным, но оставаться пористым, чтобы впоследствии впитать глазурь. Бисквитный фарфор после обжига приобретет белизну и шелковистость, а глазури будут отлично блестеть.
Параметры обжига и его технологии были получены методом проб и ошибок. Нужна большая практика, чтобы познать все секреты изготовления керамики. Опытный мастер действует не спонтанно. Он интуитивно предполагает, какие свойства приобретет глина после обжига.
Примечательно то, что азы гончарного искусства постигали люди, далекие от таких наук, как физика или химия. Действительно, с научной точки зрения технология обжига выглядит достаточно сложно. В составе глины присутствует множество химических соединений, которые в процессе высокотемпературной обработки претерпевают различные изменения. Чтобы познать теорию, необходимо иметь представление о таких процессах, как дегидратация, фазовые переходы, химические реакции, кристаллизация и плавление, а также растворение.
Даже сегодня нет единой методики точных расчетов для получения того или иного результата. Иногда требуется провести десяток экспериментов, чтобы получить нужный оттенок или нужные физические свойства. Тем не менее, можно управлять процессом обжига, зная его принципы и особенности.
Процессы, протекающие при обжиге
В настоящее время у мастера есть все возможности, чтобы регулировать процесс термообработки. Современные печи позволяют обжигать заготовки при высоких температурах, обеспечивая высокую скорость нагрева. Но не всегда такая высокая скорость востребована, так как определенные ограничения накладывает быстрота протекания физико-химических процессов. Именно эти процессы сырую глину превращают в прочную керамику.
На полное завершение процесса уходит некоторое время. Если его не выдержать, то изделие не получит тех свойств, на которые рассчитывает керамист.
Принято делить процесс обжига на определенные температурные интервалы. Такое деление обусловлено тем, что в определенном интервале происходят свои изменения. В специальной литературе можно встретить таблицы с подробным описанием процессов. Для общего понимания достаточно остановиться на основных.
25-200 градусов
В диапазоне температур от 25 до 200 градусов происходит повышение внутренней энергии изделия. Скорость нагрева достаточно низкая, поэтому успевает удалиться межслоевая (связанная) вода. В данном периоде важно равномерно прогревать слои глины.
Первый этап способен выявить ранее допущенные технологические ошибки. Например, могут проявиться неоднородные массы или пузыри, которые образовываются в результате плохого вымешивания или неравномерной сушки. При допущении чрезмерного заглаживания будут наблюдаться скопления газов, так как у них нет возможности выйти наружу через поры.
Желательно, чтобы конструкция печи позволяла регулировать скорость нагрева. Она выбирается, исходя из таких условий, как объем муфеля, масса обжигаемых изделий, толщина их стенок. Массивные глиняные черепки необходимо прогревать постепенно, чтобы тепло успевало проникнуть в материал и изделие равномерно повышало свою температуру.
Но не стоит слишком замедлять нагревание, так как это чревато появлением эффекта «запаривания». Проявляется эффект в возникновении пятен на глазури в результате конденсации растворенных в воде солей. Средняя скорость нагревания на первом этапе составляет около 100 градусов в час. На данном этапе глазурные покрытия подвержены риску образования трещин, если будет происходить интенсивное выпаривание влаги.
200-400 градусов
В диапазоне температур от 200 до 400 градусов финализируется удаление связанной воды. Помимо этого, большая часть органических соединений сгорает, поэтому важно на данной стадии обеспечить хороший приток кислорода. Органика в глине может встречаться в виде добавок и связующих, но и сам материал содержит природные органические элементы. Их выгорание может длиться гораздо дольше, вплоть до этапа нагрева до 700 градусов.
Скорость нагрева на данном диапазоне также не превышает 100 градусов в час. Обычно при достижении температуры в 400 градусов производится 15-минутная выдержка. Заглушки муфеля должны быть открыты, чтобы выделяющиеся газы покинули печное пространство. В то же время, обжиг должен быть окислительным, то есть процесс происходит при взаимодействии с кислородом.
400-600 градусов
При более высокой температуре происходит выделение воды, которая входит в состав кристаллической решетки глинистых минералов. Этот процесс называется дегидратацией. Сам по себе процесс дегидратации не сопряжен возникновением каких-либо сложностей, однако в процессе разрушения глинистых минералов локально наблюдаются внутренние напряжения в слоях материала.
Особое внимание следует уделить скорости роста температуры вблизи значения 573 градуса. При указанной температуре происходит фазовый переход, при котором стабильный в нормальных условиях полиморфный кварц (α-кварц) превращается в высокотемпературную модификацию (β-кварц).
При прохождении данной отметки рекомендуется еще снизить скорость нагрева, так как возникают дополнительные напряжения по всему объему черепка. После того, как температура изделия достигнет 600 градусов, делают выдержку продолжительностью около 30 минут.
600-800 градусов
В указанном диапазоне температур глина обладает пониженными свойствами прочности. Дело в том, что и обжиге происходит модификация глинистых минералов. Исходные минералы уже разложились, а новые минералы пока не образовались, то есть керамика не спеклась. Все материалы пребывают в твердой фазе.
Диапазон от 600 до 800 градусов желательно пройти в ускоренном режиме. Скорость нагрева должна составлять не менее 130 градусов в час. Остановка нагрева может фатально обернуться для будущего изделия.
800-1000 градусов
Спекание керамики начинается при температуре 800 градусов. Точную температуру назвать невозможно, так как ее значение зависит от состава глины. К этому времени остатки глинистых минералов путем перекристаллизации и соединения с другими веществами трансформируются в новые минералы. В процессе химического взаимодействия некоторых компонентов глины образуются газообразные вещества. Важно, чтобы именно на данном этапе завершилось образование летучих веществ.
Более детальный рецепт обжига, то есть конечная температура, скорость нагрева на каждом этапе и время выдержки, зависит от состава глины. Присутствующие в глине карбонаты при высокой температуре переходят в жидкое состояние. Пережег таких черепков чреват образованием стекловидного вещества с низкой прочностью и низкой пористостью. Глины, не содержащие карбонатов, спекаются быстрее, поэтому их обжигают первым обжигом при температуре 950 градусов. Высокотемпературные шамоты обжигают по так называемой «фаянсовой» схеме, приведенной ниже.
В небольших мастерских без сложного оборудования регулировать процесс охлаждения очень сложно, поэтому чаще всего мастера просто отключают печь, позволяя керамике остывать естественным путем. Однако и здесь есть свои нюансы.
Печь не следует открывать для увеличения скорости остывания. Считается, что керамика должна по времени остывать столько же, сколько она и нагревалась.
Каменные массы и фарфор содержат много кварца, поэтому опять-таки при прохождении отметки 573 градуса следует замедлить скорость остывания. Открывать печь можно только после того, как температура в ней упадет ниже 160 градусов.
Можно ли добавить декор на глиняные изделия?
Да, можно! Есть несколько способов декорирования глиняных изделий:
- Штампы с контррельефом. Их можно найти в специализированных магазинах. Используйте их на слегка влажной глине, чтобы сделать маркировку, которая отлично подходит для узоров или даже «подписей».
- Инструменты: вилки, ножи, иголки, расчески или подобное, которые могут создать удивительный дизайн и текстуры, от которых ваша керамика только выиграет.
- Отпечатки: листья, камни, ветки или подобное. Мягко прижмите их к глине, чтобы создать отпечаток перед тем, как обжечь изделие или высушить.
Художественное оформление действительно выглядит хорошо, и если вы не создаете керамику, которая требует глазурирования, то эти небольшие украшения, сделают вашу керамику еще более привлекательной.
Виды обжига
После того, как были изложены основы процесса обжига при нагревании и охлаждении материалов, можно детальнее рассмотреть суть утильного обжига. Однако его целесообразнее описывать в контексте обобщенной теории, поэтому речь будет вестись обо всех видах обжига. Большинство разновидностей керамики обжигаются за несколько этапов. Самой популярной схемой является двухэтапная схема обжига, хотя существуют рецепты, состоящие из 3 и более этапов.
В двухэтапной схеме обжига первый называется утильным или промежуточным. Для первого обжига изделие просушивают, но не декорируют. Если быть точным, то допускается частичное декорирование цветной глиной или ангобами. Глазурью покрывают изделие только перед политым обжигом, так как термообработка глазури требует более высоких температур, нежели при утильном обжиге.
Утиль, черепок и бисквит – все это слова-синонимы и означают полуфабрикат, с которым еще предстоит работать. Утиль декорируется надглазурными или подглазурными красками, глазурью или ангобами, содержащими флюсы. Самостоятельно выбрать температуру утильного обжига сложно, так как необходимо определить тот интервал температур, в котором бы завершились процессы газообразования и набора прочности, но при этом пористость оставалась достаточно высокой, чтобы впоследствии можно было нанести глазурь. Как правило, пользуются уже готовыми, давно разработанными схемами, проверенными на практике.
Политой обжиг нужен для термообработки, как самого черепка, так и глазури или красок, которыми он декорирован. Температуре обжига также определяется для каждого состава в отдельности. Рецептура первого и второго обжига весьма разнообразна, однако можно выделить пять основных схем, которыми пользуются керамисты. Применение той или иной схемы зависит от разновидности керамики, поэтому, прежде чем приступить к описанию схем обжига, ответим, что вся керамика условно делится на несколько видов.
- Фарфор и каменные массы. Данный вид керамики отличается наличием карбонатов, следовательно, при обжиге возникает много плавней, то есть большая масса пребывает в жидкой фазе.
- Фаянс. Фаянсовая керамика характерна отсутствием жидкой фазы.
- Майолика. К ней относят изделия из красной глины, это продукты гончарного ремесла и терракота.
- Шамот. Огнеупорная глина, в состав которой входят зерна обожженного ранее материала.
Схема обжига для фарфора
На первом этапе производится утильный обжиг. Изделия из глины просушивают, но не покрывают глазурью. Температура утильного обжига фарфора не превышает 1000 градусов. В результате такой термообработки черепки приобретают нужную прочность и пористость.
Черепки после утильного обжига называют утилем. Они пригодны для глазурования различными методами. На готовый утиль наносятся подглазурные краски и саму глазурь. Затем проводится политой обжиг. Температура обжига может достигать 1420 градусов (для настоящего фарфора).
Схема обжига для фаянса
Утильный обжиг фаянса проводят при более высокой температуре, так как в материале практически отсутствуют плавни. Это означает, что если черепок обжечь при температуре 1250 градусов, то он останется пористым.
Температура для политого обжига диктуется температурой плавления глазури. Таким образом, температура политого обжига фаянса может быть ниже температуры утильного обжига. Тот факт, что фаянс можно обжигать более низкой температурой, дает возможность проводить третий, декорирующий обжиг, используя весь спектр красок глазурей.
Схема обжига для майолики
Для изготовления майолики используются глины, не отличающиеся высокой тугоплавкостью. Их нельзя пережигать, иначе будут образовываться дефекты и вспучивания. Некоторые глины готовятся в узком диапазоне температур. Например, при температуре 950 градусов они еще достаточно рыхлые, а при температуре 1050 градусов – уже плотно спекаются.
Утильный обжиг проходит в том режиме, когда все глинистые минералы полностью трансформируются. Средняя температура первого обжига лежит в диапазоне от 900 до 950 градусов. Режим политого обжига устанавливается, исходя из свойств глазури.
Схема для обжига шамота
В шамотных массах присутствует жесткий каркас из предварительно обожженных зерен. Он исключает усадку глины в процессе обжига. Отсутствие усадки позволяет обжигать глину при высоких температурах (для остальных материалов температура ограничена по причине возникновения деформаций).
Основная схема обжига является классической. Сначала идет утильный обжиг, и его сменяет поливной. При необходимости можно проводить дополнительный декорирующий обжиг.
Схема одноэтапного обжига
Одноэтапный обжиг оправдывает себя лишь тем, что он наиболее выгоден в экономическом плане. Здесь играют роль такие факторы, как энергозатраты, трудозатраты на загрузку изделий в печь и выгрузку из нее.
Схема одноэтапного обжига проста: на высушенный черепок наносится глазурь, а затем за один прием происходит общий обжиг. Таким образом, утильный и поливной обжиги объединяются.
Но подобный способ имеет несколько недостатков. Приходится декорировать изделие из сырой глины, а это очень неудобно. Для закрепления глазури на поверхности пластичной глины необходимо использовать специальные добавки. Данный способ нельзя применять при работе с низкотемпературными красками и глазурями.
Преимущества изготовления глиняных изделий в домашних условиях
Есть несколько плюсов изготовления керамики в домашних условиях, определяющих популярность этого ремесла:
- Это дешевле в долгосрочной перспективе, так как не нужна аренда студии.
- Все запасы материалов всегда под рукой.
- Это экономит время, не нужно никуда ездить.
- Нужны минимальные инвестиции.
- Позволяет вам заниматься этим в комфортных домашних условиях.
Также есть несколько недостатков занятия этим дома:
- У вас не будет учителя, чтобы помочь вам.
- Вы должны изучить все самостоятельно.
- У вас может не быть суперпрофессиональных инструментов, которые есть в студиях.
- Вы можете быть ограничены в выборе изделий, которые хотите сделать.
Если вы только учитесь изготавливать керамику, прежде всего нужно работать над техникой, и делать это дома — это хороший способ создать комфортное пространство и изучить основы ремесла. Но если у вас нет домашней студии, то стоит также попробовать поработать в специализированной студии, особенно если у вас нет своих материалов. Это позволит вам быстрее изучить основы техники и проверить, сможете ли вы создать более комфортные условия для изготовления глиняных изделий у себя дома.
Технология изготовления гончарной печи
«Заводские» печи, тем более профессионального назначения, стоят очень дорого (свыше 35 000 рублей), но народные умельцы научились делать устройства для обжига собственноручно. Стоит заметить, что по типу используемого топлива такие печи могут быть:
Мы рассмотрим только первые два, поскольку добиться требуемой температуры, сжигая древесину, будет достаточно трудно. Начнем с электрического оборудования. По способу расположения данные печи для обжига могут быть:
- муфельными (в них греющие элементы находятся вокруг герметичного сосуда (муфеля), выполненного из шамотного материала; с помощью таких печей зачастую обогреваются русские школы);
- камерными (прибор нагрева располагается внутри).
Второй вариант для домашнего изготовления больше подходит, т. к. соорудить большой муфель своими силами достаточно трудно, да и теплопотери у муфельной конструкции высокие. Рассмотрим, как можно изготовить камерную печь.
Как сушить глину?
Если вы не работаете с печью, то скорее всего, вы собираетесь сушить глину воздушной сушкой или выпеканием в духовке. Есть несколько способов для каждого из них.
Для запекания в духовке:
- Разогрейте духовку до нужной температуры.
- Поместите туда глиняную заготовку на подносе.
- Запекайте необходимое количество времени.
- Проверьте твердость изделия.
Это просто, но опять же, нагрев недостаточно сильный для фарфора или фаянса.
Для воздушной сушки:
- Положите изделие в безопасное место.
- Подождите. Это может занять до 24 часов.
- Проверьте изделие на твердость и дайте ему еще времени при необходимости.
- Если вы сушите на воздухе, используйте мелкозернистую наждачную бумагу, чтобы удалить мелкие неровности, прежде чем переходить к покраске.
Сушка глиняной посуды требует времени, но правильная техника сушки, поможет вам избежать неудач.
Устройство печи
Заключительным этапом создания керамического изделия является его обжиг. В этом случае незаменимыми устройствами служат гончарные печи. Прежде чем начать сооружение собственной, или осуществить покупку уже готовой, необходимо разобраться в конструкции этого изобретения. Оно имеет очень простую структуру:
- Теплоизолированную камеру для обжига из огнеупорного материала
Газовую горелку, или же, нагревательное устройство
Загрузочно-разгрузочное устройство
Регулирующие устройства
Серьезный подход к выбору оборудования обеспечит производство качественной продукции. Причем важна не только конструкция, но и сопутствующие материалы, будь то смесь для каминов и печей, растворы и прочие средства. Все современное печное оборудование оснащено программной системой, благодаря которой печь для обогрева или же для обжига имеет удобное управление. С помощью этой системы, выполнение работ может регулироваться десятками специально установленных режимов, при которых возможно осуществлять обжиг самых разных материалов и предметов.
Сегодня производство кирпича и прочих материалов на глиняной основе – дело очень прибыльное. Крупные предприятия используют широкоформатные промышленные варианты печей, выполненных в самых разных размерах и формах. (См. также: Печь тандыр своими руками)
Разумеется, для собственного производства, как нельзя, кстати, подойдет малогабаритная печь. Многие предприятия сегодня занимаются изготовлением устройств на заказ по желанию потребителя. Причем данный вариант покупки оборудования самый оптимальный, поскольку печь будет выполнена под определенную работу.
Сейчас широкой популярностью обладают электрические печи. Они имеют специальную сварную камеру, выполненную из профилей металлических. Не стоит говорить о том, что она обладает высокой теплоизоляцией, поскольку здесь имеют место быть огнеупорный кирпич и различные волокнистые материалы. Для таких печей характерны небольшие габариты. Часто такую конструкцию принимают за печь декоративную, однако, это не так. Ее небольшие размеры связаны с меньшей толщиной футеровки. Оборудование оснащено поворотной дверью и нагревательными спиралями высокого уровня. Такой подход исключает возможность деформации обжигаемых изделий. Техника оснащена программной системой и микропроцессорным температурным регулятором.
