Физико-химические процессы при обжиге керамических масс.

Обжиг – конечная и важная стадия любого керамического производства. При обжиге керамических изделий происходят сложнейшие физико-химические процессы, в результате которых керамическая масса – механическая смесь минеральных частиц – становится камнеподобным материалом – прочным, твердым, химически стойким, с присущими только ему эстетическими свойствами.

Периоды обжига:

- подъем температуры, нагревание (наиболее ответственный);

- выдержка при постоянной температуре;

- снижение температуры, охлаждение.

Составляющие режима обжига:

- скорость нагрева и охлаждения,

- время выдержки при постоянной температуре,

- температура обжига,

- среда обжига (окислительная, в условиях свободного доступа воздуха; восстановительная, в условиях прекращения доступа воздуха и избытка угарного газа; нейтральная).

Физико-химические процессы, происходящие при обжиге:

1. Удаление свободной (гигроскопической) влаги – 100–250 ˚С.

После сушки изделия имеют остаточную влажность около 2–4 %, и эта влага удаляется в начальный период обжига в интервале температур 100–250 ˚С. Подъем температуры в этом периоде обжига следует вести осторожно со скоростью 30–50 ˚С в час.

2. Окисление (выгорание) органических примесей – 300–800 ˚С.

При быстром подъеме температуры и недостаточном притоке кислорода воздуха часть этих примесей может не выгореть, что обнаруживается по темной сердцевине черепка.

3. Дегидратация глинистых материалов – удаление химически связанной воды – 450–850 ˚С.

 Особенно активно этот процесс происходит в интервале температур 580–600 ˚С. Al₂О₃ ∙ 2SiO₂ ∙ 2Н₂О = Al₂О₃ ∙ 2SiO₂ + 2Н₂О Удаление химически связанной, или конституционной, воды в составе основного глинообразующего минерала – каолинита – сопровождается разложением молекулы этого минерала и переходом его в метакаолинит Al₂О₃ ∙ 2SiO₂, имеющий скрытокристаллическое строение. В интервале температур 550–830 ˚С метакаолинит распадается на первичные оксиды Al₂О₃ ∙ 2SiO₂ = Al₂О₃+2SiO₂, а при температуре свыше 920 ˚С начинает образовываться муллит 3Al₂О₃ ∙ 2SiO₂, содержание которого во многом определяет высокую механическую прочность, термостойкость и химическую стойкость керамических изделий. С повышением температуры кристаллизация муллита ускоряется и достигает своего максимума при 1200–1300 ˚С.

4. Полиморфные превращения кварца – 575 ˚С.

 Данный процесс сопровождается увеличением объема кварца почти на 2%, однако большая пористость керамики при этой температуре не препятствует росту кварцевых зерен и в черепке не возникает значительных напряжений. При охлаждении печи при той же температуре происходит обратный процесс, сопровождаемый сокращением объема черепка на приблизительно 5 %.

5. Выделение оксидов железа – от 500 ˚С.

В составе керамических масс железо может находиться в виде оксидов, карбонатов, сульфатов и силикатов. При температуре обжига выше 500 ˚С оксид железа Fe₂O₃, частично замещающий Al₂О₃ в глинистых минералах, выделяется в свободном виде и окрашивает керамику в красный цвет, интенсивность которого зависит от содержания Fe₂O₃ в керамической массе. Углекислое железо – сидерит – Fe₂СO₃ разлагается в интервале температур 400–500 ˚С.  Разложение сульфата железа FeSO₄ происходит при температуре 560–780 ˚С.

6. Декарбонизация – 500–1000 ˚С.

Данный процесс происходит в фаянсовых и майоликовых массах, в состав которых входят карбонатные породы: мел, известняк, доломит: СаСО₃ = СаО+СО₂. Выделяющийся СО₂ не дает каких-либо дефектов на изделиях, если керамические массы в этот период еще не отфлюсовались. В противном случае на поверхности изделий могут появиться характерные вздутия – «пузыри».

7. Образование стеклофазы – от 1000 ˚С.

 Глинистые минералы при нагреве до 1000 ˚С не плавятся, но ввод в состав керамических масс силикатов с высоким содержанием щелочных металлов способствует образованию смесей с температурой плавления от 950 ˚С. Жидкая фаза, даже в небольшом количестве, играет очень важную роль в повышении спекания черепка, как бы «склеивая» минеральные частицы керамической массы в единое целое.

8. Восстановительный обжиг (для фарфора – 1000–1250 ˚С, для гончарной керамики и майолики – 500–950 ˚С).

 Восстановительная среда создается путем увеличения концентрации окиси углерода в печных газах и способствует изменению цвета керамических масс и декоративных покрытий за счет стремления СО «отнять» кислород у химических элементов, входящих в состав керамических изделий. Цель создания восстановительной среды при производстве фарфора – перевод оксида железа, содержащегося в фарфоровой массе и придающего нежелательную желтую или желто-серую окраску фарфору, в силикат-фаялит FeO ∙ SiO₂ – слабоокрашенное соединение голубовато-белого цвета, в результате чего значительно повышается белизна фарфора. Превращение в результате восстановительного обжига окиси железа в его закись придает черепку в зависимости от содержания в нем Fe₂O₃ и в зависимости от температурного режима обжига оттенок от зеленовато-голубого до иссиня-черного.

9. Расплавление полевошпатных материалов – 1100–1360 ˚С.

В расплавленном полевошпатном стекле растворяются метакаолинит Al₂О₃ ∙ 2SiO₂ и мелкие зерна кварца. В этом температурном интервале происходит образование (кристаллизация) муллита 3Al₂О₃ ∙ 2SiO₂, который вместе с нерастворившимися частицами кварца образует каркас керамического черепка.