Производство костяного фарфора

Необхідність випалювання  органічних речовин до температури 950 ° С обумовлена ​​ще й тим, що при цій температурі фарфор має досить високою пористістю (газопроницаемостью), що сприяє безперешкодному виходу газів, які утворюються при згорянні органічних речовин. Тривалість випалювання органічних речовин з порцеляни залежить від його товщини і вмісту кисню, а також від обсягу садки.

У цьому періоді (при температурі 575 ° С) випалу відбувається реакція  перетворення?-Кварцу в?-Кварц, яка супроводжується збільшенням обсягу виробів, що, однак, не викликає появи дефектів. Пояснюється це наявністю великої кількості пір в нагрівається порцелянової масі. Крім того, при розширенні в поверхневих шарах вироби виникають стискаючі зусилля, яким матеріал добре чинить опір.

До температури 1000 ° С  закінчується декарбонізація (термічне розкладання) вуглекислих магнію MgCO3 і кальцію СаСО3, присутніх у  фарфоровій масі. Карбонат магнію MgCO3 починає  розкладатися при температурі 650 °  С, а карбонат кальцію СаСО3 - при 920 ° С.

За таких відносно низьких  температурах матеріал має ще більшу газопроникність, що сприяє безперешкодному  виходу утворюється при розкладанні  карбонатів вуглекислого газу СО2.

Другий період випалу протікає при температурі від 950 до 1050 °  С в різко окислювальному середовищі. У цей період окрім завершення реакції декарбонізації і перетворення? - В?-Кварц відбувається інтенсивне вигоряння вуглецю в черепку, повне звільнення матеріалу від залишків гідратної води, а також окислення сполук заліза.

Нагрівання виробів в  другий період випалу носить майже  ізотермічний характер, що сприяє вирівнюванню температурного поля в об'ємі садки  виробів.

Третій період випалу - відновний. Відновлювальний період створюється  збільшенням концентрації СО в продуктах  горіння палива в температурному інтервалі 1050-1250 ° С. Оксид вуглецю  СО відновлює оксид заліза Fe2O3 до оксиду FeO, а сульфати кальцію CaSO4 і натрію Na2SO4 - до сульфідів і сульфітів, що запобігає спучування черепка і сприяє створенню ефекту «відбілювання» порцеляни. Крім того, FeO сприяє утворенню склоподібної (рідкої) фази, розширює інтервал спікання. Склоподібна фаза, у свою чергу, сприяє інтенсивності протікання реакції муллітообразованія (муллит - основна складова кристалічної фази фарфору).

Реакції відновлення оксиду заліза Fe2O3 до FeO здійснюється за такими схемами:

3Fe2O3 + СО = 2Fе3О4 + CO2

Fe3O4 + СО = 3FеО + CO2

O2 + 2СО = 2CO2

2FeO + SiO2 = 2FеО • SiO2

Підвищення температури  в цей період випалу і концентрації СО прискорює реакції, але при  дуже інтенсивному або занадто пізньому (по температурі) процесі відновлення  швидкість утворення склоподібної фази може перевершити швидкість  відновних реакцій, і гази, не знайшовши  виходу з черепка, викличуть утворення  в ньому здуття. Склоподібна фаза утворюється в основному в  інтервалі температур 1150-1170 ° С, хоча в невеликій кількості вона утворюється  вже при температурі 950-1000 ° С. У фарфоровій масі присутні й інші компоненти, що виділяють гази при  нагріванні, тому ці гази повинні бути також вилучені до досягнення температури 1170 ° С, тобто до плавлення польового  шпату, коли порцеляна має ще достатньої газопроницаемостью.

Реакції відновлення сульфатів  кальцію CaSO4 і натрію Na2SO4 протікають за такими схемами:

CaSO4 + CO = CaSO3 + CO2

CaSO3 + СО = СаО + SO2 + CO2

Na2SO4 + CO = Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + CO = Na2O + SO2 + CO2

Якщо відновну середу в  цей період замінити окисної, то розкладання  сульфатів закінчиться при температурах, що перевищують точки плавлення  польового шпату, що також призведе до утворення здуття. Відновлювальна середу значно знижує температуру газовиділення  компонентів маси, що сприяє отриманню  бездефектного (без здуття) черепка.

У продуктах горіння СО може міститися в кількості від 3 до 8% залежно від типу печі. Збільшення вмісту СО небажано, тому що при цьому  в продуктах горіння утворюється  сажа, яка осідає на виробах. При  подальшому її вигорянні можуть виникнути  дефекти на глазурі - наколи.

Тривалість відновного періоду  визначається в основному товщиною і формою виробів, що випалюються.

Розглянутий температурний  інтервал 1050-1250 ° С супроводжується  інтенсивної усадкою маси. При  цьому капіляри і пори в черепку  поступово закриваються, а дифузія  газів затухає. Найбільш інтенсивно усадка протікає в інтервалі температур 1000-1200 ° С. Найбільша усадка відповідає і найбільшому ущільненню черепка.

Четвертий період випалу (1250-1410 ° С) - спікання фарфору - протікає в  умовах нейтрального середовища.

У цей період триває розкладання  алюмосилікатів, що містяться в керамічній масі, на вільні оксиди з подальшим  утворенням муллита (3А12О3 • 2SiO2) і вільного кварцу; завершується утворення склоподібної і кристалічної фаз; відбувається спікання фарфору, при якому він набуває основні фізико-механічні властивості, а також хімічну стійкість.

Цей період протікає від  температури 1250 ° С до кінцевої температури  випалу, величина якої залежно від  складу фарфорової маси може коливатися від 1280 (м'який фарфор) до 1410 ° С (твердий  фарфор). Щоб отримати необхідну  мікроструктуру, що характеризується закритою пористістю від 2 до 4%, оптимальну температуру випалу встановлюють на 20-50 ° С вище температури найбільшого  ущільнення. Підвищення температури  вище оптимальної викличе пережог порцеляни, при якому знижується білизна, збільшується пористість, зменшується міцність виробів.

Четвертий період випалу завершується витримкою при максимальній температурі  протягом часу, необхідного для завершення реакцій спікання, а також більш  рівномірного розподілу кристалічної фази в склоподібної. Тривалість витримки залежить від обсягу виробів, що випалюються. Надмірне збільшення витримки викликає пережог виробів. Відсутність же витримки при швидкому підйомі температури від 1250 ° С до максимальної створює недожог виробів.

П'ятий період випалу - різке  охолодження. При охолодженні порцеляни  велике значення має точка переходу склоподібної фази з розплавленого  в твердий пружне стан і крапка затвердіння глазурі.

Температурі переходу в твердий  стан відповідає точка затвердіння  глазурі на фарфорі. У глазypeй твердих порцелян ця точка знаходиться близько температури 700 ° С, у глазурі м'яких порцелян - 550 ° С. Для того щоб між черепком і глазур'ю не з'явились термічні напруги, рекомендується знижувати швидкість охолодження в цих інтервалах температур. В іншому випадку може виникнути розтріскування глазурного покриву. Надмірно сповільнене охолодження може призвести до втрати блиску глазурі через її кристалізації.

На початковій стадії охолодження (1410-1000 ° С) на фарфорових виробах  можуть виникнути два види дефектів: жовтизна на поверхні і матовість  глазурі. Жовтизна виникає в результаті окислення заліза: 4FeO + O2 = 2Fe2O3. Оксид  заліза Fe2O3 надає жовтий відтінок поверхні виробів. Хоча жовтий відтінок не погіршує інших властивостей порцеляни, але  при цьому псується зовнішній  вигляд виробу. Жовтизна може бути усунена  при повторному випалюванні, виконаному за нормального режиму. Матовість  глазурі виникає через її кристалізації.

При швидкому охолодженні  від 1410 до 1000 ° С у повітряному (окисної) середовищі у зв'язку з  великою інтенсивністю початковій стадії охолодження окислення FeO і кристалізація глазурі стають неможливими, внаслідок чого черепок зберігає білизну і блиск глазурі.

Шостий період випалу - охолодження. При подальшому охолодженні в  інтервалі температур 1000-700 ° С  рідка фаза остаточно твердне  і фарфор переходить з в'язкого стану  в крихкий. У цей період у виробі виникають термічні і механічні напруги. Термічні напруження, що виникли через різницю температур в період пружного стану, зникають після вирівнювання температури по товщині виробів, тому їх називають тимчасовими. Термічні напруги можуть привести до руйнування виробів при охолодженні. При застиганні рідкої фази у виробі виникають механічні напруги внаслідок нерівномірності усадки маси по її товщині. Такі напруги можуть також призвести до руйнування виробів як у процесі охолодження, так і у споживача. Тому механічні напруги називаються залишковими.

Тимчасові і залишкові  напруги залежать від швидкості  охолодження виробів в цей  період. Допустима швидкість охолодження  залежить від властивостей матеріалу, розмірів і форми виробів, а також  від обсягу садки. Для зменшення  напруг обох видів швидкість охолодження  в цей період дещо знижується. Подальша швидкість зниження температури  визначається термічною стійкістю  виробів і вогнеприпасів.