Кераміка

ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ І ПОЛОЖЕННЯ

РОЗДІЛ 1

Кераміка – це неметалічні, неорганічні вироби, отримані з однорідної суміші порошкоподібних матеріалів із водою або іншими рідинами різними методами формування і зміцнені у процесі випалу. До кераміки поряд із традиційними керамічними виробами (гончарними, фаянсовими, фарфоровими) відноситься велика група нових видів продукції, що складаються з оксидів металів (А1₂О₃, Fe₂O₃, MgО, ZrО₂ і ін.) і отримали назву оксидної кераміки. Окрему групу керамічних виробів складає спеціальна кераміка (корундова, стеатитова, електротехнічна, санітарно-технічна), та інші види кераміки.

У даному посібнику ми визначаємо кераміку як мистецтво та науку виготовлення і використання твердих виробів, що складаються в основному з неорганічних неметалевих матеріалів. Це визначення включає не тільки такі матеріали, як фаянс, порцеляну, вогнетриви, будівельну кераміку, абразиви, емалі, цементи і скло, але також неметалеві магнітні матеріали, сегнетоелектрики, синтетичні монокристали, а також різноманітні інші види продукції, що не існували, декілька років тому, багато типів яких не виробляються у великих кількостях і сьогодні.

Наше визначення кераміки набагато ширше, чим мистецтво та наука виготовлення й використання твердих виробів, які утворено під впливом нагрівання на природні сировинні матеріали; це визначення розширює значення грецького слова “keramos”, що означає фаянс, або «обпалений матеріал», а також набагато ширше, чим звичайні словникові визначення, такі, як «фаянс» або «гончарний виріб». Сучасний розвиток методів виробництва та використання матеріалів, що відповідають запропонованим вимогам, а також їхні нові унікальні властивості роблять традиційні визначення занадто обмеженими для наших цілей.

Однією з найважливіших характеристик керамічної промисловості є те, що вона являє собою основу для успішної роботи багатьох інших галузей індустрії. Вогнетриви, наприклад, є основою для металургії. Абразиви потрібно для машинобудування та автомобільної промисловості. Вироби зі скла необхідні не тільки для будівництва та автомобільної промисловості, але також і для електроніки й електропромисловості. Різноманітні види спеціальної електро- і магніто-кераміки необхідні для розроблення електронних контрольно-вимірювальних приладів, лічильно-вирішувальних пристроїв і інших апаратів. Фактично майже будь-яка виробнича лінія, підприємство, або споруда використовують керамічні матеріали. Прилади сучасної конструкції включають керамічні матеріали, тому що вони мають цінні хімічні, електричні, механічні, термічні й структурні властивості.

Таким чином, значення керамічної промисловості визначається не тільки тим, що вона включає великі галузі індустрії, але і тим, що властивості керамічних матеріалів незамінні в багатьох областях застосування.

Ми можемо визначити традиційну кераміку, як силікатну промисловість, що включає, головним чином, виробництво виробів із глин, виробництво цементу і силікатного скла.

Мистецтво виготовлення фаянсу шляхом формування та випалу глини було відомо на початку цивілізації. Вироби з обпаленої глини були знайдені в розкопках, що мали вік біля 15 тис. років до нашої ери, а як промисловий продукт вони були широко поширені в Єгипті біля 5 тис. років до нашої ери.

Виробництво силікатного скла також є найдавнішим мистецтвом. Природне скло (обсидіан) використовувалося ще в середні віки. Емалі на кам'яних намистах були відомі біля 12 тис. років до нашої ери. Вироби, сформовані зі скла, були відомі в період 12-5 тис. років до нашої ери, а біля 2 тис. років до нашої ери в Єгипті була досить досконала скляна промисловість.

На противагу цьому виробництво цементоподібних матеріалів одержало розвиток лише біля ста років тому. Єгиптяни використовували обпалене вапно як розчин для мурування; пізніше римляни скомбінували вапно з вулканічним попелом для виготовлення природного гідравлічного цементу. Потім це мистецтво, очевидно, було втрачено, але гідравлічні властивості слабо обпалених глинистих вапняків були знову відкриті в Англії приблизно в 1750 р., і в наступні сто років процеси виробництва цементу, в основному ті ж самі, що і тепер, одержали достатній розвиток.

Найбільша частка серед галузей керамічної промисловості, безсумнівно, припадає на виробництво різноманітної продукції зі скла. Такими, найбільш великими за обсягом виробництва галузями керамічної промисловості є виробництва вапна й цементу. У цій групі матеріалів найбільша частка припадає на гідравлічні цементи, використовувані в будівництві. Найбільше різноманітна група виробів включена у класифікацію, що відноситься до тонкої кераміки. Ця група включає фаянс, порцеляну і фарфороподібні матеріали з тонким черепком, до яких відноситься велике число специфічних матеріалів. До наступного класу традиційної кераміки відносять емалі, що представляють собою, головним чином, силікатні склоподібні покриття по металах. Інша чітко виражена група матеріалів включає будівельні матеріали, головним чином, цеглу та черепицю, а також аналогічні вироби, такі, як каналізаційні труби та ін. Особливо важливою групою матеріалів із погляду їхнього промислового застосування є вогнетриви. Біля 40% випуску вогнетривів падає на виробництво шамоту, а інші 40% - на виробництво грубозернистих безглинистих вогнетривів, таких, як магнезит і подібних йому за складом. Крім того, є велика потреба у спеціальних вогнетривких матеріалах. До групи абразивних матеріалів відносять, головним чином, карборундові та корундові абразивні вироби. Нарешті, до останньої групи галузей керамічної промисловості, що не виробляє керамічних виробів як таких, відноситься синтез мінералів і подібних сировинних матеріалів, використовуваних у керамічній промисловості.

Ці традиційні типи кераміки достатньо точно характеризують профіль тієї силікатної промисловості, опис якої вперше було дано Американським керамічним товариством у 1899 р. Однак і в даний час силікатна промисловість складає переважну частку в загальному обсязі виробництва керамічної промисловості, і з цього погляду вона може вважатися основною галуззю цієї області виробництва.

Промисловість випускає будівельну кераміку у виді плиток для внутрішнього й зовнішнього облицювання будинків, санітарних виробів, виробі для захисту апаратів і будівельних конструкцій хімічних виробництв, труб для каналізаційних мереж і спеціальних виробів. Цегла і стінові камені усіх видів, черепиця, дренажні труби відносяться до місцевих будівельних матеріалів.

По призначенню вироби будівельної кераміки поділяють на такі види:

санітарні керамічні - умивальники, унітази, бачки змивні, пісуари та ін., встановлювані в туалетних помешканнях, санітарних вузлах житлових, суспільних і промислових будинків;

плитки для внутрішнього облицювання стін, для обробки внутрішніх вертикальних поверхонь будинків;

плитки фасадні рядові, і спеціального призначення для облицювання зовнішніх стін кам'яних будинків, зовнішніх поверхонь стінових панелей і великих блоків, а також для оздоби цоколів будинків, підземних переходів, обрамлення віконних і дверних отворів і оформлення інших архітектурних елементів будинків;

плитки для підлог - для покриттів підлог у санітарних вузлах, вестибулях і на сходових площадках житлових і суспільних будинків, а також у виробничих і допоміжних будинках промислових підприємств;

каналізаційні труби, застосовувані в умовах неагресивних і агресивних ґрунтових вод, для будівництва безнапірних каналізаційних мереж виробничих, побутових і дощових стічних вод;

вироби кислототривкі (цегла, плитки) і термо-кислототривкі (плитки), що працюють в умовах кислих агресивних середовищ.

По засобі формування розрізняють вироби таких видів:

спресовані з напівсухих мас (плитки для внутрішнього облицювання стін, фасадні, для підлог);

сформовані з пластичних мас (каналізаційні труби, хімічно стійкі вироби);

відлиті зі шлікерних (рідких) мас (санітарні вироби).

За структурою черепка, що утвориться після випалу, виділяють вироби: грубої кераміки та тонкої кераміки.

До грубокерамічних відносять вироби, виготовлені з керамічних мас із розміром часток вихідної сировини до 5 мм. Вироби цієї групи (каналізаційні труби, кислототривкі плитки та ін.) мають пофарбований черепок, високу пористість і задовільну морозостійкість, що дозволяє використовувати такі вироби в монументальній скульптурі й елементах будівельних конструкцій.

До тонко керамічних відносяться вироби, виготовлені з мас із розміром часток менш 100 мкм. Такі вироби (санітарні вироби, плитки для внутрішнього облицювання стін та ін.) можуть бути кольоровими, білими та покритими кольоровими глазурами. Підвищена в порівнянні з грубо керамічними виробами механічна міцність дозволяє виготовляти велику групу тонко керамічних виробів побутового призначення. Білий черепок фарфору, фаянсу та півфарфору створює можливість застосування великої колірної гами фарб для їхнього декорування й випуску художніх виробів.

Вироби грубої та тонкої кераміки, у свою чергу, бувають пористі (не спечені) і щільні (спечені).

Пористі грубокерамічні вироби мають у зламі землистий вид, шорсткувату поверхню; вони не прозорі, пропускають воду, можуть убирати 8-20 % води. До них відносять, в основному, деякі види місцевих будівельних матеріалів.

Щільні вироби мають блискучий злам, гладку поверхню, можуть убирати не більш 5-7 % води, водонепроникні, при ударі видають дзвінкий звук. До них відносять кислототривку цеглу та плитки, каналізаційні труби.

Вироби з черепком, який спікся, що мають водопоглинення нижче 1 %, називають кам'яними керамічними. Якщо при цьому черепок ще і просвічується, то його називають порцеляновим.

Тонкі керамічні вироби в залежності від їхнього водопоглинення поділяють на порцелянові, напівфаянсові (щільні) і фаянсові (пористі).

Порцелянові вироби характеризуються щільним, непроникним для води та гасу черепком, який спікся, що просвічується в тонкому прошарку, водопоглинення їх не більш 0,5 %. Вироби мають високу механічну міцність, хімічну стійкість, багаті декоративні можливості.

напівпорцелянові вироби мають щільний, що не просвічується в тонкому прошарку черепок; водопоглинення їх не більш 5 %.

Фаянсові вироби з тонкозернистим пористим черепком мають водопоглинення до 12 %.

Фарфор має білий, щільний, спечений, водонепроникний черепок. Характеризується високою механічною міцністю, термостійкістю і хімічною стійкістю, відсутністю відкритої пористості. Білизна фарфорових виробів, регламентована стандартами, коливається від 55 до 67%.

Фарфорові вироби виготовляють із тонких сумішей (мас) глинистих матеріалів (глини, каоліни, бентоніти), кварцу, польового шпату й інших алюмосилікатів. Склад маси та температура випалу фарфору визначають основні показники його фізико-механічних властивостей.

У залежності від складу вихідної сировини, співвідношення компонентів і максимальної температури випалу розрізняють твердий (температура випалу 1380...1450°С) і м'яку порцеляну (температура випалу нижче 1300°С). Твердий фарфор відрізняється від м'якого тим, що в масі твердого фарфору більше каоліну і менше польового шпату — плавня, що забезпечує розвиток склоподібної фази в масі і сприятливому зниженні температури випалу фарфору.

Твердий фарфор — найбільш розповсюджений вид фарфору; характеризується високими показниками технічних властивостей: високою хімічною стійкістю, механічною міцністю, щільністю, електроізоляційною здатністю. Водопоглинення черепка твердого фарфору не повинне перевищувати 0,1%, твердість по шкалі Мооса 6...8, термостійкість— не менш 180°С, черепок повинний бути просвічуваним при товщині 2,5 мм і менш.

З твердого фарфору виготовляють вироби художньо-побутового та технічного призначення (у хімічній, електротехнічній і іншій галузях промисловості). Вироби художньо-побутового призначення можуть бути виготовлені гладким або рельєфними, з рівним або фігурним краєм. Декорування цих виробів здійснюють, в основному, керамічними фарбами: надглазурними та підглазурними, нанесеними різними способами.

Фаянс, напівпорцеляна, майоліка та гончарні вироби відносяться до виробів із пористим дрібнозернистим білим або пофарбованим черепком, покритим безбарвними прозорими, або кольоровими глухими непросвічуючими глазурами. Ці вироби мають у зламі шорстку поверхню, непрозорі, пропускають рідину в неглазурованому виді.

Фаянсові вироби мають білий або слабо пофарбований черепок, покритий прозорою, кольоровою або глухою глазур’ю, яка закриває пори і робить його непроникним для рідини та гасу. Для виготовлення фаянсових виробів використовують глинисті матеріали, польовий шпат, кварц, а також вуглекислі матеріали, такі, як вапняк, доломіт, крейда та ін.

По складу мас фаянс поділяють на три типи: твердий, або польовошпатовий, глинистий (найбільш древній фаянс) і м'який, або вапняний (середньовічний).

За своїми технічними та гігієнічним властивостями фаянс значно поступається фарфору, але його вартість значно нижче вартості фарфору. Водопоглинення фаянсових виробів 9...12%.

З фаянсових мас виготовляють вироби господарсько-побутового (столовий, чайний, кавовий посуд), декоративного (вази, скульптури, сувеніри) і санітарно-технічного (раковини, унітази і т.п.) призначення.

Вироби з напівфарфору відрізняються білим або слабо зафарбованим напівспаленим черепком, покритим прозорою або кольоровою глазур'ю. По складу, температури випалу, технічним і гігієнічним властивостям напівфарфор займає проміжне положення між фарфором і твердим фаянсом. Пористість напівфарфорових виробів по водопоглиненню 3...8%. З напівфарфору виготовляють різний посуд і санітарно-технічні вироби.

Майолікові вироби мають крупно пористий черепок із гладкою або рельєфною поверхнею, покритою глазур'ю. Виготовляють їх із природно пофарбованих легко - і тугоплавких глин, що містять домішки карбонату кальцію та пісок; в основному використовують місцеві глини.

Через високу пористість (до 15%), недостатньої міцності при вигині (30...50 МПа), невисокій термостійкості та схильності до розтріскування майолікові вироби не одержали широкого застосування. При використанні дешевих місцевих глин можна організувати виробництво цих виробів із мінімальними витратами навіть на цегельних заводах. Низька температура обпалення майоліки (близько 1000°С) дає можливість використовувати наявну палітру фарб, емалей і глазурей різноманітних кольорів для декорування майолікових виробів.

Застосовують майоліку для виготовлення предметів декоративно-художнього призначення (вази для квітів, настінні блюда, настільні лампи, попільниці, скульптура та ін.), а також господарського посуду (келихи, масельнички, вази для фруктів, набори для квасу, компоту, глечики, миски).

Широке поширення одержала фаянсова майоліка, що виготовляють із фаянсової маси і покривають прозорими або кольоровими глазурями.

Гончарні вироби характеризуються пофарбованим пористим черепком, покритим прозорою, глухою або кольоровою глазур’ю. Виготовляють їх із місцевих легкоплавких глин (85%), у які для підтримки постійного складу та одержання якісної продукції вводять кварцовий пісок (15%), бій виробів і т.п. Так як глина — основний компонент гончарних мас, до неї пред'являють особливі технічні вимоги, що забезпечують високу якість виробів: глина повинна бути визначеної пластичності; не повинна містити розчинних солей; мати однорідний хімічний і мінералогічний склад; володіти високою механічною міцністю у висушеному стані.

До якості черепка також пред'являються визначені вимоги: міцність при стиску повинний бути в межах 10...25 МПа; пористість по водопоглиненню — 8...13%; структура повинна бути однорідною.

З гончарних мас виготовляють вироби декоративно-прикладного та господарського призначення.

Теракотою називають глиняні неглазуровані вироби, що мають пористий, грубозернистий, із природним або штучним рівномірним фарбуванням черепок.

З теракоти, що характеризується високою механічною міцністю на стиск (15...25 МПа) при пористості близько 20% і декоративними якостями, виготовляють різні вироби: архітектурні деталі, монументальні скульптури, декоративні елементи, будинків і т.п. Вироби з теракоти термостійкі, стійкі до атмосферних впливів, при тривалій експлуатації не змінюють свого кольору.

Тонко кам’янисті (кам'яні) маси містять високо пластичну вогнетривку глину (із змістом А1₂О₃ неменш 17%), каолін, польовий шпат або його замінники, кварцовий пісок, тальк, тонко перемелений бій виробів і шамот.

Кам'яні маси в порівнянні з фарфоровими мають у своєму складі значно більше глини, яка низько спікається, або шамоту, які містять значну кількість легкоплавких з'єднань, що дозволяє знизити в них зміст плавнів (польового шпату). Тонко кам’яні вироби, виготовлені з кам'яних мас, мають білий або рівномірно пофарбований щільний спечений черепок, що не просвічується, гладку поверхню, яку покрито прозорою, кольоровою або глухою глазур'ю, або неглазуровану поверхню, водопоглинення - не більш 4%, високу термостійкість, межу міцності при вигині - до 60 МПа.

Висока механічна міцність і стійкість до хімічних впливів, значна термостійкість дозволяють використовувати тонко кам’яні вироби як кухонний посуд. Крім того, із тонко кам’яної маси готують вироби технічного призначення, зокрема, хімічну апаратуру, а також декоративні вироби і вироби побутового призначення (посуд столовий, чайний, кавовий і т.п.).

Шамотні маси застосовують для виробництва великогабаритних товстостінних виробів — раковин, ванн, декоративних ваз. Сировиною для цього виду мас служать глини з високою сполучною здатністю, пластичні, що мають широкий інтервал спікання (400...800°С) і високий зміст глинозему (не нижче 30%), що забезпечує опір деформації під навантаженням при випалі виробів. У випадку відсутності таких високоякісних глин використовують суміш декількох глин і каолінів, що дозволяє коригувати властивості маси в бажаному напрямку.

Іншу складову частину маси (шамот) — готують із цієї ж глини або суміші глинистих матеріалів шляхом випалу при температурі на 50...80°С вище, ніж температура випалу виробу; водопоглинення шамоту 8...10%.

Крім глини та шамоту до складу маси входять пегматит (4...5%), кварцовий пісок (до 15%), електроліти.

По виду обробки поверхні вироби бувають глазуровані та неглазуровані, одноколірні, багатобарвні або з малюнком, гладкі або рельєфні. Глазуровані вироби, покрито прозорою або глухою, білою або кольоровою, матовою глазур’ю, або глазур’ю, що блищить.

Загальну схему керамічних виробів наведено на рис. 1.1.

Дата добавления: 2014-10-17