Фарфор: почему он капризный и как с ним договориться

Фарфор не прощает: он хуже держит форму на круге, трескается в сушке по донцу, ведёт себя в печи как мягкий воск и прилипает к полке. Причина не в характере материала, а в его составе. Тот же полевой шпат, что делает черепок белым, плотным и просвечивающим, делает его мягким при обжиге. Разберём, откуда берутся типичные провалы и что с каждым из них делать.

Немного истории

Фарфор изобрели в Китае больше тысячи лет назад; датировки разнятся, музей Гардинер в Торонто относит первые фарфоровые изделия Северного Китая к VI веку. Европа долго покупала китайский фарфор и пыталась его повторить. Только в 1709 году, по данным Метрополитен-музея, Иоганн Фридрих Бёттгер нашёл материалы для белой, просвечивающей, высокообжиговой массы. В 1710 году Август Сильный основал в Мейсене первую в Европе мануфактуру твёрдого фарфора.

Из чего он состоит

Твёрдый фарфор делают в основном из каолина, полевого шпата и кварца. Тони Хансен (Digitalfire) приводит базовую массу на конус 10 (около 1280 °C): 50 % глины — каолина вместе с пластичной глиной, 25 % шпата и 25 % кварца. Известный вариант той же базы — «25-25-25-25», по четверти шпата, кварца, каолина и пластичной глины.

Промышленные составы сложнее. Например, в работе БГТУ (Минск) описана масса из 42 % просяновского каолина, 7 % веселовской глины, 18 % пегматита, 25 % кварцевого песка, 2 % глинозёма и 6 % боя изделий с обжигом при 1350 °C. Для студийной печи такие температуры недостижимы, поэтому студийные массы держат на более высоком содержании плавней.

Что делает каждый компонент

• Полевой шпат — главный плавень, и его доля решает почти всё. По Хансену, 35 % шпата позволяют массе созреть на конусе 6 (около 1220 °C), и это практический предел. При 15 % шпата зрелость уходит на конус 12. Нижней практической границей для шпата как стеклообразователя Хансен называет 1180 °C.
• Кварц нужен для посадки глазури. Хансен пишет, что 20–25 % кварца — необходимость, а при 15 % глазури могут цековать.
• Каолин даёт белизну и огнеупорный «скелет». Чем больше в массе каолина, тем больше в черепке игольчатого муллита и тем устойчивее изделие в обжиге.

Твёрдый и мягкий

Главное различие между твёрдым и мягким фарфором — температура обжига: около 1400 °C у твёрдого и около 1200 °C у мягкого. Энциклопедия Брокгауза и Ефрона (1902) приводит цифры того времени: китайский фарфор обжигали около 1370 °C (конус Зегера № 12), севрский — около 1430 °C (№ 15). Обжиг твёрдого фарфора длился 18–36 часов, на дровах — до 48. Там же отмечено, что каолин с примесью оксида железа больше 1,3 % для высших сортов непригоден: железо — главный враг белизны.

Студийный фарфор на конусы 6–10 — по сути «мягкий» по температуре, но с теми же тремя компонентами. Плавней в нём больше, чем в заводском, и именно отсюда растёт большинство его капризов.

Каприз первый: каолин не любит круг

Каолины — наименее пластичные из глин и сохнут быстрее всех. Хансен приводит масштаб: по размеру частиц и удельной поверхности каолин и бентонит различаются примерно в сто раз, по прочности в сухом виде — в десять. Grolleg он описывает как умеренно пластичный и липкий во влажном состоянии, причём липкость обманчива: она больше реальной пластичности.

Поэтому почти все фарфоры для круга пластифицируют:

• Бентонит. Чисто каолиновым массам, по Хансену, обычно нужно 2–5 %. Массам на Grolleg — около 3 % для круга и около 0,5 % для литья. Белый бентонит вводят 2–4 % в пластичные массы и не больше 1 % в шликер.
• Очищенные смектиты. VeeGum или Bentone дают «турбо»-пластичность при 3–4 % и почти не вносят железа. Самая чистая пластичная масса Хансена на конус 10 в восстановлении: новозеландский каолин 50, шпат 21, кварц 25, VeeGum 3 — железа около 0,15 %.

Пример кружечной массы Хансена на Grolleg для конуса 10 в восстановлении: Grolleg 50, кварц 25, шпат 20, бентонит 5. О том, как работают эти добавки и чем за них платят, — в нашей статье о пластичности глины.

Керамист Йопполо в статье для Ceramic Arts Network добавляет наблюдение с круга: фарфор тиксотропен и может снова размягчаться даже после стадии «твёрдого сыра». Основные потери на круге — оседание формы, в обжиге — коробление.

Каприз второй: «память»

О «памяти глины» спорят много. Тимоти Андерсон в Ceramics Monthly даёт рабочее определение: это ориентация частиц, закреплённая их физическими и ионными свойствами. После деформации при формовке частицы при сушке стремятся вернуться к прежнему положению. Отсюда изделие, которое «само» перекашивается на полке, хотя вы его выровняли.

Важная мысль Андерсона: память — не одно свойство, а набор эффектов с одним источником, водой. Когда вода уходит из глины, уходит и память. То есть память работает при сушке. Коробление в печи — уже другое явление, пиропластическая деформация, о ней ниже. Путать их вредно: от одной помогает ровная сушка, от другой — состав и обжиг.

Фарфор, по Андерсону, особенно склонен к проблемам памяти, но подвержена им любая высокопластичная масса. Общая усадка выше 12,5–13 % — признак высокой пластичности и большого риска коробления. Что помогает:

• равномерная толщина стенок;
• ровная сушка — во влажной камере, под плёнкой, с точечным опрыскиванием, без губки;
• меньше воды при формовке;
• пласт раскатывать в нескольких направлениях, а полосу около 5 см по краю не использовать.

Каприз третий: усадка 13–15 %

Фарфор садится заметно сильнее каменной массы. Вот паспортные цифры известных студийных фарфоров:

Большая усадка значит, что любая неравномерность — в толщине, во влажности, в скорости сушки — превращается в напряжение. Сам каолин Grolleg, по Хансену, даёт огневую усадку 0 % при 1180 °C и 14 % при 1280 °C, а водопоглощение падает с 14 до 6 %. Это наглядно показывает, как круто фарфор спекается на последних сотне градусов.

Каприз четвёртый: сушка и S-трещины

S-образная трещина на донце — классика фарфора. Хансен объясняет её почти всегда одним: край изделия высох раньше донца. Край уже сел, а донце ещё мокрое и большое, и его разрывает.

Главное, по Хансену, — не скорость, а равномерность. Он приводит пример: пластичный фарфор с усадкой при сушке 6 % трескался, а грубая каменная масса с 7 % — нет. Широкий набор частиц в каменной массе даёт прочность и гасит микротрещины, а тонкий однородный фарфор этого запаса не имеет.

• Донце обтачивайте на следующий день до толщины стенки.
• Ручки ставьте рано, внутренние изгибы покрывайте воском, чтобы они не опережали остальное.
• Сушите на гипсовых плитах под тканью и плёнкой. Большие тарелки могут сохнуть месяц и больше.
• Соединяйте только детали одинаковой влажности. Совет Йопполо — уплотнение, уплотнение и ещё раз уплотнение.

Каприз пятый: коробление в печи

Здесь фарфор и показывает характер. Хансен формулирует жёстко: все остальные факторы вместе не так важны, как один — доля полевого шпата. Фарфор коробится сильнее других масс именно потому, что в нём больше шпата, а не из-за белизны или малой пластичности. При созревании он, по словам Хансена, буквально размягчается — не настолько, чтобы упасть, но достаточно, чтобы потерять форму.

Отсюда главный компромисс фарфора. Просвечивающий черепок должен быть сильно остеклован — значит, он будет коробиться. Хансен пишет, что 35 % шпата дают лучшую просвечиваемость и наименьшую устойчивость в печи, а около 25 % — меньше коробления, но и меньше просвечиваемости. При этом высокая температура для просвечиваемости не обязательна: с 4 % VeeGum на конусе 6 у него вышла отличная просвечиваемость всего при 20 % шпата.

Насколько тонко можно работать? Хансен приводит свою массу Polar Ice на конус 6: стенки кружек около 3,5 мм, а на более жёсткой массе удавалось и 2 мм. Для сравнения, ГОСТ 28390-89 требует от фарфоровых изделий первого сорта просвечиваемости не меньше 30 % при толщине черепка до 2,5 мм и белизны не меньше 64 %. Тонкая стенка усиливает и просвечиваемость, и все риски сразу: она быстрее сохнет, легче оседает и сильнее ведёт в обжиге.

Что делать с короблением

• Проверьте печь. Хансен отмечает: масса часто коробится потому, что контроллер довёл её выше, чем вы думали. Контрольный конус в каждом обжиге обязателен.
• Меньше шпата или ниже температура. Если просвечиваемость не главное, уйдите на 25 % шпата.
• Форма. Чуть толще стенки, расходящиеся силуэты. У тарелок — не оставлять острый вогнутый переход от ножки к стенке, а скашивать его.
• Подставки. Для изделий с маленькой ножкой — кольцевые подставки правильного размера; внешнюю сторону тогда не глазуруют. Для тонких чаш — обжиг вверх дном на подставке по диаметру края.
• Ровные полки. Прогнутая полка, по выражению Хансена, даёт «чашу-качалку».
• Сравнивайте массы тестом. Тест на пиропластическую деформацию — тонкие бруски на двух опорах — описан в нашей статье о протоколе испытания новой массы.

Для ориентира: ГОСТ 28390-89 на фарфоровые изделия допускает деформацию 1,5 % от характерного размера для плоских и полых изделий первого сорта.

Каприз шестой: трещины при остывании

Дантинг — трещины, которые появляются при охлаждении. По Хансену, ключевая точка — кварцевый переход около 573 °C, когда кварц резко меняет объём. Риск выше, если в массе много кварца и мало шпата, толщина стенки неравномерная, а охлаждение быстрое. В его примере треснула глубокая фарфоровая чаша с широким дном на конусе 6. Не открывайте печь рано и не форсируйте охлаждение в районе 600–500 °C.

Каприз седьмой: наколы и полка

Наколы в глазури. Хансен связывает их с газами от органики и крупных частиц. Даже фарфор, продаваемый как просеянный через сито 200 меш, содержал у него частицы, оставшиеся на ситах 100 и 70 меш. Его рекомендации:

• утильный обжиг выше 982 °C, чтобы органика выгорела до глазури;
• в политом обжиге — спуск на 56–111 °C ниже пика с выдержкой, чтобы пузыри успели закрыться;
• охлаждение около 83 °C в час от 1149 до 760 °C.

Прилипание к полке. Хансен честен: если вы обжигаете сильно остеклованную массу, она будет приставать к полке. Обычная обмазка из каолина и кварца 50:50 здесь хуже, чем обмазка на прокалённом глинозёме или цирконе. Его рецепт — чистый прокалённый глинозём с примерно 10 % прокалённого каолина и 1 % КМЦ. Ещё один приём — ставить фарфор на тонкий слой кварцевого песка или гранулированного глинозёма.

Источники: Tony Hansen, Digitalfire — Porcelain, Warping, Body Warping, Translucency, Drying Crack, Dunting, Pinholing, Plucking, Kiln Wash, Clays for Construction, Grolleg Kaolin, PPD test; Timothy Anderson, «Techno File: Clay Memory» (Ceramics Monthly, 2019); G. Yoppolo, «Persnickety Porcelain…» (Ceramic Arts Network); паспорта масс — Laguna (Frost, MC550, MC15, Everest LC1, через The Ceramic Shop и Laguna Clay), Aardvark Coleman Porcelain, Southern Ice (Hot Clay), Potclays Harry Fraser Porcelain, Limoges PT010B (Potterycrafts); И.В. Пищ, А.П. Черняк, С.Э. Жекишева, «Влияние некоторых добавок на белизну фарфора» (БГТУ); ГОСТ 28390-89 «Изделия фарфоровые. Технические условия»; Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона, статья «Фарфор» (т. XXXV, 1902); Wikipedia, «Hard-paste porcelain»; Gardiner Museum, «Invention of Porcelain»; J.H. Munger, «German and Austrian Porcelain in the Eighteenth Century» (The Metropolitan Museum of Art, Heilbrunn Timeline).