Жаростойкая масса для донабэ и посуды на огонь: рецепт и технология
Почему обычная керамика лопается на огне и чем от этого спасают петалит, сподумен и кордиерит, мы разобрали в обзорной статье о жаростойких массах. Здесь — практическая часть: конкретные опубликованные рецепты с цифрами усадки и водопоглощения, окно обжига, глазури, формовка и проверка готовой вещи. Всё, что ниже, — данные из исследовательских отчётов и проверенных рецептов, а не пересказ советов с форумов.
Рамка японской промышленной массы
Японские донабэ промышленного типа делают на петалите. Обзор в журнале Керамического общества Японии (Ито, 2009) даёт базовую рамку состава:
- петалит — около 40 %;
- глины кибуси и гайромэ — около 45 %;
- каолин или пирофиллит — около 15 %.
Обжиг — около 1200 °C, обычно в интервале 1150–1200 °C, чаще в окислительной среде. Утильный обжиг 700–800 °C, иногда его пропускают. Водопоглощение готового черепка 5–15 %: масса слегка пористая, и без глазури горшок будет протекать. Низкое расширение дают кристаллы твёрдого раствора β-сподумена, которые образуются из петалита при обжиге.
Промышленный институт префектуры Миэ называет для жаростойких масс долю петалита 40–50 % и принимает в работе порог ТКЛР 2,5·10⁻⁶ 1/°C. Это ориентир: всё, что заметно выше, на открытом огне рискованно.
Рецепт PC5: полный цикл испытаний
Самый полезный для мастерской документ — отчёт Промышленного центра префектуры Тотиги (Исобэ, Хоси, Ямато, 2023). Авторы делали жаростойкую массу для керамики Масико из местного сырья и опубликовали не только рецепт, но и результаты по пяти температурам обжига.
| Компонент | % |
|---|---|
| Отмученная глина Масико | 30 |
| Глина кибуси | 30 |
| Петалит, помол #80 | 40 |
| Обжиг, °C | Огневая усадка, % | Общая усадка, % | Водопоглощение, % | ТКЛР, ×10⁻⁶ | Термоудар |
|---|---|---|---|---|---|
| 1180 | 3,1 | 6,5 | 8,1 | 2,3 | без изменений |
| 1200 | 3,6 | 7,0 | 5,4 | 2,6 | без изменений |
| 1220 | 4,1 | 7,5 | 3,0 | 2,5 | без изменений |
| 1250 | 4,6 | 8,0 | 1,7 | 2,9 | мелкие трещины |
| 1280 | 3,6 | 7,0 | 0,8 | 3,9 | трещины, вспучивание дна |
Усадка при сушке во всех случаях 3,5 %. Термоудар проверяли так: горшок ставили на открытое пламя бытовой газовой плиты (эквивалент 2,95 кВт) с перепадом температур 350 °C. Оптимальным авторы признали обжиг 1200–1220 °C.
Из таблицы видно главное правило жаростойкой массы: её нельзя «дожимать» до плотности. Чем выше обжиг, тем ниже водопоглощение — и тем хуже термостойкость. При 1250 °C авторы связывают трещины с низкой пористостью, при 1280 °C — с исчезновением β-сподумена, после чего ТКЛР скачком вырос до 3,9·10⁻⁶. Окно в 40–50 градусов между «ещё протекает» и «уже лопается» — узкое, и его нужно проверить на своей печи, а не брать на веру. Требования, которые авторы ставят жаростойкой керамике: ТКЛР не выше 3,0·10⁻⁶ и водопоглощение при кипячении около 5–10 %.
Тони Хансен (Digitalfire) говорит о том же с другой стороны: массы-«ломы» на минералах лития надо обжигать ниже их полной зрелости, иначе полевой шпат растворяет малорасширяющиеся кристаллы.
Сподуменовая масса на конус 10
Для печей, где обжигают на конус 10 (около 1282 °C при скорости 60 °C/ч), есть рецепт Дэвида Пира из Ceramics Monthly (май 2011):
| Компонент | Доля |
|---|---|
| Сподумен | 30 |
| Огнеупорная глина Hawthorne | 25 |
| Пластичная глина OM4 | 25 |
| Полевой шпат G-200 | 10 |
| Пирофиллит Pyrax HS | 10 |
| Добавки: красный оксид железа | 1,75–2 |
| Добавки: шамот 48 меш | 5 |
Обжиг восстановительный, поверхность матовая средне-коричневая. Усадку и водопоглощение автор не приводит — их придётся измерить самостоятельно. Хансен описывает похожую «учебниковую» схему: около 30 % сподумена, около 10 % полевого шпата, около 10 % пирофиллита, остальное пластичная глина и каолин. Его оговорка: пластичные глины вносят свободный кварц, который в такой массе может не раствориться, а кварц — враг термостойкости.
Что показали испытания Digitalfire
Хансен публикует свои пробные массы вместе с замерами. Время под пламенем горелки (до трещины) хорошо показывает, что работает, а что нет.
| Масса | Состав | Результат |
|---|---|---|
| L3164A | каолин 68, тальк 32, бентонит 4, шамот Mulcoa 10 | 34 с на конусе 10R; водопоглощение 7,5 % (к. 10), 11,6 % (к. 6); хорошая пластичность |
| L3660C | пирофиллит 60, каолин 20, молохит 15, бентонит 5 | 25 с на конусе 7; водопоглощение 10,2 % (к. 10); пластичность низкая |
| L3660G | пирофиллит 60, каолин 35, бентонит 5 | 3–9 с — «очень плохо» |
Последняя строка — полезный антипример: один пирофиллит без лития, талька или шамота термостойкости не даёт. Огневая усадка у L3164A на конусе 10 — 5,8 %, при сушке 6,2 %. Хансен также напоминает, что тальк в массе сам по себе кордиерита не образует: кристаллам нужно больше 1300 °C, и такие массы держатся в основном на крупном шамоте, который тормозит трещину.
Для петалита у него простое правило. Массы с 60 % петалита и больше выдерживают прямое пламя и резкое охлаждение водой. Пластичную массу составляют из петалита и столько пластичной глины, сколько нужно для работы; шликерную — из петалита и каолина. Бентонит позволяет поднять долю петалита, не теряя пластичности.
Готовые массы
В Японии жаростойкую массу продают готовой. Например, «耐熱土 赤» магазина Nendoyasan: обжиг 1150–1250 °C, усадка 8,5–9,5 %, помол 120 меш, подходит для круга, лепки, пласта и литья. Магазин предупреждает, что глазури на этой массе склонны кристаллизоваться и уходить в мат, и ограничивает продажу 100 кг в одни руки из-за нехватки петалита. Магазин Окамото продаёт линейку масс для донабэ с петалитом на 1170–1230 °C (данные с витрины, страницу открыть не удалось).
С российским рынком сложнее. Петалит для керамики в продаже найти не удалось. Сподумен («Сподумен Австралийский») значится в каталоге «БризКолор», но цену и химсостав проверить не получилось. Готовую жаростойкую массу у российских продавцов мы не нашли. Значит, массу придётся собирать из импортного литиевого сырья, а местные глины — подставлять вместо кибуси и гайромэ.
Замена глин — это новый рецепт. Японские глины в рецептах выше дают свою долю кварца, щелочей и железа. Если заменить их отечественной пластичной глиной, рецепт PC5 становится только стартовой точкой для испытаний: окно обжига и водопоглощение надо определить заново по той же схеме — серия из 4–5 температур, замер водопоглощения, тест на огне.
Глазурь: только в паре с массой
Обычная глазурь на малорасширяющейся массе почти наверняка цекует. Хансен формулирует логику жёстко: сделать малорасширяющуюся массу гораздо легче, чем малорасширяющуюся глазурь. Нужен минимум KNaO (мало полевого шпата), много SiO₂ и Al₂O₃, а плавни — Li₂O и MgO. Матовая глазурь, которая хорошо сядет на такую массу, по его словам, — «почти невозможная задача». Допустимо слегка поднять расширение массы, чтобы глазурь села надёжнее.
Японская промышленная глазурь для донабэ, по Ито: петалит 60–75 %, полевой шпат 0–15 % (вместе около 75 %), глина 4–8 %, остальное — оксид цинка, известняк, карбонат бария, кальцинированный тальк. Получается матовая глазурь без цека.
Центр Тотиги к своей массе разработал четыре глазури на петалите. Привязка столбцов к типам глазурей в их постере не вполне однозначна, поэтому приводим составы как опубликованы:
| Компонент, % | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| Петалит | 42,8 | 45,7 | 59,0 | 43,9 |
| Известь из раковин | 23,9 | 27,3 | 20,4 | 9,4 |
| Магнезит | 0,9 | — | — | 13,7 |
| Глина гайромэ Токигути | 16,6 | 2,5 | 9,8 | 17,0 |
| Кварцевый камень | 15,8 | 24,5 | 10,8 | 16,0 |
Все четыре прошли испытание на термоудар вместе с массой. Температура обжига глазурей в документе не указана — вероятно, она совпадает с обжигом массы, но это наше допущение.
Для конуса 10–11 в архиве Ceramics Monthly есть малорасширяющаяся глазурь для flameware (восстановление): сподумен 47,0, кварц 28,9, тальк 14,2, каолин 5,5, мел 3,4, бентонит 1. Здесь лития много, и Дэйв Финкельнбург предупреждает: больше 0,2 моля Li₂O на моль суммы флюсов вводить нельзя, а отскок возможен уже при половине этого количества. Свежий сподумен он советует просеять сухим через сито 80 меш.
Формовка
- Ровная стенка. Главное требование — одинаковое сечение без резких переходов. Laguna для своей массы советует стенку около 9,5–12,7 мм. Крис Грей, делая угольный гриль из жаростойкой массы, обтачивал стенки «до одинаковой толщины всюду» при дне около 9,5 мм.
- Округлое дно. Робби Лобелл делает кастрюли для плиты с округлым дном. Большие плоские доньи и острый угол между дном и стенкой — места, где трещина начинается первой. От завёрнутого края дна она отказалась: в нём оставался воздух, и со временем край отслаивался.
- Без острых кромок. Кромки скругляют, ручки ставят высоко — дальше от огня.
- Без лужи глазури у дна. Толстый слой глазури внутри, по Лобелл, вызывает трещины при остывании. Скопление глазури в углу дна — та же ошибка.
Литиевые массы малопластичны и почти не усаживаются. На форуме Ceramic Arts Daily мастер описывал массу с большой долей лития с «почти нулевой усадкой от сырого до готового», из-за чего большинство глазурей отскакивали. Это мнение одного мастера, но оно совпадает с логикой Хансена: усадку и расширение массы нужно знать до подбора глазури.
Масса и экструдер ТРУД. Петалит и сподумен приходят сухим порошком, а массу из 40–50 % непластичного минерала трудно промешать руками до однородности. Шнековые экструдеры ТРУД перемешивают глину с добавками, а вакуумные модели ЭМ1В и ЭМ2В удаляют из массы воздух — тот самый, который у Лобелл скапливался в дне и отслаивал край. Реверс шнека позволяет гонять массу по кругу, пока она не станет однородной. Шамот до 1–1,5 мм, который часто вводят в жаростойкие массы, можно замешивать прямо в машине; шнек от абразивного зерна изнашивается быстрее, и это нужно учитывать.
Обжиг
Опубликованные режимы:
- японская промышленность — утиль 700–800 °C, политой 1150–1200 °C;
- масса PC5 — оптимум 1200–1220 °C;
- Laguna Flameware — утиль на конус 05, политой на конус 5–10;
- Лобелл — «горячий» конус 10, содовый обжиг.
Сушить и обжигать нужно равномерно, чтобы не заложить напряжения ещё до первого огня. Сильно спечённых масс Хансен советует избегать: трещина в них идёт легче. На высоких температурах тонкие изделия и большие крышки могут осесть. Laguna добавляет глинозём в восковой резерв, а Лобелл вообще не ставит flameware на подставки: дно покрывает воском с большим количеством глинозёма и ставит изделие прямо на полку.
Глазуруют обычно только внутреннюю рабочую поверхность. Laguna рекомендует оставлять без глазури нижние 2,5 см, а рабочую сторону либо полировать, либо глазуровать. Японские донабэ глазуруют, потому что их черепок пористый и без глазури пропускает воду.
Проверка готовой вещи
Способы испытания подробно описаны в обзорной статье. Здесь — порядок, который вытекает из рецептов выше:
- Обжечь серию плиток или маленьких горшков при 4–5 температурах с шагом 20–30 градусов вокруг ожидаемого окна.
- Измерить водопоглощение. Для петалитовой массы ориентир — 5–10 %: ниже — риск трещин, выше — протечки.
- Проверить на огне так, как будут пользоваться: в Тотиги — газовая плита около 3 кВт, перепад 350 °C.
- Только после этого делать изделия, и снова проверять первый горшок из каждой партии сырья.
Хансен предупреждает, что одиночный тест почти бесполезен, а успешный тест не гарантирует безопасности навсегда. Для выщелачивания из внутренней глазури окрашивание воды — не проверка; нужна хотя бы кислотная проба или лабораторный анализ.
Покупателю стоит передать правила, которые дают производители. Laguna: готовить можно сразу, мыть водой с мылом, в холодильник можно, в морозилку — нет. Лобелл: посуда долго держит тепло, и готовность проверяют раньше, чем в металлической; в микроволновку — нельзя, в массе железо. Хансен: огонь небольшой и по центру дна, кислое в такой посуде не хранить. И нагревать постепенно, на малом огне.
Источники: 伊藤 隆, «土鍋», セラミックス 44 (2009) №3 (Керамическое общество Японии); 磯部大我, 星佳宏, 大和弘之, «県内産原料を用いた耐熱土及び耐熱釉薬の試作開発», 栃木県産業技術センター 研究報告 №20 (2023) и постер FY2023; 林茂雄 и др., «耐熱陶器の不良品の資源化に関する研究», 三重県工業研究所; David Pier, «Flameware Clay Body» (Ceramics Monthly, 2011); «Low Expansion Glaze for Flameware» (архив рецептов Ceramic Arts Network); Tony Hansen, Digitalfire — Flameware, Ovenware, Petalite, испытания Insight-live; Dave Finkelnburg, «The Lure of Lithium» (CM, 2011) и «Techno File: Spodumene» (CM, 2015); Laguna Clay, Flameware WC440; Robbie Lobell, «Cooking with Clay for Slow Food and a Healthy World» и «A Flameware Journey» (Studio Potter); Chris Gray, «In the Potter's Kitchen: Flameware» (PMI, 2019); Nendoyasan, 耐熱土−赤; Okamoto shoten, 耐熱・鍋土; БризКолор, каталог сырья; форум Ceramic Arts Daily.
