Как читать состав керамической массы

На мешке написано «каменная масса, 1200–1280 °C», а в паспорте — колонка оксидов, шамот, усадка и водопоглощение. Большинство керамистов смотрит только на температуру. Разберём на реальных паспортах европейских масс, что означает каждая строка, за что отвечают глина, отощители и плавни и почему две массы с почти одинаковой химией дают черепок, который впитывает воду в два с половиной раза сильнее.

Что есть в паспорте массы

У серьёзных производителей технический лист устроен примерно одинаково. Возьмём для примера немецкую каменную массу Sibelco WM 2502 B для пластического формования:

• Диапазон обжига — 1000–1280 °C. Это не «от и до одинаково хорошо», а окно, в котором масса не разрушится. Плотной она становится только у верхней части диапазона.
• Шамот — 25 %, фракция 0–0,2 мм.
• Усадка — 5,8 % при сушке и ещё 5,5 % при обжиге на 1200 °C.
• Водопоглощение — 2,0 % после обжига на 1200 °C.
• Влажность массы в брикете — 20,5 %, ППП (потери при прокаливании) — 5,0 %.
• Химический анализ: SiO₂ 74,0; Al₂O₃ 19,0; K₂O 2,50; Fe₂O₃ 2,10; TiO₂ 1,60; MgO 0,45; CaO 0,25; Na₂O 0,20.
• ТКЛР — 6,8·10⁻⁶ 1/°C в интервале 20–400 °C, 8,5·10⁻⁶ в интервале 20–600 °C.
• Цвет после обжига: абрикосовый, жёлтый, хаки.

Состав по сырью — сколько в массе каолина, пластичной глины, шпата и кварца — производители почти никогда не раскрывают. Это их рецепт. Но по химии и физическим показателям многое о нём можно понять.

Три роли: глина, отощители, плавни

Любая масса для гончарного круга — это компромисс. Глина делает её пластичной, но даёт усадку. Отощители снижают усадку, но портят пластичность. Плавни делают черепок плотным, но сужают окно обжига. По Тони Хансену (Digitalfire), фарфор и белая или бежевая каменная масса примерно на 95 % состоят из глины, кварца и шпата.

Глина — пластичность и прочность сырца

В каменных массах основа — не каолин, а пластичная беложгущаяся глина, которую в английской литературе называют ball clay. Хансен объясняет разницу так: масса на ball clay пористее, темнее, меньше садится в обжиге и менее прочна, чем фарфор на каолине, но гораздо больше прощает ошибки в работе. В суперпластичных массах такой глины до 70 %.

Насколько разные эти глины, видно по паспортам британского поставщика Valentine Clays:

Две «пластичные глины» одного поставщика отличаются по тонкой фракции в полтора раза, а по водопоглощению — в два с половиной. Хансен вообще называет ball clay, вероятно, самым изменчивым материалом, с которым приходится иметь дело керамисту. Отсюда первый вывод: слова «каменная масса» ещё ничего не говорят о том, какая глина у неё внутри.

Каолин менее пластичен, зато белее и огнеупорнее. Фарфорам на каолине, по Хансену, часто нужно 2–5 % бентонита. Бентонит — самый сильный пластификатор: около 5 % дают ту же пластичность, что 25 % ball clay. Обратная сторона — усадка. В опыте Хансена смесь бентонита и ball clay 50:50 дала усадку 14 % против 6 %. Ещё 5 % бентонита вносят в массу около 0,25 % железа.

Отощители — меньше усадки, больше стабильности

Кварц — основной наполнитель высокотемпературных масс, до 30 %. Он не только снижает усадку. При остывании кварц сжимается сильнее остального черепка и тем самым «сжимает» глазурь, защищая её от цека. Хансен приводит показательный опыт: масса из одной глины, каолин и ball clay 50:50, при конусе 6 сильно цековала глазури. Цена кварца — риск трещин от быстрого остывания (дантинга), поэтому массы с большим его количеством плохо подходят для посуды на огонь.

Шамот — обожжённая и размолотая глина. По Хансену, в гончарных массах его обычно меньше 20 %, в скульптурных 20–30 %, в плиточных до 50 %. Это главный механизм устойчивости к термоудару и способ уменьшить усадку: в одной из его масс 20 % заполнителя снизили усадку при сушке с 8 до 6,5 %. Выше определённого порога шамот начинает снижать прочность сырца и сухого изделия. В паспорте смотрите на две цифры: долю и фракцию. 25 % фракции 0–0,2 мм и 40 % фракции 0–0,5 мм — это очень разные массы и в руках, и в печи.

Волластонит в остеклованных массах добавляют в небольших количествах, 2–5 %, чтобы уменьшить усадку. Но выше примерно 1100 °C он сам становится сильным плавнем.

Плавни — плотность черепка

Полевой шпат по Хансену составляет примерно 25 % массы на конус 10 (около 1280 °C) и около 35 % массы на конус 6 (около 1220 °C). Плавиться он начинает около 1150 °C, и ниже примерно 1200 °C сам по себе остеклованной массы не даёт. Для масс предпочтительны калиевые шпаты. Например, у шпата K7 60 из каталога Valentine K₂O 7,2 % и Na₂O 4,9 %.

Нефелин-сиенит — более сильный плавень, чем шпат, и не содержит свободного кварца. Его типичный состав: Na₂O 9,8 %, K₂O 4,6 %. В фарфоре на конус 6 его вводят 25–35 %. Хансен приводит сравнение в одной и той же массе: 12 % нефелин-сиенита дали пористость 1,5 %, а 12 % шпата — 2,8–3,5 %.

Тальк — «ускоритель». 1–4 % талька заметно ускоряют созревание массы в диапазоне конусов 4–10. Иногда 1 % сдвигает созревание на целый конус. В опыте Хансена 1 % талька снизил пористость массы на 2 пункта и больше.

Как читать химический анализ

Колонка оксидов — это рецепт, переписанный на язык печи. Вот что в ней искать.

Разбор: три каменные массы с одной химией

Теперь главное. Ниже три массы из одной линейки технических листов, все с диапазоном обжига 1000–1280 °C. Цифры усадки и водопоглощения даны для обжига на 1200 °C, то есть примерно на конус 6.

По химии эти массы почти близнецы: глинозём 19–20 %, щелочей 2,45–2,7 %. А водопоглощение отличается почти втрое. Что можно прочитать из таблицы:

• Шамот решает больше, чем химия. GT 5705 B с 40 % крупного шамота меньше всех садится и больше всех впитывает. Химически шамот — та же глина, поэтому в анализе он почти не виден. Но его зёрна уже обожжены, они не спекаются заново и оставляют вокруг себя поры.
• Железо помогает спеканию. WM 2502 B и WMS 2502 различаются в основном железом: 2,10 против 0,98 %. И у более железистой массы водопоглощение меньше: 2,0 против 3,5 %. Это наше прочтение двух листов, а не утверждение производителя. Но оно согласуется с тем, что железо даже в окислительной среде частично участвует в спекании.
• «До 1280 °C» не значит «плотная при 1200 °C». Для посуды все три массы при 1200 °C ещё пористые. Водопоглощение 5,5 % означает, что кружка без глазури изнутри будет потеть.

Ещё одна пара — массы Potclays, обе с 40 % шамота фракции 0–0,5 мм. Rokk Grey при 1300 °C даёт водопоглощение 2,6 %, Gris High Fire при той же температуре — 7,4 %. Шамот одинаковый, температура одинаковая, разница — в связке, то есть в глине и плавнях, которые производитель не раскрывает. Число пластичности у них тоже разное: 16 и 19.

Почему однотипные массы ведут себя по-разному

Хансен прямо пишет: температуру остеклования массы по химии рассчитать нельзя, её определяют только испытаниями. Причин несколько, и почти все они в паспорт не попадают.

• Разная глина. Пластичные глины разных месторождений различаются по тонкой фракции, органике и собственной температуре спекания, как видно по Hymod и Hyplas.
• Зерновой состав. Крупнозернистые каменные массы, по Хансену, часто не опускаются ниже 1,5 % пористости, а на практике их минимум 2–3 %.
• Плавни разного рода. Нефелин-сиенит и шпат при одинаковой доле дают разную пористость. Щепотка талька сдвигает созревание на конус.
• Сознательный выбор производителя. Хансен описывает массу на конус 6, у которой можно было получить пористость 1,3 %, но остановились на 2,5 %: так масса устойчивее к вспучиванию при перегреве.
• Ваша печь. В электропечи низ изделия может недобрать до конуса 4, пока стенки уже получили конус 6. Поэтому паспортное водопоглощение — ориентир, а не гарантия.

Хорошая иллюстрация — американские массы Standard 181 и 182. По данным, которые приводят на форуме Ceramic Arts Daily, при конусе 6 у первой водопоглощение 2,5 % и усадка 13 %, у второй — 3 % и 11 %. По опыту керамистов, обе при конусе 6 недообожжены и созревают только к конусу 10, хотя продаются для широкого диапазона.

Рецептурный взгляд

Если производитель раскрывает сырьевой состав или вы составляете массу сами, Хансен даёт ориентиры:

• Каменная масса около 60:20:20 — ball clay : шпат : кварц — обычно даёт пористость около 1–2 %.
• Фарфор около 45:30:25 — каолин : шпат : кварц. Если поднять шпат до 25–30 частей за счёт глины, черепок станет плотнее.
• Классический фарфор на конус 10 — по 25 % шпата, ball clay, кварца и каолина.
• Местную тугоплавкую или пластичную глину после роспуска и просева можно превратить в каменную массу на конус 6, добавив около 30 % шпата.

Показателен опыт Хансена с двумя массами 65:35. Каолин с нефелин-сиенитом дал пористость около 1 %, но глазурь цековала, и пришлось вводить около 20 % кварца. Ball clay с тем же нефелин-сиенитом дал нулевую пористость, и глазурь держалась. Одна и та же пропорция, разная глина — разный результат и по плотности, и по посадке глазури.

Классы сырья по ГОСТ 9169

Российские поставщики глин и каолинов часто указывают класс по ГОСТ 9169-2021 «Сырьё глинистое для керамической промышленности. Классификация». Он относится к сырью, а не к готовым массам, но помогает прочитать паспорт глины. Глинозём в стандарте считают на прокалённое вещество:

По огнеупорности стандарт делит глины на легкоплавкие (ниже 1350 °C), тугоплавкие (1350–1580 °C) и огнеупорные (от 1580 °C). По спеканию — на сильноспекающиеся с водопоглощением меньше 2 %, среднеспекающиеся с 2–5 % и неспекающиеся с водопоглощением больше 5 %. Подробно о том, как эти показатели проверить самому, — в нашей статье об испытаниях глины по ГОСТ 21216.

Пять вопросов к паспорту новой массы

1. При какой температуре дано водопоглощение? Если вы обжигаете ниже, черепок будет пористее. Для посуды ищите массу, которая при вашей температуре даёт 2–3 % и меньше.
2. Сколько шамота и какой фракции? Это подскажет и ощущение в руках, и усадку, и пористость лучше, чем химия.
3. Сколько щелочей? Сравнивайте K₂O + Na₂O только при одинаковой базе анализа, с ППП или без.
4. Сколько железа и титана? Это ваш цвет и подсказка, как масса поведёт себя при перегреве.
5. Какова полная усадка? Сложите сушильную и обжиговую. От неё зависят размеры изделия и то, сядет ли на массу ваша старая глазурь и ангоб.

И главное: паспорт не заменяет проверку. Два мешка одной марки из разных партий и вашей печи могут отличаться от лабораторных цифр. Как быстро проверить новую массу в мастерской — в отдельной статье о протоколе испытаний.

Источники: технические листы масс Sibelco Deutschland — WM 2502 B, WMS 2502; GT 5705 B (Ceradel); Vicente Diez, «NT» (Marphil); Potclays — Rokk Grey Grogged Stoneware, Gris High Fire Grogged; Valentine Clays — технические листы Hymod AT, Hyplas 71, China Clay N.50, K7 60 Feldspar; Tony Hansen, Digitalfire — Stoneware, Porcelaineous stoneware, Formulating a body using clays native to your area, Vitrification, Grog, Flux, LOI, материалы Kaolin, Ball Clay, Silica, Feldspar, Nepheline Syenite, Talc, Bentonite, Wollastonite, оксиды Fe₂O₃ и TiO₂; форум Ceramic Arts Daily, «Differences between Standard 181 and 182»; ГОСТ 9169-2021 «Сырьё глинистое для керамической промышленности. Классификация».