도자기

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배경

도자기라는 용어는 반투명 및 낮은 다공성과 같은 유리질 또는 유리질 품질을 달성하기 위해 고온에서 구운 광범위한 세라믹 제품을 나타냅니다. 가장 친숙한 도자기 제품은 테이블 및 장식 도자기, 화학 제품, 치과 크라운 및 전기 절연체입니다. 일반적으로 흰색 또는 회백색의 도자기는 유약을 바르거나 유약을 바르지 않은 변종으로 제공되며 비스크와 함께 고온에서 구워지며 가장 인기 있는 유약을 바르지 않은 변종을 나타냅니다.

도자기는 종종 중국의 동의어로 사용되지만 둘은 동일하지 않습니다. 둘 다 극도로 낮은 다공성의 유리질 제품이고 둘 다 유약을 바르거나 유약을 바르지 않을 수 있다는 점에서 서로 비슷합니다. 그러나 소프트 페이스트 또는 연질 도자기라고도 하는 도자기는 더 부드럽습니다. 파일로 절단할 수 있지만 도자기는 절단할 수 없습니다. 이 차이는 도자기가 소성되는 온도가 중국의 경우 화씨 2,200도(섭씨 1,204도)와 비교하여 화씨 2,650도(섭씨 1,454도)이기 때문입니다. 더 큰 경도로 인해 도자기는 국내 및 예술적 용도로 제한된 중국이 아닌 일부 의료 및 산업 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한 도자기는 항상 반투명하지만 도자기는 불투명합니다.

하드페이스트 또는 "진정한" 도자기는 당나라(618-907 A.D.) 동안 중국에서 시작되었습니다. 그러나 현대 도자기에 필적하는 고품질의 도자기는 원나라(1279-1368 A.D.)까지 발전하지 못했습니다. 초기 중국 도자기는 고령토(중국 점토)와 거친 유형의 화강암인 페그마타이트로 구성되었습니다. 도자기는 중세에 중국 도자기를 수입하기 이전에 유럽 도예가들에게 알려지지 않았습니다. 유럽인들은 중국 도자기를 복제하려고 했지만 화학 성분을 분석할 수 없었고 모양만 모방할 수 있었습니다. 유리와 산화주석을 섞어 불투명하게 만든 후, 유럽의 공예가들은 점토와 갈은 유리를 결합하려고 시도했습니다. 이러한 대안은 부드러운 페이스트, 유리질 또는 인공 도자기로 알려지게 되었습니다. 그러나 진품보다 부드러우며 제작비가 비싸서 진품의 개발을 위한 노력은 계속되었다. 1707년에 Ehrenfried Walter von Tschimhaus와 Johann Friedrich Bottger라는 두 명의 독일인이 이전에 사용했던 그라운드 유리 대신에 그라운드 장석과 점토를 결합하는 데 성공했습니다.

18세기 후반에 영국인은 소 뼈에서 나온 재를 점토, 장석 및 석영에 첨가하여 본차이나를 발명했을 때 도자기 제조법을 더욱 향상시켰습니다. 본차이나는 실제 도자기보다 낮은 온도에서 소성되지만 본 애쉬는 그럼에도 불구하고 반투명하게 만듭니다. 또한 본차이나는 만들기가 더 쉽고 부서지기 쉽고 단단한 도자기보다 강하기 때문에 미국과 영국에서 가장 인기 있는 도자기 유형이 되었습니다(유럽 소비자들은 계속해서 단단한 도자기를 선호합니다).

원자재

도자기의 주요 구성 요소는 점토, 장석 또는 부싯돌, 실리카이며 모두 작은 입자 크기를 특징으로 합니다. 다양한 유형의 도자기를 만들기 위해 장인들은 원하는 녹색(소성되지 않은) 및 소성된 특성을 얻을 때까지 이러한 원료를 다양한 비율로 결합합니다.

점토의 조성은 추출 위치와 추출 방법에 따라 다르지만 도자기를 만들기 위해 점토, 장석, 실리카 등의 원료를 먼저 조 크러셔를 사용하여 파쇄합니다. , 해머 밀 및 볼 밀. 부적합한 크기의 재료를 제거하기 위해 세척한 후, 혼합물은 생산되는 도자기의 유형에 따라 연성 소성 성형, 강성 소성 성형, 프레싱 또는 주조의 4가지 성형 공정 중 하나를 거칩니다. 그런 다음 도자기는 예비 소성 단계인 비스크 소성(bisque-firing)을 거칩니다. 처리된 모든 점토는 유리화 임계값이 더 낮은 재료와 혼합되지 않는 한 극도로 높은 온도에서만 유리화됩니다(유리질 특성을 발달). 그러나 유리와 달리 점토는 내화물이므로 가열해도 모양이 유지됩니다. 실제로 도자기는 유리의 낮은 다공성과 가열될 때 모양을 유지하는 점토의 능력을 결합하여 성형하기 쉽고 가정에서 사용하기에 이상적입니다. 도자기를 만드는 데 사용되는 주요 점토는 도자기 점토와 볼 점토로 주로 함수 알루미늄 규산염인 카올리네이트로 구성됩니다.

주로 알루미늄 규산염으로 구성된 광물인 장석과 단단한 석영의 일종인 부싯돌은 도자기 본체 또는 혼합물에서 플럭스 역할을 합니다. 플럭스는 소성 중 액체 유리가 형성되는 온도를 화씨 1,835~2,375도(섭씨 1,000~1,300도)로 낮춥니다. 이 액체상은 몸의 알갱이를 함께 묶습니다.

실리카는 지각에서 가장 풍부한 두 가지 원소인 산소와 규소의 화합물입니다. 유리와의 유사성은 석영(결정 형태), 오팔(비정질 형태) 및 모래(불순한 형태)에서 볼 수 있습니다. 실리카는 몸체의 성형 및 소성을 촉진하고 완제품의 특성을 개선하는 데 사용되는 가장 일반적인 충전재입니다. 도자기는 또한 알루미늄과 산소의 화합물인 알루미나 또는 동석으로 더 잘 알려진 스테아타이트와 같은 저알칼리 함유 물체를 포함할 수 있습니다.

제조
프로세스

원료를 선택하고 원하는 양을 칭량한 후 일련의 준비 단계를 거칩니다. 첫째, 그들은 분쇄되고 정화됩니다. 다음으로, 이들은 4가지 성형 공정 중 하나를 거치기 전에 함께 혼합됩니다. 선택은 생산되는 도자기의 유형에 따라 다릅니다. 도자기가 형성된 후 유약을 바르기 전에 최종 정제 과정인 비스크 소성(bisque-firing)을 거칩니다. 유약은 세라믹 본체에 적용되고 소성되는 장식용 유리 층입니다. 최종 제조 단계는 가마라고 하는 오븐 유형에서 발생하는 가열 단계인 소성입니다.

원료 분쇄

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1 먼저, 원료 입자를 원하는 크기로 줄이는데, 여러 번의 분쇄 및 분쇄 단계에서 다양한 장비를 사용합니다. 1차 파쇄는 스윙하는 금속 조를 사용하는 조 크러셔에서 수행됩니다. 2차 분쇄는 빠르게 움직이는 강철 망치인 뮬러(강철 바퀴) 또는 해머 밀을 사용하여 입자를 직경 0.1인치(0.25센티미터) 이하로 줄입니다. 미세 연삭을 위해 장인은 구형의 강철 또는 세라믹 연삭 매체로 부분적으로 채워진 대형 회전 실린더로 구성된 볼 밀을 사용합니다.

세척 및 혼합

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2 재료가 일련의 스크린을 통과하여 크기가 작거나 큰 재료를 제거합니다. 일반적으로 경사진 위치에서 작동되는 스크린은 흐름을 개선하기 위해 기계적으로 또는 전기기계적으로 진동됩니다. 바디가 습하게 형성되어야 하는 경우 성분을 물과 결합하여 원하는 농도를 생성합니다. 그런 다음 자기 여과를 사용하여 이러한 불용성 물질의 수분 혼합물을 슬러리에서 철을 제거합니다. 철은 대부분의 점토에서 매우 널리 퍼져 있기 때문에 비스크 소성 후 유약을 바르고 적절한 코팅을 합니다. 유약은 페인팅, 디핑, 붓기 또는 스프레이로 적용할 수 있습니다. 마지막으로 도자기는 오븐이나 가마에서 소성 단계를 거칩니다. 식힌 후 도자기가 완성됩니다. 몸에 바람직하지 않은 붉은 색조가 산화되면 소성 전에 제거하는 것이 중요합니다. 몸체가 건조하게 형성되어야 하는 경우 일반적으로 쉘 믹서, 리본 믹서 또는 인텐시브 믹서가 사용됩니다.

몸 만들기

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3 다음으로 도자기의 몸체가 형성됩니다. 이것은 생산되는 도자기의 유형에 따라 다음 네 가지 방법 중 하나를 사용하여 수행할 수 있습니다.

• 연성 소성 성형, 여기서 점토는 수동 몰딩, 휠 던지기, 지거링 또는 램 프레싱에 의해 형성됩니다. 물레 던지기에서 도공은 원하는 만큼의 몸을 물레에 올려 놓고 물레가 회전하는 동안 모양을 만듭니다. 지거링에서 점토는 원하는 모양의 수평 석고 주형에 놓입니다. 그 틀은 점토의 한 면을 형성하고 가열된 다이는 다른 면을 형성하기 위해 위에서 아래로 내려옵니다. 램 프레싱에서는 점토를 두 개의 석고 틀 사이에 넣고 물을 밀어내면서 모양을 만듭니다. 그런 다음 금형의 위쪽 절반에는 진공을 적용하고 아래쪽 절반에는 압력을 가하여 금형을 분리합니다. 그런 다음 상반부에 압력을 가하여 성형체를 해제합니다.
• 뻣뻣한 소성 성형, 덜 플라스틱 몸체를 형성하는 데 사용됩니다. 몸체는 균일한 둘레의 기둥을 생성하기 위해 강철 다이를 통해 강제됩니다. 이것은 원하는 길이로 절단되거나 다른 성형 작업을 위한 블랭크로 사용됩니다.
• 누르기, 단단한 다이 또는 유연한 몰드에서 건조 몸체를 압축하고 성형하는 데 사용됩니다. 압력의 방향에 따라 여러 유형의 프레스가 있습니다. 일축 프레스는 한 방향으로만 압력을 가하는 과정을 설명하는 반면 등방압 프레스는 모든 면에서 균등하게 압력을 가하는 과정을 의미합니다.
• 슬립 캐스팅, 슬러리를 다공성 몰드에 붓는 방법. 액체는 몰드를 통해 여과되어 단단한 도자기 몸체 층을 남깁니다. 물은 층이 단단해지고 주형에서 제거될 수 있을 때까지 주조 층에서 계속 배수됩니다. 과도한 유체가 주형에서 배출되지 않고 전체 재료가 응고되도록 허용되는 경우 프로세스를 고체 주조라고 합니다.

비스크 소성

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4 도자기 부품은 성형 후 일반적으로 비스크 소성(bisque-fired)으로 비교적 낮은 온도에서 가열하여 휘발성 오염 물질을 기화시키고 소성 중 수축을 최소화합니다.

글레이징

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5 유약의 원료를 갈아서 물과 섞는다. 본체 슬러리와 마찬가지로 유약 슬러리는 스크리닝되고 자기 필터를 통과하여 오염 물질을 제거합니다. 그런 다음 페인팅, 붓기, 담그기 또는 스프레이를 통해 도자기에 적용됩니다. 알루미나, 실리카 및 칼시아와 같은 구성 성분의 비율을 변경하여 다양한 유형의 유약을 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미나를 늘리고 실리카를 줄이면 무광택 유약이 생성됩니다.

발사

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6 소성은 두 가지 유형의 오븐 또는 가마에서 수행할 수 있는 추가 가열 단계입니다. 주기적인 가마는 버너 포트와 연도(또는 전기 가열 요소)가 있는 단일 내화 라이닝이 있는 밀봉된 챔버로 구성됩니다. 한 번에 한 묶음의 도자기만 소성할 수 있지만 각 제품에 대해 소성 주기를 조정할 수 있어 보다 유연합니다. 터널 가마는 길이가 수백 피트 이상인 내화 챔버입니다. 특정 온도 영역을 지속적으로 유지하면서 도자기를 한 영역에서 다른 영역으로 밀어 넣습니다. 일반적으로 도자기는 예열 구역으로 들어가 중앙 소성 구역을 통과한 후 냉각 구역을 통해 가마를 떠나게 됩니다. 이러한 유형의 가마는 일반적으로 정기 가마보다 경제적이고 에너지 효율적입니다.

7 소성 과정에서 다양한 반응이 일어납니다. 첫째, 탄소 기반 불순물이 연소되고 화학 물이 발생하고(화씨 215~395도 또는 섭씨 100~200도), 탄산염과 황산염이 분해되기 시작합니다(화씨 755~1,295도 또는 섭씨 400~700도). 도자기에서 빠져나와야 하는 가스가 생성됩니다. 추가 가열 시 일부 광물은 다른 단계로 분해되고 존재하는 플럭스(장석 및 부싯돌)는 분해되는 광물과 반응하여 액체 유리를 형성합니다(화씨 1,295~2,015도 또는 섭씨 700~1,100도). 이러한 유리상은 입자를 수축하고 결합하는 데 필요합니다. 원하는 밀도에 도달한 후(화씨 2,195도 또는 섭씨 1,200도 이상) 도자기가 냉각되어 액체 유리가 응고되어 나머지 결정 입자 사이에 강한 결합이 형성됩니다. 냉각 후 도자기가 완성됩니다.

품질 관리

원료의 특성은 제조 과정에서 품질을 유지하는 데 중요합니다. 화학 성분, 광물상, 입자 크기 분포 및 콜로이드 표면적은 도자기의 소성 및 소성되지 않은 특성에 영향을 미칩니다. 소성되지 않은 본체의 경우 평가되는 특성에는 점도, 가소성, 수축 및 강도가 포함됩니다. 소성 자기를 사용하여 강도, 다공성, 색상 및 열팽창을 측정합니다. 이러한 특성의 대부분은 통계적 방법을 사용하여 제조 중에 모니터링 및 제어됩니다. 원료와 공정 매개변수(예:밀링 시간 및 성형 압력)를 조정하여 원하는 품질을 얻을 수 있습니다.

미래

고품질 도자기 예술과 식기류는 문화를 지속적으로 향상시킬 것입니다. 제조의 개선은 생산성과 에너지 효율성 모두를 지속적으로 증가시킬 것입니다. 예를 들어, 독일 가마 제조업체는 5시간 이내에 고품질 도자기를 빠르게 소성할 수 있는 조립식 터널 가마를 개발했습니다. 소성은 화씨 2,555도(섭씨 1,400도)의 최대 소성 온도에서 분위기를 부분적으로 감소시켜 이루어집니다. 이 가마는 고속 버너와 자동 제어 시스템을 사용하여 24시간 동안 23,000파운드(11,500kg)의 도자기를 생산합니다.

도자기 제품 제조업체는 환경 규정의 증가로 인해 재활용 노력을 늘려야 할 수도 있습니다. 소성되지 않은 스크랩은 쉽게 재활용되지만 소성된 스크랩은 문제가 있습니다. 기계적으로 강하고 따라서 분해하기 어렵기 때문에 일반적으로 매립지에 버려집니다. 그러나 예비 연구에 따르면 소성된 스크랩은 열 퀜칭(스크랩을 재가열한 다음 빠르게 냉각) 후에 재사용할 수 있으므로 더 약하고 쉽게 분해됩니다. 그런 다음 스크랩을 원료로 사용할 수 있습니다.

도자기는 기술 응용 분야에서 더 중요한 역할을 하는 것으로 보입니다. 최근에는 전기 절연체 및 치과 보철 분야에서 일본과 미국 기업에 특허가 발급되었습니다. 일본 제조업체인 NGK Insulators, Ltd.는 전기 절연체용 고강도 자기를 개발한 반면 Murata Manufacturing Co.는 전자 애플리케이션용 저온 소결 자기 부품을 개발했습니다.