پخت بیسکوییت

مقدمه‌ای بر پخت بیسکوییت و عوامل کنترل‌کننده

پخت بیسکویت (Bisque or Biscuit Firing) اولین مرحله پخت قطعات سرامیکی است که باعث می‌شود قطعه به اندازه‌ای قوی و محکم شود تا بتوان آن را به راحتی جابه‌جا کرد. این فرآیند نخستین گام در یک فرآیند دو مرحله‌ای برای تولید محصول نهایی است. هدف اصلی این پخت، خارج کردن رطوبت، کربن و سولفور و ایجاد چگالی کافی برای مرحله بعدی (لعاب‌زنی) است.
مبانی پخت بیسکوییت شامل تعیین میزان پخت (بیسکوییت نرم یا سخت)، مراحل پخت و برنامه‌ریزی‌های متداول دما، و اثرات این پخت اولیه بر لعاب‌زنی و پخت مجدد بعدی است.

تعاریف کلیدی:

کَندلینگ (Candling): حرارت دادن آهسته کوره و محتویات آن از دمای اتاق تا کمی کمتر از دمای جوش آب.
آب پیوندی شیمیایی: یون‌های هیدروکسیل  (–OH) که داخل ساختار کریستالی مواد خام (به خصوص در کانی‌های خاک رس) وجود دارد.
آب‌زدایی هیدروکسیلی (Dehydroxylation): خارج کردن آب پیوندی شیمیایی با حرارت دادن گل در دمایی بالاتر از حدود ۵۴۰ °C.  این فرآیند به طور دقیق بین 450 درجه سانتیگراد تا 550 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد.
زینترینگ (Sintering): قوی کردن قطعه سرامیکی با حرارت دادن آن تا زمانی که مواد تشکیل‌دهنده یا از طریق واکنش‌های فاز جامد و یا ذوب شدن (یا هر دو) به یکدیگر پیوند برقرار کنند. لزوماً تغییر حجم بزرگی در این مرحله دیده نمی‌شود.
چگالی شدن (Densification): کاهش حجم قطعه سرامیکی از طریق حرارت دادن تا زمانی که مواد تشکیل‌دهنده ذوب شده یا تبلور مجدد یابند و فضای کمتری را اشغال کنند. این فرآیند باعث انقباض و قوی‌تر و بادوام‌تر شدن کار می‌شود.
پخت یکباره (Single Firing): فرآیند پختن سرامیک تنها در یک مرحله برای تولید محصول نهایی.

مراحل پخت بیسکوییت (Stages of Bisque Firing)

پخت قطعات سرامیکی در چندین مرحله پیش می‌رود:
1. تبخیر رطوبت (آب آزاد).
2. سوختن مواد آلی موجود در بدنه.
3. خارج شدن آب پیوندی شیمیایی (آب‌زدایی هیدروکسیلی).
4. سوختن ترکیبات سولفور، تجزیه کربنات‌ها، و در نهایت زینترینگ و انقباض قطعه.
در تمام این مراحل، جو کوره باید غنی از اکسیژن باشد. در کوره‌های سوختی، هوای اضافی مورد نیاز است. بدون اکسیژن کافی، ترکیبات آلی و سولفور نمی‌سوزند و می‌توانند در پخت لعاب بعدی باعث ایجاد عیوب شوند.

الف) کَندلینگ (Candling)

اولین مرحله پخت، حرارت دادن کوره از دمای اتاق تا کمی پایین‌تر از دمای جوش آب است.

  • هدف کندلینگ، خارج کردن آب آزاد باقیمانده‌ای است که هنوز از قطعه تبخیر نشده است. این فرآیند به قدری آهسته است که گویی منبع حرارت فقط یک شمع است.
  • این یک روش ایمن برای اطمینان از خشک بودن کامل قطعه و خروج آب آزاد است.
  • اگر آب آزاد کافی در گل باقی بماند و دما به نقطه جوش برسد، بخار به سرعت منبسط شده و می‌تواند باعث ترکیدن قطعه شود.

ب) مرحله سوختن (Burnout)

پس از کندلینگ، دما افزایش می‌یابد تا مواد شیمیایی فرار خارج شوند:

  • مواد آلی: مواد آلی موجود در بدنه رسی حدوداً در دمای450°Cشروع به سوختن می‌کنند. این فرآیند دودی شبیه به سوختن چوب یا کاغذ تولید می‌کند. تهویه کوره در دمای بالاتر از °C450 برای جلوگیری از ورود این بخارات به فضای کار اهمیت دارد.
  • آب‌زدایی هیدروکسیلی(Dehydroxylation): آب پیوندی شیمیایی، که به صورت یون‌های –OH در شبکه بلوری کانی‌های رسی وجود دارد، خارج می‌شود. این مرحله بین ۴۵۰ تا ۵۵۰ °Cرخ می‌دهد و وزن کائولینیت (متداول‌ترین کانی رسی) را حدود ۱۳.۲ درصد کاهش می‌دهد.
  • ترکیبات سولفور: ترکیبات سولفور (مانند پیریت) که در بسیاری از رس‌ها یافت می‌شوند، در دمای بالاتر از °C600 می‌سوزند. این سوختن مقادیر کمی تری‌اکسید گوگرد تولید می‌کند که با رطوبت واکنش داده و اسید سولفوریک ایجاد می‌کند؛ بنابراین، تهویه در این مرحله نیز مهم است.

ج) تجزیه کربنات‌ها (Carbonate Decomposition)

اگر کربنات‌های کلسیم و/یا منیزیم در گل وجود داشته باشند، با افزایش دمای کوره تجزیه می‌شوند:

  • کربنات منیزیم در دمای بالاتر از °C350 به اکسید منیزیم تبدیل شده و گاز دی‌اکسید کربن متصاعد می‌کند.
  • کربنات کلسیم در دمای بالاتر از°C840 همین فرآیند را طی می‌کند.

د) چگال شدن (Densification) و استحکام (Strength)

پس از اینکه بدنه رسی تمام وزن قابل کاستن را از دست داد، شروع به قوی‌تر و متراکم‌تر شدن می‌کند:

  • زینترینگ فاز جامد: این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که لبه‌های بلورهای رسی در حین بالا رفتن دما به یکدیگر پیوند می‌خورند.
  • زینترینگ فاز مایع: فلدسپات و سایر اجزای گدازآور ذوب شده و فاز شیشه‌ای ایجاد می‌کنند. این شیشه مایع با ذرات رس و سیلیس پیوند ایجاد کرده و باعث استحکام بیشتر و کاهش اندازه (انقباض) می‌شود.

میزان چگالی مطلوب: اینکه چگالی تا چه حد پیش برود، به نوع بدنه و هدف نهایی بستگی دارد.

  • بیسکوییت نرم (Soft Bisque): برای بدنه استون‌ور و پرسلان که قرار است در دمای بالا (مانند Cone 5 به بالا) لعاب‌زنی شوند، پخت بیسکوییت در محدوده Cone 08 تا Cone 04 رایج است. بیسکوییت نرم به دلیل تخلخل زیاد، آب را به خوبی از دوغاب لعاب جذب می‌کند و پوششی ضخیم از لعاب را به راحتی می‌پذیرد.
  • بیسکوییت متراکم (Dense Bisque): در محیط‌های صنعتی رایج‌تر است. لعاب‌زنی بیسکوییت کاملاً متراکم ممکن است چالش‌برانگیز باشد، زیرا جذب آب کمتری دارد. این کار اغلب شامل پیش‌گرم کردن قطعه قبل از اعمال لعاب است. مزیت بیسکوییت متراکم این است که امکان استفاده از لعابی که در دمای پایین‌تر پخته می‌شود را فراهم می‌کند و از برخی عیوب لعاب که ممکن است در صورت ادامه متراکم شدن بدنه زیر لعاب مذاب رخ دهد، جلوگیری می‌کند.
پخت بیسکوییت

۳. نرخ حرارت‌دهی و برنامه‌ریزی دما (Firing Rate)

برنامه زمان‌بندی کوره نباید سریع‌تر از چیزی باشد که ترکیب و وضعیت قطعه (ضخامت و تخلخل) اجازه می‌دهد.

  • قطعات ضخیم و نامتقارن: اگر کوره حاوی قطعاتی با مقاطع ضخیم و نازک باشد، باید آهسته‌تر پخته شود
  • اگر قطعه ضخامت یکنواخت و ساده داشته باشه و بدنه تخلخل زیاد داشته باشه، میشه پخت رو نسبتاً سریع انجام داد. ولی هرگز نباید سریع‌تر از توان قطعه پیش رفت.

  • حتی اگر قطعه کاملاً خشک باشه، باز هم در ابتدای پخت باید با احتیاط گرم کنیم تا اجزای مختلف قطعه تقریباً به یک سرعت گرم بشن. اگر گرمایش خیلی سریع باشه، سطح بیرونی سریع گرم میشه و مرکز کندتر، که باعث تنش و ترک میشه.

  • پیشنهاد محافظه‌کارانه برای گرمایش بعد از کندلینگ: افزایش دما بین ≈ ۸۳ تا ۱۶۷ °C در ساعت تا دمای حدود ۸۷۱ °C

  • اگر از آن دما بالاتر برویم، باز هم میشه با افزایش 170°C در ساعت ادامه داد، ولی این روش محافظه‌کار است و ریسک ترک خوردن را کاهش می‌دهد.

  • یک نکتهٔ مهم: دمای تبدیل کوارتز (Quartz Inversion) تقریباً ۵۷۳ °C است. هنگام سرد کردن قطعه متراکم، تغییر حجم کوارتز ممکن است باعث تنش شود. پس در حوالی این دما باید گرمایش و سرد شدن را کندتر کرد.

پخت بیسکوییت

بیشتر بخوانید

تکنیک سرامیک با دست

راهنمای کامل ساخت کویل در سرامیک

سرامیک دستساز

تکنیک‌های ساخت با دست در سرامیک

عیب یابی سرامیکها

عیوب رایج در تولید سرامیک و روش‌های رفع آن