Brænding og keramisk proces

For at have en chance for at få gode oplevelser med keramikken hjælper det en smule at vide hvad man har med at gøre. Derfor er der her samlet en gennemgang af brændingens proces. Med en kort introduktion til leret og glasuren som materialer, og dernæst en solid gennemgang af brændingens faser. Man kan også ignorere det hele og så prøve sig frem, men det kan være en særdeles møjsommelig proces.

Lerets natur

Ler er noget der graves op fra undergrunden, hvis ellers det ikke findes i de dovne bugter på en flod der kommer ned fra bjergene. Nu er der hverken bjerge eller floder i Danmark så det eneste ler vi kan er at finde noget der er aflejret i tidligere tider.

Teknisk set er ler eroderet bjerg og grunden til det er så plastisk er at det består af små meget flade molekyler der ved hjælp af vand kan bevæge sig ifht. hinanden. Tørrer det slutter festen, og brændes det mellem 450 °C og 650 °C er forandringen irreversibel, brænder vi det endnu højere, over de 800-1000 °C kaldes det det keramik.

Kaolin (Al₂Si₂O₅(OH)₄) er det vigtigste lermineral i porcelæn og stentøj. Uopvarmet består kaolin af pladeformede krystaller, hvor vand er kemisk bundet i strukturen som hydroxylgrupper. Den vigtigste omdannelse, når ler forvandles til keramik, sker under opvarmning og kan opdeles i flere trin.

Glasurens kemi

Glasur er basalt set glas der er tilført aluminium og flux, så det kan smelte ud ved lavere temperaturer end rent glas men også matche lerets udvidelseskoefficient.

Glasur består af glasdannere: Silicium, Aluminium, Bor, Fosfor. Flux Alkalimetal: Natrium, Kalium, Lithium. Flux Jordalkalimetal: Magnesium, Kalk, Barium, Strontium.

Glasurens omdannelse matcher generelt set lerets, med den forskel at man gerne vil have fuld smeltning af en glasur og ikke af en ler.

Porcelæn og stentøj kan dog brændes til vitrifikation, men man skal holde tungen lige i munden, da for meget varmearbejde ((den samlede varmeeffekt over tid under brænding) får emnet til at falde sammen. Søger man det fine udtryk i porcelæn er der ingen anden vej end at ramme de høje grader og være påpasselig.

Forvarmningsfase (op til ca. 200 °C)

Denne fase har til formål at fjerne al fysisk bundet vand fra emnerne. For hurtigt opvarmning kan få vandet til at koge, hvilket kan sprænge emnerne. Derfor varmer man langsomt op, typisk med ovnens spjæld åben, indtil al fugt er fordampet, normalt omkring 150-200 °C. Fjernelse af fysisk bundet vand er afgørende for at undgå revner.

Tørrefase (200 °C - ca. 600 °C)

I denne fase begynder lerets permanente kemiske forandringer. Det kemisk bundne vand uddrives (dehydroksylering), og leret mister sin evne til at blive plastisk igen. Temperaturen skal hæves langsomt og jævnt for at undgå ildrevner (firecracking). Omkring 573 °C sker kvartsspringet, hvor kvarts i leret udvider sig brat. Ensartet og langsom opvarmning gennem dette punkt er derfor kritisk for at undgå spændinger og revner.

Oxideringsfasen (700 °C - 900 °C)

Denne fase er central i oxiderende brændinger. Formålet er at sikre en stabil tilførsel af ilt, så jern og kulstof oxiderer fuldt ud. Manglende oxidation kan føre til blærer (bloating) og pinholes. Det er derfor vigtigt at opretholde god ventilation og en passende opvarmningshastighed gennem hele fasen. Hvis man bruger en elektrisk ovn, er atmosfæren som regel altid oxiderende, men ventilationsåbninger bør fortsat være åbne, så eventuelle gasser og dampe kan slippe ud.

Holdetid og temperaturudjævning

Når den ønskede toptemperatur nås, kan man med fordel holde temperaturen i en periode for at sikre en jævn varmefordeling. Holdetid giver glasurer tid til at “hele”, hvilket resulterer i en glattere og mere ensartet glasuroverflade. Holdetiden kan variere fra 10 minutter til flere timer, afhængigt af det ønskede resultat.

Afkølingsfase

Langsom og kontrolleret nedkøling kan være vigtig for at undgå termiske spændinger og revner i emnerne. Dette er noget der primært gør sig gældende for store emner, tykke emner og komplicerede emner hvor både tykt og tyndt mødes, fx. figurer. Især ved temperaturer omkring kvartsspringet (573 °C) bør kølingen være langsom. Elektriske ovne kan programmeres til at falde gradvist i temperatur, hvilket giver glasurer tid til at udvikle deres optimale farve og struktur. Generelt bør ovnen ikke åbnes, før temperaturen er faldet til under 100 °C for at undgå termisk chok. Lever man livet farligt hedder reglen at tingene er kolde nok, når der ikke går ild i ens grillhandsker når man tager dem ud af ovnen. I øvrigt er svejsehandsker at foretrække. Slid på ovnens sten må forventes hvis man lever livet i overhalingsbanen, ligesom man hurtigt finder ud af at man kun kan tage ensartede og ikke for store emner ud af ovnen ved sådanne grader uden at de krakelerer.Jo tyndere glasurlag, jo mere holdbare vil ens emner være.

Ujævn temperaturfordeling i ovnen

En ujævn temperaturfordeling i ovnen under det sidste trin af brændingen (150–200 °C under toptemperaturen) medfører variationer i glasurens viskositet og flydeegenskaber. En temperaturdifference på op til ca. 10 °C i ovnrummet anses generelt for acceptabel. Større afvigelser skyldes ofte enten uens ovnpakninn eller for høj opvarmningshastighed. Nogle ovntyper har større termiske variationer end andre, og oxiderende brændinger giver ofte mere ujævn varmefordeling end reducerende. Ved toptemperaturen anvendes en holdetid for at udligne resterende temperaturgradienter; effektiviteten afhænger dog igen af ovntype og ovnpakning.

Opvarmningshastighed, toptemperatur og afkølingshastighed

Ved glasering indeholder emnet bundet vand. Hvis brændingen indledes kort efter glasering med høj opvarmningshastighed, kan vandet fordampe voldsomt og medføre dårlig vedhæftning eller at glasuren kravler, efterladende åbne sprækker uden glasur.

Under glasurbrændingen opstår der typisk en intern temperaturforsinkelse som følge af keramikkens lave varmeledningsevne. Jo større emnetykkelse og jo hurtigere brændings‑ og afkølingshastighed, desto større forsinkelse og dermed interne spændinger.

Ved stigende temperatur begynder glasur og emne at danne et sammenvoksningszone (glasur–skærv-grænselag). Kvalitet og temperatur for denne sammenvoksningszone afhænger af glasurens sammensætning, lertype, opvarmningshastighed og toptemperatur. En moderat opvarmningshastighed (op til 100 °C/time) fremmer jævn grænselagsdannelse; først over ca. 1180 °C opbygges et tilstrækkeligt robust lag. Hurtigere temperaturstigning giver mindre smeltning – f.eks. smelter glasur, der når 1200 °C på to timer, mindre end ved langsom opvarmning over to dage. Fasen 150–200 °C under toptemperaturen er særligt kritisk. Topt­temperaturen fastsættes af glasurens sintrings‑ og smelteområde samt skærvens vitrifikationspunkt; overskrides sidstnævnte, kan emnet deformeres. Højere temperaturer øger gasudviklingen fra skærven og kan forårsage nålestik og blærer i glasuren.

Opskriften på makrokrystalglasuren C2 Best Blue Green Crystal på glazy.org

Mellem 1150°og 1000°C er området hvor makrokrystallerne typisk udvikles, ved man ikke hvad makrokrystaller er og kan man godt lide bling, er der her en hel verden at forsvinde i. José María Mariscal Paneque afholder gode workshops i krystalglasurer. Ellers kan man blot gå i gang på glazy.org.

Mellem 950 °C – 1050 °C ligger det ideelle område for krystaludvikling i aventurine glasurer.

Mellem 850 °C og 700 °C ligger området mikrokrystallisationen, især i de matte glasurer der er baseret på aluminium og titanium hvor langsom afkøling fremmer krystalvæksten. Hold i dette temperaturinterval fremmer mat overflade, forudsat at glasuren er formuleret til dette.

Udvidelseskoefficient

Under afkøling trækker glasur og emne sig forskelligt sammen. Mens glasuren er flydende, opbygges ingen spændinger, men fra ca. 650 °C og ned begynder glasuren at størkne og blive skrøbelig. Forskellen i lineær svind kan herefter føre til krakelering, glasurafskalning eller i alvorlige tilfælde revnedannelse i kroppen. En moderne måde at skyde sig selv i foden er at producere meget flade tallerkener og så kun glasere dem indvendigt. Både tallerkenens form og det at den kun er glaseret på indersiden gør at den flækker. Mange tror fejlagtigt at de kan køle sig langsomt ud af denne fejl. Desværre beror denne ide på en manglende viden om at kommercielle glasurer typisk vil være større end skærven ved endt brænding. Glasuren vil altså være i kompression og presse på emnet. Så når man ovenikøbet bygger geometrisk svagt, som en helt flad tallerken er, så har man bedt om noget der ikke kan lade sig gøre, medmindre man enten skifter form og glaserer på bagsiden også, eller ændrer glasurens udvidelseskoefficent.

Er man seriøs med sit arbejde laver man tynde plader af sine forskellige typer ler og glaserer dem med den tykkelse og type glasur som anvender normalt. [En vejledning til denne proces findes her.](evaulering af glasur-skærv-match.md)

Variationer i brændinger kan skyldes

Uens ovnpakning (tæt vs. løs pakket)

Termofølerens placering i ovnrummet

Utilstrækkelig effektkapacitet i automatiserede ovne

Åbent eller lukket spjæld på elektriske ovne

En tæt pakning forsinker temperaturstigningen i forhold til programmeret kurve, mens en let pakning følger kurven mere nøjagtigt. Afkølingshastigheden afhænger af lastens samlede masse, pakningsmåde og om spjældet er åbent eller lukket, hvilket især påvirker krystallisation og kølespændinger i aluminiums eller titanium-matte glasurer.

Temperaturmåling

Under brænding registreres temperaturen med termoføleren, der måler lokalt og øjeblikkeligt. For at opnå et samlet datasæt for både temperatur og tid bruges de pyrometriske kegler , placeret flere steder i ovnen. Keglerne bøjer ved forudbestemte varmetidskurver og giver en nødvendig information ved ændret ovnpakning, ny ovntype eller maksimal effektudnyttelse. Med de nyere styringer med log får man en flot kurve der giver en ide om hvor tæt brændingsprofilen er fulgt.

Varmearbejde

Den samlede varmepåvirkning, også kaldet varmearbejde, er et produkt af tid og temperatur. En langsommere opvarmning eller længere holdetid kan derfor delvis kompensere for en lidt lavere temperatur, mens en meget hurtig brænding omvendt kan kræve højere toptemperatur for at opnå samme effekt. Keramikere bruger begrebet kegle (efter Orton-pyrometrikegler) til at angive kombinationen af tid og temp; en kegle 6 svarer f.eks. til ca. 1220 °C ved en normal langsom brænding, men en hurtig brænding skal måske op på 1240 °C for at bøje samme kegle. Pyrometriske kegler er små koniske stykker specialglasur, der er designet til at smelte/bøje ved bestemte varmearbejder. Det anbefales at bruge kegler i ovnen – mindst ved vigtige brændinger – for at verificere, at ovnen faktisk opnår det ønskede resultat. Man kan placere kegler på hver hylde, både i top, midte og bund af ovnen. Efter brændingen aflæses keglerne: hvis de ikke er lige meget bøjet, betyder det at nogle zoner i ovnen har fået mere eller mindre varmearbejde end andre. Med denne viden kan man justere pakningen af ovnen eller programmere længere udjævning for at kompensere. Læs mere om kegler i Ortonkegler og Varmearbejde

Hvad der sker hvornår i brændingen