На этой странице размещен конспект книги, изданной достаточно давно - в 1935 году, тем не менее, ее содержание не потеряло практической значимости по сей день. На мой взгляд эта книга уникальна тем, что в ней просто и полностью, по этапам от начала до конца, изложен процесс работы с гипсом на керамическом производстве.

Наиболее распространенными способами изготовления керамических изделий являются формовка, литье и лепка. Применение этих способов работы, дающих возможность производить массовый выпуск продукции высокого качества, стало возможным лишь после того, как научились изготовлять гипсовые формы.
Применение гипса для изготовления моделей, капов и форм обусловленно ценными свойствами:
1) способность образовывать пластичное тесто которое в процессе химико-физической реакции превращается в твердый материал;
2) увеличением в объеме при затвердевании что позволяет легко снять отлитую форму с капа;
3) пористостью форм от 25 до 50% способствует быстрому и равномерному отнятию влаги от отформованого изделия и облегчает отделение керамического изделия от формы;
4) достаточная прочность, которую гипс преобретает через 15-20 минут после отливки и которая значительно возрастает после сушки.
Качество гипсовых форм очень часто определяет не только рентабельность самого производства, но и качество выпускаемой продукции.
Качество самих гипсовых форм зависит не только от свойств применяемого для их изготовления гипса, но и от умения правильно использовать эти свойства.
Сознательная и успешная работа с гипсом невозможна без ясного представления этих свойств.

Гипс получается из гипсового камня в изобилии находящегося в природе. Сырой гипсовый камень представляет собой сернокислую соль кальция, содержащую две частички воды и изображаемую химической формулой CaSO4-2H2O.
Химически чистый гипс содержит:
окиси кальция CaO - 32,56%
серного ангидрита SO3 - 46,51%
конституционной воды H2O - 20,93
Гипс мягкий материал; его твердость равна 1,5-2 (легко царапается ногтем). Гипс - плохой проводник тепла и кажется теплым на ощупь. Теплопроводность в интервале от 16 до 46С составляет
0,259 ккал/м. Удельный вес 2,2-2,4 гр. В соляной кислоте гипс легко растворим; в воде растворим незначительно и наиболее растворим между 32 и 41С, когда в 1 л. растворяется 2,72 гр. гипса.

Гипс имеет несколько модификаций: устойчивый, встречающийся в природе двугидрат CaSO4-2H2O, полугидрат CaSO4-1/2H2О и наконец безводный ангидрид CaSO4. Нет определенных точек перехода одного гидрата в другой.
Вода составляет единое целое с гипсом и если она будет удалена то тем самым перестанет существовать сырой гипсовый камень, а появится новое вещество, полугидрат либо ангидрит в зависимости от того насколько далеко зашел процесс удаления воды.
Вода которая не может быть удалена без изменения самого вещества, называется конституционной или химически связанной водой. Гигроскопическая вода легко может быть удалена простой сушкой.

В практике полугидрат получают путем нагревания измельченного природного гипсового камня при температуре от 120 до 170С в течении нескольких часов.
При этой температуре двуводный гипс теряет 3/4 химически связанной воды и переходит преимущественно в полугидрат.

нагрев
CaSO4-2H2O = CaSO4-1/2H2O + 1 1/2H2O
гипсовый камень технический гипс вода

Теоретически полугидрат содержит 6,2% воды. 1 килограмм гипса превращается в 0,843 килограмма полугидрата с выделением 0,157 килограмма воды.
Гипс при нагревании до известной температуры выделяет не всю воду, а только 1,5 молекулы; чтобы получить хорошо твердеющий продукт, следует выделить из него именно 1,5 молекулы воды.
Правильно сваренный гипс должен соответствовать следующим требованиям:
1) содержание гидратной воды не менее 3 и не более 6%;
2) время текучести после затворения не менее 2-3 минут;
3) начало схватывания должно наступать не ранее 4-6 минут, конец схватывания - не позднее 20-25 минут;
4) тонина помола: модельный гипс должен давать остаток не более 0,5% на сите №02 (900 отверстий на 1см2.), формовочный может давать остаток на том же сите не выше 5-8%;
5) механическая прочность: формовочный гипс должен показывать через 1 день не менее 8кг. на 1см2, а через 7 дней - не менее 16кг. на 1см2.
При изготовлении образцов на 100гр гипса добавляют 75гр воды.

Если обезвоженный гипс смешать с водой то произойдет процесс схватывания, в результате которого мы получим твердую отливку. Полугидрат CaSO4-1/2H2O присоединит к себе 1 1/2 частички воды и перейдет в двугидрат:

CaSO4-1/2H2O + 1 1/2H2O = CaSO4-2H2O
технический гипс вода схватившейся гипс

Процесс схватывания обуславливается тем, что полугидрат растворяется в воде в количестве 10,5 гр. в 1 литре воды, в то время как двугидрат
( в который переходит в воде полуидрат) растворяется только около 2,7 гр. в 1 литре воды. Следовательно если насыпать в воду полугидрат он быстро растворится и перейдет в двугидрат, который в воде труднее растворим, требует в 4 раза больше воды. Поэтому раствор становится перенасыщенным по отношению к двугидрату, избыток которого выпадает в виде игольчатых кристаллов двугидрата, которые переплетаются и сращиваются между собой, образуя прочную отливку. 15 гр. воды могут химически связать 100 гр. гипса ( до содержания в нем 21% гидратной воды), но на практике воды приходится добавлять много больше - от 35 до 55%.
Поглощение воды твердеющей гипсовой отливкой в количестве, большем чем 1/2 молекулы, связанно с необходимостью иметь среду, в которой легко и быстро может идти реакция растворения полугидрата и выкристаллизация двугидрата, для чего и необходим избыток воды. Излишняя сверх 21% вода механически удерживается в теле гипсовой отливки, образуя поры, из которых она потом легко может быть удалена при помощи сушки отливки.
Если воды взято мало, то частички гипса, прежде всего попавшие в соприкосновение с водой, эту воду жадно поглощают, переходя в двугидрат. Кроме того частички гипса механически удерживают воду в своих порах сверх 21%, в следствии чего для соединения с остальными частичками гипса воды не хватит и схватившийся гипс получится неоднородным и механически непрочным комком.
При слишком большом количестве воды выпадающие из раствора частички двугидрата будут сильно удалены друг от друга, поры между ними будут слишком велики, связь между отдельными кристалликами ослаблена и поэтому отливка будет механически слаба.

После затворения гипса в воде, по мере того как идет процесс схватывания и твердения, происходят одновременно объемные изменения и подъем температуры гипсовой отливки. Объемное расширение нормального гипса равно 0,1-0,2%. Повышение температуры происходит через 1-2 минуты после прибавления гипса к воде и достигает максимальной обыкновенно в течении 15-20 минут, затем начинается медленное охлаждение отливки.
Одновременно с началом падения температуры происходит обратное сжатие отливки вызванное поднятием температуры в период схватывания, в то время как расширение остается неизменным. Величина термического расширения весьма невелика и длится она не долго.
На величину расширения гипса во время схватывания влияет тонкость помола. Чем помол тоньше, тем расширение больше. С возрастанием тонкости помола увеличивается быстрота схватывания. Чем быстрее гипс схватывается тем больше его расширение.
Температурный эффект при схватывании характеризует гипс лучше чем, данные испытаний на сжатие и растяжение.

Перед применением гипса к нему добавляется вода (вода затворения). Добавка воды имеет целью:
1) дать возможность полугидрату присоединить к себе 1 1/2частички воды и перейти в двугидрат
2) дать возможность полученной при затворении массе легко вытечь из сосуда и заполнить углубления формы
3) создать необходимую пористость форм (по окончании схватывания излишек воды остается в теле отливки, заполняя поры между кристалликами и образует
пористость отливки, необходимую для придания формам способности к водопоглощению).
Если увеличить количество воды затворения то:
1) уменьшается механическая прочность
2) удлиняется период схватывания
3) увеличивается пористость формы (водопоглощение)
4) уменьшается объемное расширение.
На 100гр. гипса:
Вода гр. Пористость% Температура С Прочность кг/см2 Время схватывания мин. Соотношение%

75 26,3 38 9,4 10 43 : 57
100 30,3 35 6,6 14 50 : 50
125 44,4 28 4,5 18 55 : 45
150 48,0 28 3,1 25 60 : 40

Нормальная консистенция 83 гр. воды - 100 гр. гипса (100 гр. воды - 120 гр. гипса, 45 : 55%).
Необходимо применение воды для затворения гипса в строгой пропорции зарание для каждого гипса установленной, а не на глаз, как это до сих пор почти везде делается.
От назначения формы процентное соотношение воды к гипсу при замешивании колеблется в следующих пределах:
гипс : вода (%)
для пластического формования 58 : 42
для литья 46 : 54
Количество примененной воды зависит также от крупности помола гипса, от высоты его обжига, от длительности обжига, от условий хранения и ряда других причин.

При затворении гипса ему дают 1/2 - 1мин. спокойно напитаться водой, а затем энергично перемешивают 1 - 2мин. ручной или механической мешалкой.
Цель перемешивания - сделать смесь однородной. Смешивание должно продолжаться достаточное время чтобы сделать массу вполне однородной и свободной от пузырьков воздуха заключенных в гипсовой смеси. Важно закончить перемешивание вовремя, так как длительное перемешивание более 2мин вызывает препятствие нормальному сращиванию кристалликов, что ведет к механическому ослаблению отливки и быстрому схватыванию. Также если смешивание закончить раньше, то прочность отливки будет меньше.
Когда гипс смешан с водой, то смесь имеет с начало характер жидкости, затем постепенно смесь превращается в пластическую массу (по консистенции напоминающую сливки и способную хорошо литься) до этого момента надо продолжать смешивание. Далее смесь приобретает консистенцию замазки и наконец вполне твердеет. Смешивание до консистенции напоминающей консистенцию сливок, способствует гомогенизации массы.
Вывод для практики: необходимо смешивание заканчивать в момент перехода жидкообразной смеси в консистенцию подобную консистенции сливок.

Работа гипсовой формы состоит в том, что форма посредством пор впитывает в себя влагу от соприкасающейся с ней керамической массы. Для того чтобы форма могла эту влагу впитать лучше, надо предварительно освободить от влаги поры формы. Это делается сушкой.
Процесс сушки форм из гипса состоит в постепенном удалении из пор находящейся там воды. Удаление воды из пор происходит при помощи тепла, переносимого воздухом.
Воздух в сушилках омывает гипсовые формы и в силу присущего ему свойства поглощает с поверхности форм влагу. Взамен поглощенной, из более отдаленных от поверхности слоев формы влага поднимается на поверхность, откуда снова поглощается воздухом. Скорость сушки зависит от температуры, влажности и скорости циркуляции воздуха.
Правильная сушка имеет решающее значение для срока службы форм. Ни в коем случае нельзя переходить максимальную температуру, так как в этом случае в следствии
начинающейся дегидротации (удаление гидратной воды) гипса прочность форм нарушается. Скорость этой дегидротации зависит не только от высоты температуры, но и от времени воздействия температуры. Поэтому прежде всего надо решить вопрос, при какой температуре допустимо сушить формы без риска их испортить.
Если двугидрат (гипсовая отливка состоит из двугидрата то есть схватившегося гипса) долго находится под воздействием температуры выше 70С, то постепенно начинает обезвоживаться, и тем интенсивнее чем выше температура, причем в начале идет удаление избытков воды затворения, воды пор, а потом начинает идти удаление конституционной воды и постепенное разрушение отливки. На практике сушку выше 50-55С не разрешают.
Длительность сушки в зависимости от величины изделий и системы сушилки - от 2 часов до 5-6 дней. Формы высушиваются до остатка в их порах влаги 2-5%.
Такое остаточное количество воды в форме нормально и необходимо для правильной работы формы так как если бы форма была бы высушена до остаточной влаги пор, равной нулю, то изделия на форме дали бы ряд дефектов и прежде всего рванье в следствии неравномерной сушки. Пересушенная форма имеет характерную легко истирающуюся мелообразную поверхность, негодную для формовки керамических изделий. Рабочая влажность форм выше которой влага оказывает заметное вредное влияние на прочность форм, равна 8-15%.
Для перехода 100 гр. полугидрата ( содержит 6% хим. связанной воды) в двугидрат (содержит 21% хим. связанной воды) необходимо 21 - 6 = 15 гр. воды.
Если воды затворения взято 75 гр. то разница 75 - 15 = 60 гр. воды пойдет на заполнение пор. В конце сушки вес отливки при остаточной влаге равной нулю составит 175 - 60 = 115 гр.
Вес отливки при остатке в порах влаги 5% ( от общего веса ) составит 115 + 115 / 100 х 5 = 120 гр. следовательно испарится 175 - 120 = 55 гр.

Механизм схватывания гипса состоит в том, что полугидрат сначала растворяется в воде, а затем выкристаллизовывается из раствора в форме двугидрата. Поэтому всякое вещество, способствующее более быстрому растворению в воде полугидрата или кристаллизации двугидрата, ускоряют схватывание и наоборот, то есть вещества которые затрудняют растворение полугидрата и кристаллизацию двугидрата удлиняют схватывание. Вещества, ускоряющие схватывание, влияют на величину кристаллов - образуя мелкие кристаллы, в следствии чего прочность схватившегося материала несколько понижается. Гипс, который схватывается медленно образует твердый и плотный материал, но в тоже время сокращается в объеме, а потому не применяется для отливок.
Некоторые вещества, будучи добавлены в гипс действуют как центры кристаллизации, вокруг которых быстро распространяются кристаллы. К таким веществам относится например двугидрат CaSO4-2H2O. При попадании в смешиваемый с водой гипс вызывает ускорение схватывания и понижает механическую прочность литья.
Как общее правило, добавление посторонних материалов вредно для литья потому, что кроме изменений в схватывании они влияют на расширение, внутреннию структуру литья и могут иметь серьезное отрицательное влияние на прочность схватываемого гипса.
Добавка цемента в количестве около 10% от массы гипса увеличивает механическую прочность отливки одновременно с уменьшением пористости. Поэтому из данной смеси
изготовляют изделия для которых не имеет значение падение пористости отливки ( как например капы, патроны под формы и другие изделия).

Обожжённый гипс обладает свойством поглощать влагу из атмосферного воздуха. Такой гипс содержит уже не 6% гидратной воды, а больше. При нормальных условиях хранения
(в сухом помещении) поглощение влаги может продолжаться до года, прежде чем будет иметь вредное воздействие на гипс. При дальнейшем поглощении воды гипс может оказаться совершенно негодным для литья. Количество воды необходимой для затворения уменьшается в зависимости от степени насыщения гипса влагой.

Отлитый и застывший гипс, вновь обезвоженный при температуре 120-160С и измельченный, снова приобретает способность схватываться и застывать при добавлении воды. Такая регенерация гипса, как показывает практика, удается несколько раз, однако гипс, употреблённый вторично, дает уже менее прочный продукт. Регенерированный гипс твердеет медленнее, пористость получается несколько большая, отливки более легкими и мягкими чем из гипса употреблённого в первый раз. Поэтому применение регенерированного гипса на практике не применяют.

В процессе работы формы происходит уменьшение водопоглощения в следствии оседания растворимых солей в порах гипсовой отливки. Растворимые соли приобретаются и накапливаются при извлечении влаги из керамической массы или шликера. В керамической массе всегда имеются незначительные количества этих солей, а кроме того часто растворимые
соли специально вводятся в шликер с целью его разжижения. Сюда относятся сода, едкий натр, растворимое стекло и др. Форма впитывает их вместе с влагой в которой они растворены,
частично сохраняет их в своих порах в неизменном виде, частично же в теле гипсовой отливки идет с этими солями химическая реакция с образованием новой растворимой соли
сернокислого натра с 10 молекулами кристаллизационной воды и с выделением не растворимого в воде углекислого кальция или силиката кальция и других солей. С другой стороны, влага, попадающая в форму, растворяет некоторое, незначительное, правда, количество гипса и присоединяет его к тем растворимым солям, которые поступили в поры формы извне.
В процессе сушки форм влага поднимается на поверхность форм и оттуда испаряется. Вместе с влагой к поверхности форм поднимаются и растворимые в ней соли, но эти соли испарятся не могут и лишенные растворителя - воды, они оседают там, где их оставила вода, то есть на поверхности форм или вернее в порах форм ближайших к поверхности.
Большее количество воды выходит из формы через тонкие края форм, как более легко доступные сушке, то именно там и отлагается большее количество растворимых солей.
Понижение механической прочности форм вызвано не правильной сушкой.
При нерегулярной сушке ( если формы долго остаются влажными), потеря прочности происходит вследствие перекристаллизации гипса. Рабочая влажность форм выше которой влага оказывает заметное вредное влияние на прочность форм, равна 8 - 15%.
Поверхностное понижение механической прочности гипсовой формы происходит при сушке в температуре выше 60С. Это может получиться и при более низких температурах, если длительность сушки очень большая.
Уменьшение механической прочности форм характеризуется либо сама форма не выдерживает усилий, развиваемых при формовке, либо поверхность формы легко крошится.
Под влиянием трения частичек керамической массы по поверхности формы и постепенного растворения водой той же поверхности происходит естественный постепенный износ
поверхности формы, требующий все большей и большей оправки отформованных на ней изделий. Наконец наступает момент, когда дальнейшая работа на форме становится более не выгодной.
Сработанная форма не реставрируется, а выбрасывается.