气氛对传统陶瓷烧制的影响主要有如下几点:
(1)当釉烧或一次烧成的高温阶段是以间歇方式加煤或柴时,在一些温度场内,多系还原、氧化气氛交替循环。如果是均衡连继加入油或煤气,窑内气氛可能比较均匀和稳定。但还原作用的时问较长、无缓冲区,从而造成还原介质浓度相对较低。同时还要考虑排除水蒸气和CO2以及所要求的H2/H20与CO/CO2两个比值。
(2)对于烧成范围较窄的瓷器,在体积变化较大的加热阶段,应考虑阶梯状跃迂升温,分成几个小区域,适当延长各区域的保温时问,化一个较大的收缩为几个小的收缩,以便缓和体变集中的现象,使收缩差变小,收缩速度相对减缓。根据窑型,把不同品种分窑位装窑,以充分利用热能。当然电有一些特别的情况,须区别对待。如:有的陶瓷经还原焰和较高温度复烧后,釉面呈美丽的青色并发生纹片,这不仅是还原不足,而且也是烧成温度不够之缘;某件龙泉弟窑瓷胎试样含Fe2O3高达2.39%,TiO2为痕量,瓷胎却呈白色;在含铁量为1.5%左右的坯泥中加入1%的TiO2,还原焰烧成后,胎即呈灰色,未加TiO2的坯泥在同样情况下胎仍呈白色。可见钛在还原焰中着色影响较铁为烈。此外,胎内有机物在烧成时未能烧去,也会使胎成灰色。对景德镇地区使用当地粘土来说,以还原气氛加热可以相对降低烧结温度,气孔率可由氧化气氛加热的17.3%降至4.6%。在高温下,O2、CO2、H20气和SO2属于氧化性气氛;CO、H2和CH4属于还原性气氛;N2是中性气氛。就传统日用瓷而言,水蒸汽可能使釉分解、析晶、碱挥发、失去光泽,甚至表面结成硬壳。气体通道和坯垛应有利于气氛流通。升温过快,相当于气氛中氧气不足,易导致坯体内有机物碳化和鼓胀。还原反应的自由能、如C02+C
2CO,在温度为978℃时AGT0=0,低于此温度,CO容易析出C而造成产品缺陷。SiO不稳定,有时按2SiO
Si02+Si分解,Si会污染瓷器釉面。
窑炉结构对烧成气氛也有一个适应性问题。间歇窑是按“烧成曲线一时间”方式来安排燃烧室和排烟孔,以构成所需加热气体的进、出,火焰气氛依时间可变;隧道窑是按“烧成曲线一空间”排定的,每个燃烧室的火焰气焰不变,坯体只能随推车速度按燃烧室的布置自然就位。料垛及推车速度必须全程统一,氧化一保温一还原各燃烧室问的距离和结构也必须整体布置与适度安排,以保证烧成加热曲线各区间的热量供应、气氛转换、压力调整、烟气排出。一般说来,还原与否,最主要的是看窑内有无游离氧存在。这比CO介质的含量还重要。这就联系到窑件密封,以防止气体的溢吸。首先是窑炉结构要合理,并建立经常性的维护与修整制度。其次是燃烧室规格要与烧咀功率配套,不宜仅按燃烧热密度计算,还须考虑烧咀出口附近已化合的含碳物质及其裂解产物的浓度,用以保证窑内还原气氛所形成的长而柔的软火。
下面举二则具体实例来讨论还原焰烧成。
(1)青瓷釉,系CaO—K2O釉,南宋以前属CaO釉系统。Fe2O3含量约在2%左右。龙泉、官、哥诸窑釉已降至1.5%以下,龙泉的粉青、梅青釉有的降至1%以下。梅青釉烧成温度较高,还原气氛较重,提高了釉中Fe2+含量,釉色趋翠。当还原比值(FeO/Fe203)低干0.3以下时,气氛性质由还原逐渐趋于氧化。若烧成温度偏高或氧分压较低,常会发生三价铁向二价铁的转化。大多数Fe2+化合物所显示的绿荫可能是红外区域吸收带延伸入红色区域的结果。因而,青瓷的釉色显蓝;白瓷则稍泛青。联系天目兔毫釉在一定的还原条件下(1332±20℃),于分相后的氧化铁晶体薄膜中,较多地析出Fe204微晶而形成银兔毫,也可能缘于此。
(2)天目釉,学者们有时广义地把某些具有分相结构的铁系釉划归于天目范围。尽管当时称谓不同,如建盏、吉州窑、山西油滴、彭城窑。其间,建盏等大多属(CAS2)析晶——(液液)分相——(氧化铁)析晶釉。釉中Fe203含量如下:建阳天目釉(兔毫盏)5.26~8.49%,胎7.07~9.65%,比釉高,还原气氛烧成;吉州天目釉4.31~6.66%,油滴釉5~7%。有的学者通过实验装置作了比较专门的探讨,指出了一些形成机理和趋向。主要是:受窑内气氛影响的铁元素在釉结构中的原子价态和配位数,与其在釉表面层的浓度分布、铁化合物的析晶等,共同构成了天目釉的黑、蓝、灰、铁红、棕红、棕黄等各种不同釉色。
总之,釉在还原气氛中烧成,气孔减少,釉的表面张力较大,易于形成亚铁硅酸盐,相对降低烧成温度。使釉面达到光润、乳浊、致密的效果。
不过,还原气氛对某些陶瓷材料烧成的影响和作用是相当复杂的。涉及到气一固反应、吸附、溶解、扩散等一系列过程。闭口气孔内的气体成份和性质随窑内气氛的不同而各异。水蒸气介质对MgO以及CaO、UO2等一般是促进烧结,而对BeO则因系蒸发一凝聚机理的控制而效果相反。氢气氛有利于烧结α—A1203材料,并提高体积密度,而透明压电陶瓷则适合通气烧压,以便带走处于低分压的N2。总之,烧成使用何种气氛,须视瓷坯组成、外加剂、材料的性能要求等而定。