KR20020069703A - 저온소성 골회자기의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고가이며 수입에 의존하고 있는 골회(Bone Ash)의 함량을 감소시키고 소성온도를 낮춘 골회자기의 제조방법에 관한 것으로서, 골회 32∼37 중량%, 장석 22∼27 중량%, 점토 22∼27 중량%, 활석 4∼6 중량%를 포함하는 도자기 원료를 분쇄 및 혼합한 다음 탈수, 혼련하여 도자기제품을 성형하는 단계와, 상기의 성형품을 건조한 후 1180∼1200℃의 온도하에서 소성한 다음 유약을 도포하여 소성하는 단계로 이루어지는 제조방법을 제공함으로써, 기존의 골회자기와 비교하여 소성온도를 감소시키고 백색도 및 내열충격성등의 물성치를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 고가인 골회자기제품을 저렴한 가격에 생산할 수 있기 때문에 가격 경쟁력을 갖출 수 있다.

Description

저온소성 골회자기의 제조방법{Manufacturing process of Low temperature firing Bone China}

본 발명은 골회자기(Bone China)의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고가이며 수입에 의존하고 있는 골회(Bone Ash)의 함량을 감소시키고 소성온도를 낮춘 골회자기의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 식생활에 중요한 부분을 차지하고 있는 도자기 제품 중 가장 고급제품인 골회자기는 45∼50중량% 골회, 25중량% 점토(clay), 25중량% 코니시 스톤(Cornish Stone)을 사용하여 물과 함께 혼합한 후 볼밀(Ball Mill)을 이용하여 분쇄한 다음 필터프레스(Filter-Press)를 이용하여 수분을 제거하여 케이크(Cake) 형태로 만든 후 혼련기(Pug-Mill)를 이용하여 원통형의 소지를 만든다. 상기의 소지를 각각의 제품의 크기에 맞는 직경과 높이로 절단한 후 물레성형기(Jiggering Press)를 이용하여 성형한 다음 성형품을 최고 온도 1250℃의 터널가마(Tunnel Kiln)에서 소성하여 제조한다.

골회는 젖소뼈를 약 1000℃에서 소성하여 분말로 만든 제품을 지칭하는 것으로 원료중의 코니시 스톤, 점토와 반응하여 저융점 화합물로 만들기 때문에 강력한융제 역할을 하며, 소지의 백색도와 투광성을 증가시키는 역할을 한다. 또한 코니시 스톤은 영국남서부 지방의 스톤(Stone)을 지칭한 말로서 일반적으로 장석을 말하는데 장석은 화성암의 60%이상을 차지하는 광물로서 순수한 조성으로 존재하지 않고 일반적으로 알루미나, 규산, 칼륨, 나트륨 등으로 구성되어 있으며 1140∼1280℃의 고온에서 녹아 다른 물질의 연화점을 저하시키는 융제 역활을 하는 대표적인 무기재료로서, 영국에서 수입되고 있다.

상기한 종래의 골회자기는 주원료인 골회 및 코니시 스톤을 전량 수입에 의존하고 있는데 골회는 초고가의 원료로서 총 원료단가의 75%이상을 차지할 뿐만 아니라 융점이 높아 일반 도자기보다 높은 온도에서 소성해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 종래의 골회자기와 비교하여 골회의 함유량을 낮춤으로써 소성온도를 낮출 뿐만 아니라 제품물성을 향상시키고 원가를 절감할 수 있는 골회자기의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 골회도자기를 제조함에 있어서, 골회 32∼37 중량%, 장석 22∼27 중량%, 점토 22∼27 중량%, 활석 4∼6 중량%를 포함하는 도자기 원료를 분쇄 및 혼합한 다음 탈수, 혼련하여 도자기제품을 성형하는 단계와, 상기의 성형품을 건조한 후 1180∼1200℃의 온도하에서 소성한 다음 유약을 도포하여 소성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 저온소성 골회자기의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 기존의 골회자기에 비해 35%대의 골회를 함유하고 고가의 융제인 코니시스톤을 단가가 낮은 고품질의 장석(potash feldspar)으로 대치함으로써 20%이상의 원가를 절감하여 도자기 제품을 얻을 수 있다.

본 발명의 도자기 원료로 사용되는 장석(potash feldspar)은 내수로 충당할 수 있는데, 일반적으로 장석은 화성암의 60%를 구성하고 있으며, 무기재료공업의 대표적인 융제로서 연화온도와 용융온도가 낮으며 점도가 높아 이것을 소지나 유약에 사용하면 난용성인 다른 원료의 용융을 도와 그 조합물의 연화온도를 낮출수 있어 소지를 자기화시키는데 절대적으로 필요한 원료이다. 또한 연화점이 지나서도 높은 점도 때문에 오랫동안 형태를 유지할 수 있다.

점토는 천연산의 미세한 입자의 집합체로서, 습하면 가소성을 나타내고 마르면 강성을 나타내며 충분히 고온에서 구으면 소결하는 것을 말한다. 그리고 이러한 성질을 갖는 점토의 광물학적 특징을 보면 주로 알루미나의 함수 규산염으로 구성되어 있는 점토광물로 되어 있다. 점토는 소지의 가소성을 좋게 하여 성형능력을 부여하고, 건조시 강도를 높이며 소성하는 동안에 그 형태를 유지할 수 있는 능력을 부여한다.

활석은 무색 또는 백색의 광물로서 매끄러운 촉감이 있는 미세한 결정의 연질괴상 또는 판상으로 산출되는 광물을 말한다. 활석의 미분말은 슬립(Slip)으로 하면 점도가 매우 크지만 가소성은 거의 없다. 일반 자기에서 활석은 투광성과 색도를 좋게하고 융제의 역할로서 소량 사용한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다

골회, 장석, 점토, 활석으로 배합되는 도자기 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계로서, 도자기 소지를 만드는 경우에는 원료를 먼저 분쇄하여야만 한다. 분쇄는 죠 크라셔(Jaw crusher)를 이용하여 조분쇄를 하고 볼밀등을 이용하여 미분쇄 및 혼합을 한다. 볼밀은 원통안에 볼과 원료를 넣고 회전시켜 미분쇄하는 기계로서, 보통 도자기의 배토를 제조하는데 사용된다. 도자기 원료의 정제나 분쇄에는 주로 습식을 사용하므로 도자기 제조에는 많은 물을 사용한다. 보통 사용하는 물은 천연수이므로 여러 가지 염류를 포함하고 있는데 이것이 배토의 가소성이나 건조강도에 영향을 주며 큰 기물에서는 건조균열의 원인이 되는 수가 있고 특히 주입성형에 큰 영향을 주므로 원료를 분쇄하고 탈수하기 전에 슬러리 상태로 보관중에 있는 슬러리의 pH를 측정한후 pH를 10.5∼11.5로 맞춘다. 이 때 pH를 맞추기 위해 염산이나 규산소다 등을 첨가하여 pH를 조절한다. 분쇄 후 원료 입자의 평균크기는 약 5∼6㎛정도이다.

골회의 바람직한 함유량 범위는 32∼37 중량%로서, 골회가 32중량% 미만으로 처방되는 경우에는 골회자기를 정의하는 삼인산칼슘의 함유량이 30%이하로 낮아지게 된다. 장석의 바람직한 함유량 범위는 22∼27중량%로서, 22중량% 미만에서는 소성온도의 증가를 가져와 소결온도가 높아지는 문제점이 발생하며, 27중량%를 초과하는 경우에는 소결할 때 제품이 주저앉아 찌그러지는 현상이 발생하게 된다. 또한 제품의 백색도를 저하시키는 요인이 된다. 점토의 바람직한 함유량 범위는 22∼27중량%로서, 22중량% 미만에서는 제품의 성형강도가 낮아져서 제품을 성형하거나 정형을 할 수가 없을 뿐만 아니라 제품의 강도가 현저하게 낮아져서 쉽게 깨어지는 현상이 발생하게 된다. 또한 점토의 함유량이 27중량% 초과할 경우에는 소성온도가 높아지며 백색도를 저하시키게 된다. 활석의 바람직한 함유량 범위는 4∼6중량%로서, 4중량%미만에서는 제품의 소성온도가 높아지며 6중량%을 초과할 경우에는 소결할 때 제품이 주저앉아 찌그러지는 현상이 발생하고 제품의 백색도를 저하시키는 요인이 된다.

다음은, 필터프레스를 이용하여 여과(Filter pressing)하는 단계로서 보통은 분쇄할 때 습식으로 하기 때문에 수분을 탈수시켜주는 공정이 필요하다. 여과후에 함수량은 약 18∼22%정도이다. 필터프레스란 여과장치의 한가지로 여과포사이에 이장(Slurry)을 넣은 상태에서 계속 이장을 넣어 압력을 가해 수분을 제거 시키는 장치이다.

다음에는 혼련하는 단계로서, 필터프레스로 탈수시켜 케이크로 할 경우 또는, 건조원료를 혼합하여 물을 가한 상태의 배토로 할 경우에 완전한 균일성이 부족하고 공기가 포함되는데, 이 때문에 제품의 내용에 따라 반죽을 해야한다. 가소성 상태의 배토에서는 이들 조작은 진공토련기(pug mill)를 사용하여 행하는 것이 일반적이고 손을 사용하여 반죽하는 경우도 있다. 진공토련기는 압출성형기의 하나로써 압출을 할 때 중간부분을 진공 상태로 만들어서 배토의 공기를 제거하여 압출한다. 배토는 성형을 위해 이장 상태(비중이 약 1.7∼1.9)로 만들거나 물레성형(Jiggering)을 위해서 기물의 크기에 맞게 직경이 다른 여러 가지 원통형으로 만든다.

상기의 도자기 소지를 성형하는 단계로서 원료분말을 가능한 균일하게 충진시켜야 한다. 즉, 소지의 어느 부분을 취하여도 수분 함유량, 화학조성, 기포량, 혹은 입자의 배열상태등이 가능한 균일하게 되도록 한다. 성형체의 어느 부분에서도 같은 충진밀도를 가지고 있어야 한다.

도자기의 성형방법으로는 물레성형과 주입성형이 있는데, 물레성형(jiggering)은 진공토련기에서 이겨나온 배토를 써서 물레로 성형하는 방법으로 손물레성형과 기계물레성형이 있다. 특히 공업적으로 사용되는 것은 기계물레성형인데 석고틀에 배토를 놓고 물레를 돌려가면서 석고틀과 금속 헤드사이에서 성형이 되도록 하는 것으로 식기류나 용기류의 제조에 있어서 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 이 방법은 기계물레를 사용한다는 것 이외에는 수공이 많이 드는 방법으로 최근에는 배토에서 완전성형까지의 조작을 자동화하여 공정 전부를 기계화한 자동기계물레 방식이 채용되고 있다.

또한, 주입성형에 대해 살펴보면 점토에 물을 첨가하면 점토는 물을 흡수하여 습한 상태로 되고, 계속 물을 첨가하면 손으로 반죽을 할 수 있는 연토의 상태로 된다. 더 많은 물을 첨가하면 유동성을 가져서 용기를 기울이는 것만으로 다른 용기에 쉽게 옮길 수 있게 되고, 물을 더 많이 첨가하면 가는 입자가 현탁 상태를 나타내어 액체와 같은 성질을 나타내게 된다. 점토에 한하지 않고 분체가 이와 같은 유동성을 나타내는 경우 이것을 이장이라 부르고 있고, 성형을 할 수 있도록 조제한 것을 주입이장이라고 한다. 이러한 주입이장을 석고형틀에 흘러 넣어서 석고형틀모양의 제품을 만드는 것이 주입성형이다. 이때는 이장의 비중이 중요하게 되는데 물만을 사용할 경우 비중이 낮아져서 성형시 시간이 오래 걸리고 수축도 심하게 되어 해교제 같은 보조 재료를 사용한다.

그 다음은 건조단계로서, 일반적으로 성형품을 건조시키지 않고 소성과정을 거치게 되면 소성중에 수분의 팽창으로 인해 제품에 균열 및 터짐이 발생하게 된다. 따라서 소성전에 성형품을 건조시키는데 이 때 너무 빨리 건조시키게 되면 제품에 균열 및 비틀림이 발생할 수 있으므로 자연건조한다.

마지막으로 소성하는 단계로서 소성은 다음과 같이 크게 나눌 수 있다. 즉, 비스킷 소성(Biscuit fire), 글로스트 소성(Glost fire), 데코레이션 소성(Decoration fire)이다.

비스킷 소성은 초벌구이라고 부르는 것으로 자기 제조에 주로 쓰이는 소성인데 소지에 채화한다던가 유약을 칠한다던가 하는 취급을 쉽고 안전하게 하기 위하여 1180∼1200℃에서 소성하는 것이며 이것은 소지를 충분히 소결시켜서 기물로서 사용하기에 충분한 기계적 강도를 갖도록 하고 다음에 낮은 융점을 갖는 유약을 시유한 다음에 낮은 온도로 구워서 제품을 만들 목적으로 하는 소성이다.

글로스트 소성은 비스킷 소성을 한 소지에 낮은 융점을 갖는 유약을 칠하여 비교적 낮은 온도에서 소성하여 광택을 내도록 하는 소성으로 유약구이라고 한다. 일반적으로 유약구이의 온도는 비스킷 소성 온도에 비하여 100℃가량 낮은 것이 보통이다.

데코레이션 소성은 광택구이를 한 제품을 장식하기 위하여 안료로 채화하던가 전사지로 전사해서 전기로에서 낮은 온도로 소성하여 안료를 융착시키는 소성으로서 이 채식구이의 온도는 보통 700∼900℃이다.

표 1은 본 발명에 따른 골회자기(실시예 1)의 물성과 기존의 골회자기(비교예 1)의 물성치를 나타낸 것이다.

	비교예 1	실시예 1
원료	골회 45%코니시 스톤(CF-11) 25%P-점토 12.5%G-점토 12.5%볼점토(Ball Clay) 2.5%벤토나이트(Bentonite)0.5%	골회 36%장석 25%점토 35%활석 4%
건조수축(%)	3	2.7 ±0.3
성형강도(㎏/㎠)	28.4 ±1.2	27.7 ±2.8
소성수축(%)	9.8 ±0.1	9.2 ±0.3
소성강도(㎏/㎠)	1319.0 ±11.0	1258.0 ±58
백색도(100[순백색]기준)	86.5	90.5
열팽창계수(/℃)	8.4 ×10-6	7.5 ×10-6
균열저항성(quenching하는 온도의 차이)	130℃차이	170℃차이
오토클레이브(Autoclave 12기압-1시간유지)	합격	합격
소결온도(최고온도)	1240 ±10℃	1190 ±10℃

표 1의 결과로부터 실시예 1과 비교예 1의 성형강도가 동등수준임을 알 수 있다. 이 성형강도가 약할 경우 이송 및 정형등의 공정중에 제품이 파손될 위험이 크다. 또한 완제품의 강도에 커다란 영향을 미치는 소성강도도 기존 제품과 동등수준이다.

골회자기 제품의 품질을 결정한다고 할 수 있는 백색도는 실시예 1이 비교예 1보다 우수한 백색도를 보이고 있다.

균열저항성으로 내열충격성을 평가할 수 있는데 내열충격성의 중요한 요인은 열팽창 계수와 기물의 두께이다. 즉, 기물의 두께가 일정할 때 열팽창 계수가 가장중요한 요인이 된다. 실시예 1은 비교예 1보다 열팽창계수가 약 1.0±10^-6/℃ 낮은데 열팽창 계수가 작을수록 내열충격성이 증가한다. 본 발명에 따른 골회도자기의 내열충격성은 기존의 골회도자기보다 30∼60℃의 내열충격성의 증가를 보이고 있으며 이는 뜨거운 곳이나 뜨거운 물질을 담을 때 온도차이가 커짐으로 해서 제품이 깨지는 것을 보완하기 위해 충분하다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 화학성분조성과 소결온도 및 분위기를 최적화함으로써 기존의 골회자기 제품의 특징인 백색도, 투광성, 강도를 동일 또는 향상시킬 수 있으며, 골회의 함량을 낮추고 융제인 장석의 함유량을 높임으로써 소결온도를 50∼100℃ 낮추어 소성공정시 연료사용량의 절감과 각종 내화물의 수명을 연장시킴으로써 생산단가를 절감할 수 있다. 또한 높은 열팽창계수를 가진 골회의 함유량을 감소시켜 기존의 골회자기 제품보다 열팽창계수을 낮춤으로써 골회자기제품의 결함인 내열충격성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 기존의 골회자기 제품에 사용되던 고가인 골회의 함량을 낮추고 코니시 스톤등의 도자기 원료를 고품질이면서 저가인 장석으로 대체함으로써, 소성온도를 감소시키고 제품의 물성치를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 고가인 골회자기제품을 저렴한 가격에 생산할 수 있기 때문에 가격 경쟁력을 갖출 수 있다.

Claims (1)

1. 골회도자기를 제조함에 있어서, 골회 32∼37 중량%, 장석 22∼27 중량%, 점토 22∼27 중량%, 활석 4∼6중량%를 포함하는 도자기 원료를 분쇄 및 혼합한 다음 탈수, 혼련하여 도자기제품을 성형하는 단계와, 상기의 성형품을 건조한 후 1180∼1200℃의 온도하에서 소성한 다음 유약을 도포하여 소성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 저온소성 골회자기의 제조방법.