El cuarteo y el desconchado del esmalte

RESUMEN

En este trabajo se estudian las dilataciones y contracciones que tienen lugar, tanto en el bizcocho como en el esmalte, durante el proceso de fabricación de las piezas cerámicas esmaltadas. Se indica la forma de poder compaginar la evolución de ambos coeficientes de dilatación para poder predecir en qué casos puede temerse la aparición de cuarteo o de desconchado y la forma de prevenirlos.

SUMMARY

On this work expansions and contractions that occur, as well as on the bisque, as on the enamel, during the enameled ceramic pieces manufacturing process are studied. It is indicated the way to combine the evolution of both expansions coefficients in order to previse in which cases the occurrence of expansion and contractions occur and the way in which they can be prevented.

RÉSUMÉ

Dans ce travail on étudie les dilatations et contractions qui ont Hew, aussi bien sur le biscuit que sur l'émail, durant la fabrication des pièces céramiques émmaillées. On indique la manière de combiner l'évolution de deux coefficients de dilatation pour pouvoir prédire les cas où l'ion peut craindre l'apparition de craquelé et ecaillement et la manière de l'éviter.

ZUSAMMENFASSUNG

In dieser Arbeit werden die Ausdehnungen und Zusammenziehungen studiert, die im Scherben sowie auch in der Glasur wähnrend des Herstellungsvorganges von glasierten Keramikstucken vorkommen. Es wird angegeben auf welche Art man die Entwicklung beider Ausdehnungskoeffizienten in Zusammenhang bringen kann, um voraussagen zu können, in welchen Fallen man die Erscheinung von Craquelés oder Abbrockelungen befurchten muss, und auf welche Art und Weise man sie verhindern kann.

77/1/0068A

1.

A. LAURS Ferro Holanda

INTRODUCCIÓN

El cuarteo es uno de los defectos que ocurre con más frecuencia en la industria cerámica. Aunque menos frecuente, también el desconchado del esmalte (o saltado) es un fenómeno muy grave. Mucho se ha escrito ya sobre estos dos problemas; no obstante, se dedica este trabajo a materia tan polémica, porque conociendo sus causas estos defectos se pueden prevenir o al menos remediar en gran parte. 2. EXPANSION Y CONTRACCIÓN La materia se dilata cuando se calienta. Si el tratamiento térmico no causa cambios permanentes, la materia vuelve a su volumen original cuando se enfría, de modo que la expansión y la contracción son dos manifestaciones de una misma magnitud. La expansión varía mucho entre los diferentes materiales. El vidrio de cuarzo apenas presenta expansión, mientras que el cobre se dilata mucho cuando se calienta. A fin de comparar la expansión de los diferentes materiales medimos sus coeficientes de expansión. Una varilla de cobre de 1.000 mm de largo crece 0,0178 mm cuando su temperatura sube un grado centígrado; de este modo su coeficiente de dilatación lineal es 0,0178 : LOOO = 0,0000178, lo que por conveniencia se expresa: 178 x 10"^ Las materias no solamente se dilatan longitudinalmente, sino en todas las direcciones. Por eso la expansión térmica a menudo se expresa como una unidad cúbica y el coeficiente de dilatación cúbico es aproximadamente tres veces la expansión lineal. ENERO-FEBRERO 1 9 7 7

3. BIZCOCHADO CERÁMICO La arcilla tiene una expansión térmica (cúbica) que depende de su composición, v a r i a n d o entre 130 x X 230 X 10~^ Para porcelana estos números varían de 90 a 150 x 10"^ Los bizcochados cerámicos están compuestos por una o dos arcillas, caolín y cuarzo, junto a yeso blanco o dolomita; estos dos últimos componentes a veces se sustituyen por feldespato o minerales feldespáticos. Los componentes, sus porcentajes y su tamaño de grano varía de una planta a otra. Existen diferencias entre los métodos de preparación de la pieza; también entre los ciclos y las temperaturas de cocción. Todo esto explica por qué las expansiones térmicas de los bizcochados cerámicos difieren tanto. Dependiendo de la temperatura y del ciclo de cocción, los componentes de la pieza reaccionan entre sí, y de estas reacciones se originan nuevos compuestos. Los fundentes, a los que pertenecen los compuestos de calcio y magnesio y también feldespatos, tienden a formar una sustancia vitrea. Este vidrio en parte llena los poros y envuelve las partículas de otros materiales más refractarios, como la arcilla, el caolín o el cuarzo, actuando como un disolvente sobre las superficies de estas partículas, porque la composición del vidrio cambia continuamente. Si se desarrolla en el vidrio un exceso de un material puede cristalizarse, y la composición de estos cristales puede variar la de los componentes originales. El cuarzo, una forma cristalina principal de la sflice, a temperaturas relativamente altas reacciona bien con muchas clases de otros materiales ; entre otros, con los productos de descomposición del carbonato calcico y la dolomita. Los productos que se forman se llaman silicatos.

EL CUAKTEO Y EL DESCONCHADO DEL ESMALTE

La sílice y el óxido de calcio forman un silicato de calcio (wolastonia) y también si se encuentra presente la alúmina un silicato alúmino-cálcico (anortita). La anortita pertenece al grupo de los feldespatos. La sílice y el óxido de magnesio forman un silicato de magnesio (clino-enstatita). Si también está presente la alúmina también se puede formar otro alumino-silicato (cordierita). No todas las reacciones llevan a la formación de silicatos ; algunas veces ocurre lo contrario. La sustancia arcillosa o caolinita, un silicato de aluminio hidratado, pierde su agua químicamente combinada entre los 450 y 600° C. El producto que queda no cristalino desde los 900-950° C en adelante empieza a formar sílice vitrea. El feldespato potásico puede descomponerse a altas temperaturas y formar leucita y vidrio de sílice. La sílice originada en la descomposición de compuestos químicos a más bajas temperaturas es de tamaño molecular y, por tanto, forma fácilmente nuevas combinaciones. Dependen de todas estas reacciones la expansión térmica y otras propiedades de una pieza cerámica. En general se puede decir que la expansión térmica del vidrio y de los silicatos es baja en comparación con la del cuarzo u otras formas cristalinas de la sílice. Por esto cuanto menor sea la sílice libre presente en la pieza cocida más baja será su expansión térmica; también cuando más pequeño sea el tamaño de la partícula de la sílice mayor será su influencia. En la figura 1 se muestra una curva de expansión de un bizcochado. Cuando se calienta su expansión térmica es muy regular, pero de pronto, a los 573° C, hay una aguda subida. Después la expansión se hace regular otra vez.

Una de las otras formas cristalinas de la sílice es la cristobalita y una forma no cristalina es el vidrio de cuarzo. Todas estas formas y modificaciones son químicamente idénticas; las diferencias están en las estructuras cristalinas o, como en el vidrio de cuarzo, en la ausencia de una estructura regular. Todas ellas tienen un rango de temperatura en el cual son estables. Por arriba o por abajo de este rango tienden a transformarse en la forma de la sílice que es estable a la nueva temperatura reinante. La figura 2 muestra que las inversiones van acompañadas por grandes cambios de volumen. Por otra parte, el vidrio de cuarzo muestra una expansión regular y baja a lo largo de toda la línea.

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100

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700°C

FiG. 2.—Curvas de expansión de productos de sílice.

En ausencia de mineralizadores la conversión de cuarzo a cristobalita solamente se puede realizar a altas temperaturas, pero la sílice que cristaliza del vidrio formado en el bizcochado cerámico por lo general cristaliza como alfa cristobalita. Durante el enfriamiento, entre 200° y 275° C (generalmente a los 220° C aproximadamente), tiene lugar la inversión de alfa a beta cristobalita. En la figura 3 se muestra la forma de expansión de un bizcochado que contiene cuarzo y cristobalita. Los cambios de volumen prueban que la presencia de cuarzo libre o cristobalita es un punto muy importante en

O 100^200 300 ^00 500 600

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FiG. 1.—Curva de expansión de un bizcochado.

El salto a los 573'' C está causado por el cuarzo libre del bizcochado y se encontrará en la mayoría de diagramas de expansión de los bizcochados de arcilla. Cuanto más cuarzo libre esté presente más intenso será el salto. Junto con el cuarzo existen otras formas cristalinas de la sílice, y de todas ellas se conoce más de una modificación. Las conversiones de una forma principal a otra son muy lentas; las inversiones de beta a alpha, por el contrario, son muy rápidas y completas.

O 100 200 300 kOO 500 600 700°C FiG. 3.—Curva de expansión de un bizcochado con cuarzo y cristobalita. BOL. SOC. ESP. CERÁM. VIDR., VOL. 16 - N.^ 1

A. LAURS

relación al acoplamiento del esmalte. En otro capítulo concerniente a la cocción de los bizcochados cerámicos se explicará la influencia que estos saltos tienen en las propiedades fundamentales.

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4. EL ESMALTE

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El vidrio y los esmaltes a menudo se denominan "soluciones subenfriadas". Cuando se calientan o cuando se enfrían su comportamiento difiere del de los sólidos. En general, los últimos poseen una estructura interna regular y una forma externa definida, cristalina. A una cierta temperatura, la del punto de fusión, el volumen de una materia cristalina puede cambiar, pero no su forma. Cuando se alcanza el punto de fusión el sólido pasa a la fase líquida. Durante el enfriamiento ocurre lo contrario exactamente a la misma temperatura. Así, el punto de fusión es la temperatura a la cual las dos fases están en equilibrio. Un material vitreo no tiene un punto de fusión bien definido. Con el aumento de temperatura el material se hace más blando, y en un amplio rango de temperaturas permanece pastoso o modelable, sin hacerse fluido. Por consiguiente, un vidrio o un esmalte no tienen punto de fusión, sino un rango de fusión. En la figura 4-A se muestra la curva de dilatación de un sólido.

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o 100 200 300 400 500 600 700°c FiG. 4-B.—Curva de dilatación de un esmalte.

cruzan estas líneas auxiliares, aproximadamente 490^ C, está el punto de transformación, el punto desde donde el esmalte empieza a comportarse como un sólido cuando se enfría. El rango puede subdividirse en cuatro partes. En la primera el esmalte es rígido, en la segunda el esmalte es duro, pero se ablanda gradualmente en la tercera, a aproximadamente un poco más de 600° C el esmalte está blando, y a partir de aquí debe ser considerado fluido. La composición de los esmaltes varía mucho y también las propiedades, tales como fritado, expansión térmica, punto de ablandamiento, elasticidad, estructura, etcétera ; por tanto, lo más fácil para terminar con los problemas de cuarteo y desconchado es cambiar el esmalte. En algunos casos el problema no se puede resolver de esta forma. Entonces sería necesario cambiar la composición de la pieza. En otros casos esto puede que no sea una necesidad, pero podría ser una cosa aconsejable. 5. FUERZA DE COMPRESIÓN Y TENSION

O 100

200

300

400

500

600

700°C

FiG. 4-A.—Curva de dilatación de un sólido.

Hasta los 530° C la expansión es regular ; entonces el material se funde y aumenta el rango de expansión. Debido a que todas nuestras medidas han sido hechas sobre materiales en forma de varilla, y debido a que en el horno de ensayo no se podrían hacer medidas sobre materiales moldeables o líquidos, la línea termina a los 530° C y la línea punteada representa una expansión imaginaria. En la figura 4-B se muestra la curva de dilatación de un esmalte. Hasta los 490'° C la expansión es regular y durante ese rango el esmalte es rígido. Luego hay un escalón de subida que termina a los 550° C. Desde los 490° C el esmalte se ablanda de una manera creciente y a los 550° C la varilla del esmalte se ha ablandado tanto que se funde. La dilatación todavía continúa, pero ya no se puede medir. Este punto, 550° C, se llama el punto de ablandamiento, o Tw en abreviatura. En el diagrama la línea de expansión regular ha sido prolongada por una línea de puntos. Lo mismo se ha hecho hacia abajo con su parte escalonada; donde se ENERO-FEBRERO 1 9 7 7

Los esmaltes para temperaturas relativamente bajas constan de una o más fritas, las cuales, junto con alguna arcilla o caolín, se muelen finamente. Esta mezcla, en suspensión en agua, se aplica sobre el bizcocho. Después de seca, una capa de esmalte consiste en muchas partículas finísimas entre las cuales existe alguna pequeña atadura. Este es el porqué, a pesar de posibles diferencias en la expansión térmica entre el bizcocho y el esmalte, no aparece ningún problema durante el periodo de calentamiento en el vidriado. El esmalte se ablanda con el aumento de temperatura y eventualmente se funde. En todas estas condiciones el esmalte sigue los movimientos del bizcocho sin desarrollar ninguna fuerza. Las fuerzas se desarrollan cuando el producto esmaltado se enfría, y la temperatura a la cual ocurre puede determinarse bastante exactamente en los diagramas. En el enfriamiento un esmalte comienza a hacerse duro a Tw; consecuentemente, ninguna fuerza tiene lugar antes de que se alcance esa temperatura. Desde el punto de transformación el esmalte es rígido, y el grado en que el esmalte puede resistir las fuerzas desde entonces solamente depende de la elasticidad del esmalte.

EL CUARTEO Y EL DESCONCHADO DEL ESMALTE

Si un esmalte se dilata más durante el calentamiento quiere decir que se contrae más que el bizcocho durante el enfriamiento, la tensión aumenta en el esmalte y la compresión en el bizcocho. Estas circunstancias generalmente llevan al cuarteo. En los pocos casos en los que no ocurre cuarteo las fuerzas, tanto en el bizcocho como en el esmalte, continúan existiendo. Los objetos planos, los que solamente se esmalta una cara, como los azulejos, se curvarán y se harán cóncavos debido a estas fuerzas (fig. 5).