El cuarteo y el desconchado del esmalte

A. LAURS Ferro Holanda

77/1/0068A 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.

1. 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.

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.

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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.

O 100^200 300 ^00 500 600 yoo^'c

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.

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.

Cü/\ f^zo

o 100 200 300 ¿[00 500 600 700°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 kOO 500 600 700°C

FiG. 3.—Curva de expansión de un bizcochado con cuarzo y cristobalita.

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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.

4. EL ESMALTE

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.

O 100 2 0 0 300 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 ° 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

1 1 1

^r" ^.--^ 1 --'"'''^/ ' 1 ' 11 1 1

L̂--'"'̂^̂ '̂̂ I i 1 1H 1 Jjr ÎV

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

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 eventual-mente 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.

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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).

<— -V- - ^ -K- -»<- -»«- -^ J J * j 1 J J Mi 'M ̂ ñ

FiG. 5.

Si el coeficiente de expansión térmica del esmalte es más bajo que el de la pieza, el esmalte estará en com­presión y la pieza en tensión. En este caso en el enfria­miento la pieza se contrae más que el esmalte, y esto puede causar desconchado. Si no ocurre esto, los obje­tos planos, esmaltados por un solo lado, se doblarán también, pero serán convexos (fig. 6).

FIG. 6.

Piezas como pueden ser tazas, cazuelas o jarrones no pueden doblarse tan libremente como las piezas pla­nas; sin embargo, se rompen si las fuerzas se hacen muy altas. Algunas veces hacen explosión, rompién­dose en mil pedazos.

La fuerza de tensión de los esmaltes varía desde 399 a 500 Kg/cm^. Su fuerza de comprensión, sin embargo, es mucho más alta, alrededor de 10.000 Kg/cm^. Esto explica el porqué el cuarteo es un defecto más frecuen­te que el del desconchado del esmalte.

Una pequeña fuerza de tensión es suficiente para ha­cer cuartear un esmalte, pero un esmalte puede sopor­tar fuerzas de compresión bastante altas sin producir desconchados en el esmalte. Naturalmente, en este úl­timo caso el enlace entre la pieza y el esmalte tiene que ser bueno.

Por esta razón, por motivos de seguridad, se debería elegir un esmalte de más baja expansión térmica que la pieza. Debido a que la fuerza de compresión de los

tiestos cerámicos es también más alta que su fuerza de tensión, es evidente que la rotura de los productos ocu­rre mucho más a menudo cuando el esmalte tiene una expansión térmica más alta que el tiesto que cuando las condiciones están a la inversa. Después de todo, los peligros no son grandes, porque las paredes del objeto son mucho más gruesas y, por lo tanto, más fuertes que la capa del esmalte.

Pueden existir grandes fuerzas cuando un esmalte se usa en el interior de una pieza (cacerola, olla, etc.) y éste difiera mucho en expansión térmica del esmalte que se usa en el exterior. Con bastante frecuencia sur­gen problemas cuando se aplican al exterior de jarrones esmaltes especiales, como son esmaltes de Cd-Se o es­maltes de cuarteo (craquelé), que todos ellos tienen alta expansión térmica. Entonces, para evitar el agrie­tamiento, se elige un esmalte interno con expansión térmica adecuada. Después del vidriado el esmalte de la parte externa está en tensión; el de la parte inter­na, en compresión. La pieza está sometida a fuerzas opuestas, y éstas a menudo son más grandes de lo que pueden resistir.

Cuando se usan esmaltes para la parte externa que tienen una alta expansión térmica es necesario aumen­tar la expansión térmica del esmalte de la parte inter­na hasta un cierto límite, a fin de prevenir la rotura de los productos. Si debido a esto el esmalte interno cuar­tea, los productos algunas veces se hacen impermeables usando una laca de celulosa diluida. Esta no es una ele­gante solución a un problema cerámico, pero la alter­nativa es desarrollar una pieza cerámica que tenga una alta expansión térmica, aproximadamente 270 x 10~^

Las fuerzas entre la pieza y el esmalte se pueden me­dir en un medidor Steger. En lo precedente discutimos la curvatura, cóncava y convexa, de piezas planas que son esmaltadas por un solo lado.

El límite de la deformación es una indicación de la magnitud de las fuerzas.

En la figura 7 se da una idea aproximada del medi­dor Steger.

^m | 6

1 - Mecanismo de Sujección-

2 - Horno

3 - Probe ta esma1tada

k - Extremo curvo del indicador

5 - P i vote

6 - Escala, graduada

FiG. 7.—Medidas Steger,

En él se puede cocer un bizcocho cerámico esmalta­do por un lado. El extremo curvado de un indicador descansa en el extremo libre de la pieza. La escala indi­cadora puede reemplazarse por un registrador.

Los esmaltes crudos no causan fuerzas durante el periodo de calentamiento; es por lo que se usan con más frecuencia piezas vidriadas. En nuestro laborato­rio el Steger original ha sido reemplazado por un apa­rato en el cual se pueden medir ópticamente. La figu­ra 8 muestra qué tipo de movimientos se pueden es­perar.

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FIG. 8.

Una curva registrada durante el periodo de calenta­miento no es paralela a la registrada durante el periodo de enfriamiento. Generalmente la curva de enfriamien­to pasa por arriba de la curva de calentamiento, porque la descarga de las fuerzas en el calentamiento general­mente empiezan más lentamente que la subida de las fuerzas durante el enfriamiento.

En la figura 9 se muestran las curvas de un bizcocho de arcilla esmaltado. La curva 1 fue registrada durante el calentamiento del tiesto ; la curva 2, mientras se en­friaba. Nótese que cuando el extremo libre de la pro­beta sube el indicador del medidor baja. En el diagra­ma, por esta razón, el área de cuarteo pasa a la parte más baja del gráfico, mientras que el área de descon­chados sube. i

c ^0

O) 0) \_ Q. E O o

O 100 200 300 hOO 500 6 0 0 7 0 0 ° C

FiG. 9.—Curvas de dilatación de un bizcocho esmaltado.

En la figura 9 el esmalte está en alta compresión a temperatura ambiente; por tanto, la tendencia a des­concharse es grande (la probeta es convexa). Con el aumento de temperatura la compresión disminuye (la pieza pierde su curvatura gradualmente). A 480° C la compresión ha cesado de existir (la probeta está plana). Ahora las fuerzas de tensión empiezan a subir y co­mienza a haber una tendencia al cuarteo (la probeta

empieza a hacerse cóncava). A los 550° C se ha alcan­zado la máxima fuerza de tensión (la probeta es cónca­va). Desde ahí la tensión disminuye y a los 600° C se manifiesta alguna compresión. A los 680° C el esmalte es movible, y de esta manera todas las fuerzas han de­jado de existir (la probeta está plana otra vez).

La curva de enfriamiento marcada "2", comenzando a una temperatura de 700° C, muestra la figura a la in­versa, pero esta vez la curva apenas entra en el área de cuarteo, y desde los 520° C hacia abajo la compre­sión sube regularmente, hasta que se alcanza otra vez la temperatura ambiente.

Ahora volvemos al tipo de diagrama, en el cual, al contrario que en la figura 9, la curva registra la expan­sión en lugar de la fuerza. En las figuras 4-A y 4-B esto se ha hecho separadamente para el bizcocho y para el esmalte, pero también se pueden situar juntos en único diagrama, en el cual se muestran más claramente las diferencias de la marcha de la expansión.

Ya que, no obstante, el comportamiento de la pieza y el esmalte se miden separadamente, se debe estable­cer la situación correcta de las curvas con respecto a cada uno. Por arriba de Tw el esmalte es movible, y como la capa de esmalte sigue todos los movimientos del bizcocho sus superficies (largo y ancho) deben ser iguales. A Tw no existen fuerzas, pero a partir de ahí hasta que se alcance la temperatura ambiente se des­arrollan. Este es el porqué la curva de esmalte se traza de tal forma que su punto Tw corresponda con la mis­ma temperatura en la curva del bizcocho.

Las curvas de la figura 10 son de un bizcocho blan­co y un esmalte común que tenga una baja Tw. Al de­cir "común" queremos decir un esmalte que tenga una expansión térmica de unos 30 puntos más baja que la del bizcocho, porque se necesita compresión.

Ambas curvas se han ido obteniendo durante el pe­riodo de enfriamiento. Por arriba de los 573^ C la pieza muestra una contracción regular, después tiene lugar la inversión alfa-beta-cuarzo y ésta es acompa­ñada por una contracción. Como hemos elegido un esmalte con una baja Tw, todavía es movible y de esta forma la contracción de la pieza no tiene consecuen­cias. A Tw, en este caso a los 530° C, el esmalte em­pieza a hacerse rígido y se contrae fuertemente. El bizcocho siendo sólido no puede seguir este movimien­to y por tanto la tensión crece en el esmalte, como

O JOO 200 300 ^00 500-600 700°C

FIO. 10-A.—Esmalte con una expansión térmica normal y bajo punto de reblandecimiento.

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EL CUARTEO Y EL DESCONCHADO DEL ESMALTE

FIG. 10-B.—Deformación en un aparato Steger,

contra la compresión del tiesto. Bajando la temperatu­ra, la contracción rápida del esmalte cambia a ser re­gular y más lenta, resultando más pequeña que la del bizcocho. Como resultado la tensión en el esmalte dis­minuye continuamente, y a aproximadamente 150° C incluso cambia a ser fuerza de compresión.

Dibujando una línea-cero representando la ausencia de tensión y trazando en ellas las temperaturas a las cuales existió esa condición 530 y 150° C, se puede construir una curva de fuerza como si se hubiera produ­cido en el medidor Steger.

La figura 11-A muestra la curva de la misma pieza de bizcocho que la figura 10-A. El esmalte tiene la misma expansión térmica, pero su Tw es más alta, a saber, justo antes del salto del cuarzo. Esto origina una gran diferencia, porque las fuerzas de compresión se hacen mucho más grandes ahora.

T e n s Î on

O 100 200 300 ^00 500 600 700°C*

FiG. 11-A.—Curvas dilatométricas de bizcocho blanco y es­malte con alto Tw.

L INEA O

FiG. 11-B.—Deformación en un aparato Steger.

Este ejemplo nos demuestra que no sólo la expan­sión térmica, sino también el punto de ablandamien­to Tw, es un factor decisivo con relación a las fuerzas que tienen lugar en un objeto esmaltado.

Hasta ahora se han elegido esmaltes con una expan­sión térmica relativamente baja para asegurar que se desarrolla la compresión necesaria.

La figura 12-A muestra lo que sucede si el esmalte tiene una expansión térmica más alta que el bizcocho. Las curvas dibujadas en el diagrama corresponden a dos esmaltes que tiene una misma expansión térmica, pero una diferente Tw.

Si la expansión térmica de un esmalte es más alta que la del tiesto, se desarrolla tensión en el esmalte, cualquiera que sea su Tw.

La figura 12-B muestra que ambos esmaltes por todo el rango entre su Tw y temperatura ambiente se mue­ve en el área de cuarteo. Cuando más apartadas estén las curvas del bizcocho y del esmalte, más grande es la fuerza.

O 100 200 300 400 500 600 700°C

FiG. 12-A.—Curvas dilatométricas de dos esmaltes con igual expansión, pero diferente Tw.

LINEA O

FiG. 12-B.—Deformación en un aparato Steger.

Como los esmaltes pueden muy difícilmente sopor­tar fuerza de tensión, estos ejemplos describen una situación desfavorable. A temperatura ambiente un es­malte debe estar en compresión. Pueden soportar bas­tante parte de ella, y esto incluso puede ser necesario para neutralizar el efecto de expansión del bizcocho por humedad.

Algunos diagramas muestran que los esmaltes tienen que soportar un periodo de fuerzas, de tensión, antes de llegar a la compresión deseada. Si, en tal caso, la tensión sube y a la vez el esmalte se ha hecho rígido, se puede esperar el cuarteo.

Cuando hablamos de varias formas de la sílice, tam­bién mencionamos la cristobalita. Se encuentra en al­gunos bizcochos cerámicos, especialmente en azulejos, por ello sería interesante hablar de ella tanto más cuanto que la inversión alfa-beta, y la contraria, tiene lugar a aproximadamente 220° C. A esta temperatura todos los esmaltes son rígidos.

En la figura 13 se muestran una vez más los saltos del cuarzo y cristobalita de algunos bizcochos cerámi­cos. La línea completa representa el comportamiento de expansión y contracción durante el calentamiento y enfriamiento. Las medidas de la expansión térmica generalmente se hace entre 20° y 320° C. La razón por lo que se hace a esta temperatura es el hecho de que la expansión sobre esta temperatura es prácticamente siempre uniforme.

Si un bizcocho contiene cristobalita, esto no ocurre. Por esto en nuestro gráfico se han dibujado dos líneas auxiliares, una punteada y la otra de rayas. La de ra­yas indica donde la línea completa hubiera terminado si no hubiera habido un salto de cristobalita. La línea punteada representa la expansión media entre 20° y

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A. LAURS

300 itOO 5oa 7 0 0 '

FIG. 13.—Curva de expansión de un bizcocho, donde se ob­servan los saltos de cuarzo y de la cristobalita.

320° C. De la gran diferencia entre los dos extremos, uno se puede imaginar que esto debe tener consecuen­cias sobre las fuerzas que ocurren en el bizcocho y el esmalte.

La figura 14-A muestra el comportamiento de expan­sión de un esmalte común, que tiene un bajo punto de ablandamiento, sobre ese bizcocho que contiene cris­tobalita. La figura 15-A muestra el comportamiento de un esmalte común con un alto punto de ablandamiento.

Ambos esmaltes están con alta compresión. Bajo estas condiciones los azulejos serían muy convexos y desaprovechables. Para evitar esto, debería elegirse un esmalte con una expansión térmica más alta, figu­ra 16-A. Con este esmalte la compresión ha desapare­cido completamente, pero hay un largo rango por abajo de Tw para el cual el esmalte está en tensión. En la

O 100 2 0 0 300 ^ 0 0 5 0 0 6 0 0 700.,°C

FiG. 14-A.—Esmalte con un coeficiente de expansión normal y bajo punto de reblandecimiento.

Ten s ion

O 100 200 300 ¿+00 500 600 700°C

FIO. 15-A.—Esmalte con un coeficiente de expansión normal y alto punto de reblandecimiento.

"̂ :7" L I NEA O

FiG. 15-B.—Deformación en un aparato Steger.

figura 15-A este rango es corto ; además, el esmalte no está completamente rígido todavía.

En las figuras 14-A y 16-A se muestran casos más severos, que a menudo conducen al cuarteo. Aunque estos cuarteos sean invisibles debido a la subsecuente compresión en recipientes, serán útiles por no imper­meabilizar el bizcochado.

Si el esmalte de la figura 16-A tuviera un punto más alto de ablandamiento, los resultados podrían ser muy buenos. Es una lástima que no se pueda incrementar el punto de ablandamiento de un esmalte así, sin que

O 100 200 300 -400 500 600 700^0

FiG. 16-A.—Esmalte con una alta expansión térmica y bajo punto de reblandecimiento.

L I N E A O S

37- LINEA O

FiG. 14-B.—Deformación en un aparato Steger,

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FiG. 16-B.—Deformación en un aparato Steger.

EL CUARTEO Y EL DESCONCHADO DEL ESMALTE

cambien otras propiedades hasta tal punto que el es­malte sería inadecuado para el uso a que se le destina. Evidentemente el esmalte de la figura 15-A mostrará una fuerte tendencia a desconcharse sobre el bizcocho.

Estos ejemplos prueban que la presencia de cristo­balita en tiestos cerámicos usados para la producción de artículos planos pueden causar complicaciones. Nos encontramos o bien molestos por los desconchados, de­formaciones y roturas, o nos zafamos de la compresión e incurrimos en el cuarteo.

6. EXPANSION POR HUMEDAD

Por todo lo expuesto se deduce que los esmaltes tienen que trabajar a compresión, por lo que deben te­ner una expansión térmica más baja que el bizcocho cerámico al que se les aplica, para evitar el cuarteo.

En la práctica, a menudo podemos comprobar que con el tiempo la compresión en los esmaltes decrece y eventualmente se crean tensiones. Como resultado tenemos que los objetos cerámicos, suministrados como perfectos, empiezan a dar señales de cuarteo en las tiendas o en las casas.

Este tipo de cuarteo, cuarteo retardado, puede ocu­rrir después de semanas, meses, o incluso años, en azulejos, arcillas y sanitario no vitreo ; resumiendo, en todos los productos de cerámica porosos.

Este cuarteo es causado por la expansión por hume­dad. Muchos científicos han investigado este asunto, y ahora sabemos que la causa es la absorción de agua por la superficie interna de la pieza, la cual se dilata por este motivo. La superficie interna está formada por toda clase de poros, roturas y agujeros, con una gran superficie. (Una esponja tiene una gran superficie interna.)

Los bizcochos cerámicos constan de materiales cris­talinos y amorfos. En comparación con su volumen, la materia amorfa tiene una superficie total muy grande, y ésta es una de las razones de por qué tal material re­acciona diferentemente de los materiales cristalinos. Estos últimos absorben menos agua, y es por esto que la expansión por humedad está causada por la materia amorfa y no por la materia cristalina. Casi todos los minerales usados en la industria cerámica son crista­linos.

Como los minerales de arcilla están muy finamente pulverizados, poseen una superficie total muy grande y cada partícula en sí misma es un pequeño cristal-Durante el proceso de cocción estos minerales se des­componen, con lo que se pierde la forma cristalina. La alúmina amorfa y la sílice permanecen después de la descomposición de la sustancia arcillosa (caolinita). También el vidrio, que se forma en la pieza durante la cocción, debe ser considerado como un material amorfo. El feldespato potásico se descompone y forma leucita y un líquido, y como las fórmulas de potasa y leucita muestran sólo una diferencia de dos moléculas de SÍO2, ese líquido es vidrio de cuarzo.

Todos estos materiales amorfos provocan la expan­sión de humedad. Los materiales que trabajan en con­tra de la expansión por humedad son aquellos que reaccionan con los antedichos materiales y forman nuevos compuestos que cristalizan.

El carbonato calcico es uno de los materiales más activos a este respecto, y también el carbonato magné­

sico es muy útil. Juntos aparecen en el mineral de do­lomita.

En el apartado "El bizcocho cerámico" se han men­cionado los compuestos que se transforman después de reaccionar con la sílice. Cambiando la composición de la pieza podemos afectar la expansión por humedad.

El proceso que lleva a la expansión por humedad puede llevar días y también años, pero se puede repro­ducir más o menos en unas pocas horas en un auto­clave.

Un autoclave es un tanque en el cual por medio de agua hirviendo se produce vapor y presión. Sobre una pequeña plataforma sobre la superficie del agua se pue­den situar las piezas a ensayar. Después de haber ce­rrado el autoclave herméticamente, el agua se calienta, y debido al vapor que se forma, la presión aumenta rápidamente. Debido a su presión el vapor penetrará profundamente en la pieza, y de esta forma favorece la absorción.

Generalmente la presión sube a 7 atmósferas y esta presión se mantiene durante una hora. Después de que el autoclave se haya enfriado, se sacan las piezas y se examinan. Si no encuentran indicios de cuarteo, se re­pite el ensayo, y si tampoco en esta segunda prueba se encuentran, se puede tener la seguridad de que el producto no cuarteará, ni con el paso de los años.

El ensayo de autoclave es un método simple, rápido y efectivo para determinar la resistencia de los esmal­tes al cuarteo, pero también se pueden usar para de­terminar la expansión por humedad de un bizcocho cerámico recién cocido. Para este propósito se cortan pedacitos de productos cerámicos (si se usa agua para cortarlos, estos pedazos deberían recocerse a aproxi­madamente 900° Q , lo mismo se hace con productos que han estado guardados durante días o largos perio­dos de tiempo.

Como las piezas son relativamente pequeñas, cual­quier error al medirlas sería aumentado en el cálculo ; es absolutamente necesario tener instrumentos de pre­cisión a la disposición de uno, y dejar este trabajo a una persona de confianza. Estas medidas se toman antes y después del ensayo en autoclave.

Después de muchos años de experiencia hemos lle­gado a la conclusión de que una expansión por hume­dad de menos de 0,06 % pocas veces conduce al cuar­teo, dado que el esmalte está en compresión después del vidriado.

Sobre 0,08 % prácticamente siempre se ocasionan problemas, y en general podría decirse que éstos son proporcionales al porcentaje.

Este hecho se demuestra mejor sobre azulejos. Como otros productos cerámicos, los azulejos necesitan es­maltes que después del vidriado estén en compresión. Los fabricantes de azulejos por esta razón producen azulejos que inmediatamente después del vidriado son un poco convexos.

Si la pieza tiene una alta expansión por humedad, por lo que la pieza se dilataría, la fuerza de compre­sión en el esmalte disminuye gradualmente, y eventual­mente se convierte en tensión.

El azulejo ligeramente convexo se hace plano y más tarde incluso cóncavo debido a lo expresado anterior­mente.

Con esto el esmalte cuartea y por esto realza la cur­vatura y el azulejo se vuelve plano otra vez. La ex­pansión por humedad, sin embargo, continúa, con lo que se desarrollan nuevas fuerzas de tensión y ocurre

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A. LAURS

más cuarteo. Una vez la pieza ha alcanzado su máxi­ma expansión de humedad, el esmalte se cuartea fuer­temente.

Para prevenir esto, se debe usar un esmalte con una baja expansión térmica. Eso significa que después del vidriado de los azulejos estarán terriblemente conve­xos y, por lo tanto, no serán comerciables hasta que la expansión por humedad haya decrecido la compre­sión suficientemente.

Esto llevaría demasiado tiempo, y no sería una so­lución acertada. Además un esmalte bajo, tan altas fuerzas de compresión, tiene tendencia a desconchar­se, y las pérdidas por esta causa serían casi inevitables.

Con ollas, tazas, etc., la tendencia a desconchado sería más grande ; después de todo, parte de las fuer­zas en azulejos es neutralizada por la curvatura de los azulejos. Si la pieza es fuerte y la adherencia del es­malte a la pieza es buena, puede soportar bastante compresión. Un repentino cambio de la temperatura a menudo es suficiente para hacer que una pieza se rompa.

Si la compresión conduce al desconchado del esmal­te, generalmente éstos se producen en los bordes, cue­llos y asas.

Por todo lo antedicho, podemos sacar la conclusión de que si un bizcocho cerámico tiene una expansión por humedad demasiado alta, sería mucho más simple cambiar la composición del tiesto que encontrar una solución buscando un esmalte adecuado.

7. INFLUENCIA DEL PROCESO DE COCCIÓN

La influencia del proceso de cocción en los resulta­dos finales es bastante grande. Si la masa de una pieza contiene los fundentes necesarios, solamente cocién­dola a temperatura adecuada y ciclo suficiente se for­ma el vidrio. El vidrio es necesario para proporcionar la consistencia deseada a la pieza, para limitar la po­rosidad y para hacer que los nuevos compuestos cris­talicen.

Una alta porosidad generalmente es origen de expan­sión por humedad. Si intentamos comprobar la expan­sión por humedad combinando compuestos de calcio y magnesio con sílice, solamente se puede tener éxito si se aplica el calor suficiente. El logro de una cierta temperatura es insuficiente, el tiempo en el cual se alcanza esta temperatura y el tiempo que se mantiene a su máximo es también muy importante.

Damos por sentado que los óxidos de calcio y mag­nesio combinan con la sílice y con alúmina y sílice.

Las propiedades del producto, incluyendo la expan­sión térmica, depende de la clase de compuesto que se forme. De los compuestos de magnesio mencionados, clino-enstatita y cordierita, el primero tiene alta ex­pansión térmica, y el segundo, baja. Esto quiere decir que un esmalte puede ser resistente al cuarteo sobre una pieza que contenga clino-enstatita, pero cuartea si esa misma pieza es cocida más alta y forma cordierita.

Sería erróneo el suponer que el cocer la pieza a una temperatura más alta generalmente crea tendencias al cuarteo. Si la tendencia es grande, se toma un esmalte con una baja expansión térmica; si el cuarteo rara­mente o nunca ocurre, es fácil determinar las condicio­nes más seguras, cociendo los productos a diferentes temperaturas. Si no tienen un horno para ensayos dis­ponibles, el suministrador de arcilla o esmalte haría la prueba.

Uno de los factores más importantes para un per­fecto acoplo del esmalte es la formación de una capa de interfase en el vidriado. Las partículas de esmalte primero reaccionan juntas, consiguientemente con el bizcocho. Debido a estas reacciones se forma una capa intermedia, en la que se encuentran componentes del bizcocho y del esmalte. Las propiedades de la capa son a menudo una mezcla de las del bizcocho y las del esmalte, es por lo que actúa como una especie de '^amortiguador". Cuanto más gruesa sea la capa, y cuanto más delgada sea la capa de esmalte, ésta será mucho más efectiva.

La capa intermedia también proporciona una buena adherencia, que contrarresta las tendencias a descon­charse. De ningún modo todos los desconchados son la consecuencia de una diferencia demasiado grande de expansión térmica. Casi todos los bizcochos cerámi­cos tienen una expansión por humedad, así que si for­mando una capa intermedia se puede mejorar la adhe­rencia de una forma tan eficaz que el esmalte no se desconcha inmediatamente después del vidriado, pro­bablemente ya no se desconchará después, porque la compresión decrece gradualmente como resultado de la expansión de humedad.

Los objetos esmaltados en la condición de crudo ge­neralmente forman buenas capas interfaciales, y por lo tanto, raramente muestran estos defectos. Hay dos ra­zones para ello, los esmaltes reaccionan más fuerte­mente con las materias primas que con la pieza cocida, y en una monococción se aplica más temperatura (más tiempo y temperatura más alta) que en el vidriado nor­mal. Para zafarse del "desconchado" no siempre es ne­cesario escoger un esmalte que tenga una expansión térmica más alta, uno puede también vidriar a una temperatura más alta, o utilizar un esmalte más agre­sivo (cáustico), estos dos caminos llevan a una mejor capa intermedia. Un esmalte con tendencia a "descon­charse" está muy cercano a ser el ideal : cambiarlo por un esmalte con una expansión térmica más alta es un peldaño que puede llevarnos más cerca del cuarteo.

8. OTRAS CAUSAS DE LOS «DESCONCHADOS»

Una capa de esmalte demasiado delgada puede ad­herirse menos que una más gruesa, pero la primera causará menos cuarteo o desconchados. Por esta razón, la densidad del esmalte necesita control, aparte de las razones económicas.

Si una masa contiene sales solubles, éstas permane­cen en solución tanto tiempo como la masa permanez­ca húmeda. Durante el secado, el agua se transporta hacia las superficies del objeto, en donde se evapora. Las sales se cristalizan, especialmente en los bordes, en donde la evaporación es más fuerte. Las sales a menudo impiden una buena adherencia, es por lo que a veces puede ocurrir los defectos de "recogido" o "escamado", durante el secado.

A menudo estas sales son sulfatos y son un poco refractarias. A temperaturas relativamente altas se des­componen y entonces estropean el esmalte. Cocidas rá­pidamente o a temperaturas moderadas evitan que el esmalte reaccione con la pieza, disminuyendo su adhe­rencia. Los "desconchados" también pueden ser cau­sados por excesivo mojado de objetos secos, especial­mente cuando se le da demasiado agua, porque muchas partículas finas de arcilla se desprenden. La superficie del producto se hace más rica en cuarzo, con ello la

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EL CUARTEO Y EL DESCONCHADO DEL ESMALTE

expansión térmica aumenta localmente. Los esmaltes se pelan sobre todo por los bordes de tazas y platos, por los cuellos y por las manecillas; en resumen, en esos lugares en donde el mojado es más severo.

Debería mencionarse el hecho de que la compresión en un esmalte rápidamente enfriado es siempre más alta que cuando el enfriado es lento.

9. MÉTODOS PARA DETERMINAR LAS FUERZAS DE TENSION

Los suministradores de esmalte disponen de labora­torios y amplios aparatos para medir las fuerzas de tensión, y naturalmente están contentos de poderlos utilizar al servicio de sus clientes. Sin el uso de apara­tos caros, sin embargo, también es posible determinar el tipo de fuerzas de tensión que existen y deducir de los resultados lo que se debe hacer para obtener un producto perfecto.

El mejor método es el Schurecht. Se hacen unos ani­llos de pasta normal de la pieza de unos 5 cm de diá­metro y de un espesor de 5 a 10 mm. Los anillos se esmaltan por la parte externa, y luego se hornean. Se hacen 2 marcas que tengan 6 mm de separación. Se corta cuidadosamente la pieza entre estas dos marcas y finalmente se mide la distancia entre los dos extre­mos.

Si el esmalte está en tensión, la distancia se habrá hecho más pequeña que las medidas originalmente en­tre las dos marcas. Si la abertura se ha hecho más an­cha, el esmalte está en compresión.

El grado en que la distancia se desvía de la original es una medida de la magnitud de las fuerzas. Midien­do los anillos en tiempos estabilizados luego, se puede establecer también el aumento o disminución de las fuerzas; por ejemplo, debido a la expansión por hu­medad.

Un ensayo muy simple ha sido descrito por Hind, la prueba del impacto. Se sitúa sobre la superficie de un esmalte un punzón y se golpea ligeramente con un pequeño martillo. Si el esmalte está bajo tensión, apa­recerán varios cuarteos originados en el centro. La compresión nos lleva a un cuarteo alrededor del cen­tro, e incluso puede salirse de la capa una pieza de esmalte en forma de cono.

Un método muy conocido y utilizado es el Harkort-test. Se precisa de una pequeña estufa que fácilmente pueda subirse a 200° C. Primeramente se calientan las piezas a 100° C, y luego rápidamente se echan dentro del agua a temperatura ambiente. A continuación se examina la superficie a fin de ver si ha ocurrido cuar­teo, y si están sin este defecto se vuelve a repetir la prueba a 110° C. Si después de sucesivos aumentos de 10° C cada uno hasta llegar a 200° C no ha habido cuarteo, generalmente se da por sentado que este es­malte es de una calidad permanente.

En cada cocción se debe tener mucho cuidado de

que se alcance la temperatura adecuada en todas las piezas de ensayo. La temperatura se mide con un ter­mómetro, el cual está apoyado sobre una de las piezas.

Añadiendo tinta o cualquier otra materia colorante al agua de enfriado se harán visibles los cuarteos, que de otra forma se hubiesen escapado a la vista. No uti­lizar agua limpia y frotar con tinta sobre las superfi­cies esmaltadas más tarde, porque entonces la pieza estará saturada de agua y no tragará la tinta suficien­temente.

Referente a la calidad permanente de "resistencia al cuarteo" mencionado anteriormente, queremos ha­cer la advertencia de que se realizase esto con toda reserva. El tratamiento de la pieza por Harkort-test puede acelerar la expansión por humedad, pero esto realmente no se cumple. Los tiestos cerámicos que tienen una alta expansión por humedad preferentemen­te se ensayan en autoclave, pero incluso los datos de­rivados de este aparato son solamente interesantes in­dicaciones no absolutamente ciertas.

No todos los cuarteos son debidos a tensiones entre la pieza y el esmalte. En el moldeo o fundición las fuerzas pueden estar presente en el producto recién hecho. Éstas pueden estar causadas por insuficiente homogeneidad de la masa, por irregularidades de las paredes de la arcilla, por la forma del artículo, por un defecto de la pieza, por deformación de haberse pega­do al molde, etc.

Algunas de estas fuerzas de tensión ni siquiera apa­recen por los procesos de secado y de cocción.

Por eso sería equívoco el basar una opinión sobre el ensayo de una sola pieza o en el incidente de un solo esmalte.

Una segunda observación concierne la mayor y co­mún disposición para la identificación de "el cuarteo" de un esmalte inmediatamente con las fuerzas de ten­sión. Debemos saber el hecho de que un esmalte que se desconcha, primero empieza a cuartearse. Luego el esmalte puede saltar en escamas, pero si la adherencia es excelente el esmalte se dobla un poco hacia arriba a lo largo de las grietas. Como esto causa una debili­tación en la tensión, puede ser que el esmalte no se pele, no especialmente si la humedad de la expansión tiene pronto lugar.

Cuando se estudia el defecto minuciosamente, si es necesario bajo un microscopio, se pueden percibir los cantos sobresalientes a lo largo de las grietas. Si ese hecho es pasado por alto, existe el peligro de que se busque una solución que todavía lo empeore más.

El suministrador de esmalte puede estar en posición de asistirle. En ese caso, a menos de que se esté uti­lizando una masa estándar bien conocida, es necesa­rio enviarle algunos bizcochos e informarle sobre las condiciones de cochura.

Tales bizcochos deberán haber sido cocidos en las condiciones normales y deberán ser planos, a fin de poderlos cortar en tiras de 50 mm de largo y 6 mm de espesor.

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