Fusión progresiva y vitrificación

Con el aumento de temperatura aumenta la cantidad de líquido fundido y al mismo tiempo disminuye la viscosidad, lo que produce un gradual reblandecimiento del conjunto. La fase líquida se infiltra en las cavidades y se disuelven los gránulos sólidos pasando a estado líquido. 

La vitrificación comienza con la aparición de fase líquida en la pasta cerámica o en el vidriado (solapándose con la sinterización) y termina cuando el sólido cerámico enfriado tiene porosidad cero. 

Las pastas cerámicas tienen un proceso de fusión progresivo, de forma que durante un amplio rango de temperaturas tienen una fase líquida y una o varias fases sólidas. En este amplio rango de temperaturas los formadores de vidrio (Silicio y Boro), tras romper su estructura cristalina comienzan a formar una red desordenada vítrea, integran progresivamente al resto de componentes cerámicos (fundentes) rellenando los huecos que dejan otros materiales más refractarios todavía sin fundir, compactando el cuerpo cerámico. 

Los componentes de una pasta que alcanzan más temprano la fusión son los fundentes alcalinos y el óxido de hierro entre 700 y 800 ºC. Entre 800º y 1000º empiezan a fundir CaO y Fe2O3. Entre 1060º y 1100º se inicia la fusión de los feldespatos.

En los vidriados, el primero en iniciar la fusión es el boro (comienza a transformarse a 300º) y le siguen los alcalinos, el plomo y el hierro.

La porosidad que se obtiene cuando solidifica la pasta es indicativa de su grado de vitrificación. La porosidad depende de la temperatura de cocción, de la presión ejercida en la conformación y de la granulometría de la mezcla.

Hay algunas pastas cerámicas que nunca llegan a porosidad cero, ni siquiera llegando a su fusión completa se obtienen sólidos sin poros,  y por tanto nunca se vitrifican por completo. Otras pastas pueden llegar a porosidad cero pero sufriendo deformaciones. Y también tenemos pastas capaces de llegar a porosidad cero (vitrificación completa) sin que sufran deformaciones. 

La deformación de las pastas debida al calor se denomina piroplasticidad. La fase líquida formada, a medida que se hace más abundante, hace que la pasta deje de comportarse como un sólido rígido y por efecto de la gravedad se producen deformaciones, especialmente si el objeto tiene su masa distribuida irregularmente.

Si se emplean materias primas de tamaños de partícula muy pequeños, aumenta el número de puntos de contacto y se alcanza una menor porosidad con menos temperatura y una mayor viscosidad. Es decir, las pastas con partículas más pequeñas se deforman menos aunque se contraen más.

Decimos que una pasta está vitrificada cuando todavía no se ha deformado pero su porosidad es cero y su volumen es el mínimo (contracción y densidad máximas)

Los vidriados siempre están vitrificados y tienen porosidad cero, y para alcanzar ese estado se alcanza la fusión total, y por tanto la deformación absoluta.

La temperatura de maduración es distinta para cada pasta y es aquella temperatura en la que la pasta alcanza la mínima porosidad y la máxima contracción (densidad y dureza) sin que se haya producido deformación.

Las pastas cerámicas se clasifican en porosas y compactas (vitrificadas), según los resultados que obtenemos a su temperatura de maduración.

En las porcelanas, la temperatura de maduración se alcanza cuando están vitrificadas (porosidad cero y resistencia máxima). En las pastas para gres la temperatura de maduración se produce sin llegar a la vitrificación, pero casi (es la llamada gresificación, con porosidad de 1,5%). Un cuerpo de terracota es maduro a los 1150ºC, donde tiene 3-5% de porosidad (no hay vitrificación porque se deformaría más allá de esta temperatura, pero es el valor más pequeño de porosidad que se puede obtener).

TiposAbsorción (Porosidad)Temperatura de cocción
Porcelana0%>1200ºC
Gres cerámico0,5%-3%1050º-1200ºC (gresificación)
Semi-gres3%-6%1050º-1200ºC (gresificación)
Loza porosa>6%800º-1050ºC (sinterización)

En las porcelanas, cuanto más subimos la temperatura de cocción más aumenta su densidad y su contracción. La curva de porosidad se aplana hasta casi ser horizontal según nos aproximamos a porosidad 0%. Dependiendo de la fórmula de la porcelana, si seguimos aumentando la temperatura, la porosidad 0% se mantiene varios “conos” mientras la pasta se va ablandando y deformando antes de llegar a la fusión. A medida que se produce la fusión se desarrollan burbujas por la descomposición de los materiales, y se producirá un aumento de volumen. En una porcelana translúcida, el cuerpo se cuece hasta más allá de donde la curva de porosidad llega a 0%, pero no muy lejos para evitar deformaciones o que el resultado sea quebradizo. 

Con un gres, la situación es diferente, por lo general no se pueden hornear a porosidad cero sin que se produzcan hinchazones, y más o menos la porosidad mínima alcanzable es del 1%. Además, la curva que representa la porosidad a medida que aumentan las temperaturas permanece en el mínimo durante un período mucho más corto y se eleva abruptamente con el aumento de temperatura más allá de la vitrificación completa. Por tanto, el gres debe cocerse hasta un punto antes de que la curva de porosidad alcance el mínimo.

Las pastas de baja temperatura tienen una curva de vitrificación aún más volátil, tan volátil que la cocción normalmente se lleva a cabo hasta un punto todavía lejos del punto de mínima porosidad.

El proceso de vitrificación es distinto dependiendo del silicato que sea la base de una pasta. En general tendremos pastas cuya base mayoritaria sea caolinítica (loza, gres y porcelana), o sea illítica (pastas rojas y terracota).

En los caolines, entre 980º y 1040º se produce una reacción exotérmica de cristalización y el metacaolín forma una serie de compuestos minerales que son: 

  • entre 30% y 40% de Espinela (3Al2O3·2SiO2)
  • 5% de Mullita (3Al2O3· SiO2)
  • entre 30% y 40% de Aluminosilicato amorfo (xAl2O3· ySiO2)
  • entre 5% y 35% de Sílice libre (SiO2) 

A partir de la espinela se forma, entre 1150 y 1250 ºC, mullita primaria de cristales escamosos grandes que no benefician la resistencia mecánica del producto cerámico. A temperaturas superiores a los 1250 ºC se forma mullita secundaria a partir del aluminosilicato amorfo, con cristales aciculares que refuerzan la resistencia mecánica del material cerámico. 

En las Illitas, a partir de 900 ºC se inicia la formación de fases de alta temperatura, con la formación de espinela, que a partir de 1100 ºC puede incorporar hierro para formar hematita. La cantidad y el tamaño de partícula de esta espinela aumentan hasta temperaturas próximas a 1150 ºC. A la temperatura de 950 ºC hay tres fases cristalinas presentes: 

  • Corindón (Al2O3)
  • Hematita (Fe2O3)
  • Espinela (MgO.FeO.Fe2O3.Al2O3) 

A 1050 ºC se presentan las primeras trazas de fusión de las illitas, y la cantidad de líquido formado se incrementa progresivamente.

Si seguimos aumentando la temperatura desaparecerán todas las fases cristalinas sobre los 1450 ºC (fusión total). Desde que comienza la fusión, las tres fases cristalinas iniciales se disuelven en el fundido y reaccionan con la sílice para formar mullita (3Al2O3·SiO2), que, como ocurría con la caolinita, es la fase que se obtiene al final del proceso de cocción. La cantidad de mullita va incrementándose hasta alcanzar los 1200 ºC, momento en el que comienza a disolverse en el líquido. Por su parte, el hierro tiende a incorporarse a la fase fundida y a reaccionar con incorporación en la espinela, siendo casi completa su incorporación a unos 1250º – 1300ºC. 

Así pues, cuando se emplean arcillas caoliníticas en la fabricación de productos cerámicos, el resultado final implica la presencia de mullita. La mullita es dura, y aporta a la composición resistencia química y mecánica. Sin embargo, en las arcillas rojas basadas en Illitas el comienzo de la fusión alrededor de los 1050 ºC y la aparición de mullita explican por qué muchos productos cerámicos fabricados a partir de arcillas ilíticas se cuecen entre 1050 ºC y 1130ºC.

Entre 1100 – 1288°C se produce la formación de cristobalita. Con tiempo suficiente (tres o cuatro horas) por encima de 1150°C, la sílice libre que haya en el cuerpo cerámico se transforma en cristobalita, que es otra forma cristalina de la sílice con unas características de dilatación-contracción elevadas. El efecto de la formación de cristobalita es acumulativo. Si no interesa que se forme cristobalita, por ejemplo, porque es perjudicial para piezas que se van a usar al fuego, la pasta debe tener una porción alta de fundentes que vitrifiquen la sílice libre, o bien evitar largas cocciones a temperaturas elevadas. La cristobalita formada en el proceso se encoge un 3% durante el enfriamiento y esta propiedad es muy útil cuando utilizamos determinados vidriados (por ejemplo los vidriados con mucho sodio) que tienen mucha dilatación térmica ya que ese encogimiento hace que el vidriado no se rompa y se craquele ya que la pasta cerámica disminuye su volumen. En estos casos conviene mantener en el tiempo la temperatura del horno, o si queremos ahorrar tiempo y energía podemos añadir cristobalita en lugar de cuarzo a la hora de preparar nuestra pasta cerámica.

Temperatura de maduración de pastas

Las Pastas de Baja Temperatura están concebidas para alcanzar su temperatura de maduración entre 980ºC y 1080º-1100ºC. Las pastas más conocidas dentro de este rango de cocción son las rojas ferruginosas  y las terracotas. También hay ciertas pastas blancas de baja temperatura y las pastas negras de manganeso, de cocción más baja que el resto.

En general las pastas de baja temperatura no son refractarias, aunque podemos encontrar las pastas de cordierita que son muy refractarias y tienen una alta resistencia al choque térmico pero su temperatura de cocción es baja. Esta pasta es ideal para confeccionar cazuelas para vitrocerámica, piezas para hornos, etc..

Las pastas de temperatura media  están diseñadas para alcanzar su temperatura de maduración entre 1100ºC y 1220ºC. Se las conoce como lozas. Su composición es la misma que las pastas de alta temperatura ya que llevan caolín, cuarzo y feldespato, pero además se les añade arcilla de bola para hacerlas más plásticas y carbonato cálcico como fundente. Son de color blanco, textura porosa, duras y sonoras.

Las pastas de alta temperatura tienen una temperatura de maduración entre 1220º y 1350ºC. Dividimos estas arcillas en tres grandes familias que son gres, porcelana y refractarias.

Puede haber pastas refractarias de baja temperatura (como la pasta de cordierita) pero lo más habitual es que las pastas refractarias sean de alta temperatura, por lo que es muy común clasificar estas pastas como un grupo dentro de las pastas de alta temperatura.

Las arcillas y pastas de alta temperatura son más resistentes en piezas cuya ubicación vaya a ser en exteriores donde puedan sufrir heladas o cambios bruscos de temperatura. Además, las pastas de alta temperatura son más resistentes a choque mecánico y por ello suelen ser las más elegidas para la elaboración de vajillas y elementos culinarios.

Porosidad o grado de vitrificación de las pastas

Las pastas sin vitrificar son las que tienen poros aunque alcancen su temperatura de maduración. Se encuentran en este grupo las pastas de baja temperatura como son las pastas de alfarería y las terracotas, las lozas de media temperatura y también todas las pastas refractarias (de alta o baja temperatura).

Los refractarios tienen muchos poros y el aire contenido en ellos es uno de los motivos de su refractariedad. Las pastas porosas son fáciles de esmaltar ya que el vidriado penetra a través de los poros y realiza una interfase fuerte. Las pastas vitrificadas, sin poros, hacen que el vidriado sea más difícil por carecer de adherencia.

Las pastas parcialmente vitrificadas son las pastas de gres. Estas pastas tienen una porosidad muy baja (entre el 0,5% y el 3%) cuando alcanzan su temperatura de maduración que también se llama en este caso temperatura de gresificación.

Las pastas vitrificadas son las porcelanas. Tienen un rango de temperatura de maduración suficientemente amplio como para que se produzca una cantidad tan elevada de sustancia líquida durante la cocción que cierra totalmente los poros como en un vidrio, sin que se produzca deformación. 

Las pastas para uso alimentario son aquellas que carecen de poros. Una pasta porosa también puede emplearse pero será necesario cubrir con vidriado para esta función alimentaria. El gres y la porcelana pueden utilizarse para usos alimentarios aunque no estén vidriados.

2 comentarios sobre “Fusión progresiva y vitrificación

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