Transformaciones térmicas

Se entiende por cocción de productos cerámicos, el calentamiento de las piezas  de acuerdo con un plan preestablecido, seguido de un enfriamiento según un plan igualmente bien definido. Este plan de calentamiento y enfriamiento es lo que se conoce como ciclo de cocción. El ciclo de cocción es, por tanto, un programa que relaciona tiempo, temperatura y atmósfera del horno. Su desarrollo depende de las reacciones químicas y las transformaciones físicas que tengan lugar en los productos, es decir de la acción del calor en los materiales.

Dependiendo del proceso cerámico que estemos siguiendo, puede ser que metamos una pieza con pasta cerámica, engobe, óxidos colorantes y vidriado una sola vez en el horno y todo se transforme en una sola cocción (monococción). En este tipo de proceso todas las reacciones y transformaciones del soporte y del vidriado tienen lugar conjuntamente.

Sin embargo, lo habitual es hacer una primera cocción (primer fuego) solo con la pasta cerámica y el engobe (y quizás alguna decoración realizada con óxidos/pigmentos) y una segunda cocción (segundo fuego) en la que se horneará el vidriado aplicado sobre la pasta y engobe ya cocidos. Cuando elegimos esta opción, llamada bicocción, en el primer fuego no se llega a la temperatura de maduración de la pasta cerámica sino que se realiza una cocción a menor temperatura que llamamos temperatura de bizcocho. La razón es que a esa temperatura de bizcocho obtenemos una cerámica que todavía es porosa sobre la que será más fácil añadir un vidriado que cuando se fusione quede bien integrado con la pasta. Durante el bizcochado, la temperatura hace que el soporte sufra la mayoría de las desgasificaciones y adquiera una porosidad y una resistencia mecánica que facilite la operación de esmaltado.

En algunos casos se aplica decoración de óxidos y pigmentos sobre el vidriado ya cocido y se procede a lo sería una tercera cocción (tercer fuego) con el objetivo de fijar sobre el vidriado las decoraciones. Este tercer fuego suele realizarse a una temperatura bastante baja, la que sea necesaria para que los pigmentos y los lustres aplicados se fijen sobre la superficie del vidriado, ya que los materiales especiales que se emplean en esta decoración, como metales preciosos, algunos pigmentos inestables a elevadas temperaturas, granos de vidrio, etc. no pueden soportar las temperaturas más elevadas de cocción de pastas cerámicas.

Por tanto en los procesos térmicos se manejan tres temperaturas:

  • Temperatura de bizcochado: siempre es más o menos la misma para todas las pastas cerámicas y está alrededor de los 1000ºC
  • Temperatura de maduración: es distinta para cada pasta cerámica y depende de la composición de las pastas. Una arcilla roja común, por ejemplo, de alto contenido en hierro y otras impurezas minerales tiene una temperatura de maduración entre 1050 y 1100º (y puede llegar a fundir aproximadamente a 1250º). Una pasta de caolín puro puede ser aún bastante porosa después de haber sido cocida a 1250º (y puede no fundirse hasta haber alcanzado temperaturas por encima de los 1800º).
  • Temperatura de fusión: Nunca la vamos a alcanzar con pastas cerámicas o engobes, pero la temperatura de fusión es la que debemos alcanzar con los vidriados. Cada vidriado tendrá una temperatura de fusión distinta en función de su composición.

En cualquier caso, es importante saber que en el horno, debido al calor se producen una serie de transformaciones según aumenta la temperatura. Durante la cocción cerámica casi la totalidad de las materias primas involucradas se oxidan, es decir se descomponen en combinaciones de óxidos y en gases (que se eliminan por la chimenea del horno) por lo cual suele considerarse la cerámica cocida, tanto el cuerpo como la cubierta, como una combinación de diversos óxidos.

Cuando se calientan los materiales cerámicos hasta la temperatura de cocción, siguiendo el ciclo de cocción preestablecido van experimentando diferentes cambios graduales que en su mayoría son irreversibles. Estos cambios pueden ser de dos tipos:

Cambios físicos

Un cambio físico es una transformación que afecta a las propiedades físicas del material sin alterar su composición química.

Cambios alotrópicos. Son cambios que implican variaciones estructurales. Estas variaciones pueden ocurrir sin rotura o con rotura de enlaces y se denominan reacciones de inversión o de conversión, respectivamente. Estas variaciones estructurales implican cambios dimensionales. Por ejemplo, la transformación alotrópica del cuarzo ∝ en cuarzo β que ocurre de manera reversible a 573 ºC. 

Sinterización. Es el proceso mediante el cual un sistema de partículas individuales o un cuerpo poroso modifican algunas propiedades evolucionando hacia un estado de máxima compactación.

Cambios de estado. Durante la cocción se produce la fusión de algunos componentes (cambio de estado de sólido a líquido) o la evaporación de líquidos (cambio de estado de líquido a gas). 

Cambios dimensionales. Durante el calentamiento tiene lugar inicialmente una dilatación debida al calor, posteriormente los materiales contraen por efecto de las pérdidas de masa, la fusión de componentes y la sinterización y durante el enfriamiento tiene lugar una nueva disminución de dimensiones debido a la disminución de temperatura del material. 

Cambios químicos

Un cambio químico es una transformación que altera la composición del material. 

Oxidación de la materia orgánica. La materia orgánica se presenta en las materias primas arcillosas principalmente como lignitos y ácidos húmicos. Durante la cocción de piezas cerámicas obtenidas a partir de materias primas que contienen cantidades apreciables de materia orgánica pueden presentarse problemas asociados a la presencia de “corazón negro”. 

Descomposición de compuestos que contienen oxígeno. Se encuentran en este grupo de reacciones las descomposiciones de carbonatos, sulfatos, hidróxidos, etc. Estas reacciones generan gases (CO2, H2O, SO3) que pueden provocar defectos en la capa de vidriado como pinchados, burbujas o cráteres. 

Deshidroxilación de mineral arcilloso. Consiste en la descomposición de los cristales de mineral con pérdida de los grupos OH- , presentes en la estructura. Suele denominarse también como “pérdida de agua química” y en el caso de la caolinita supone una importante destrucción del retículo cristalino para dar lugar a una estructura más desordenada. 

Cristalización. Pueden ocurrir cambios estructurales que suponen la formación de cristales a partir de estructuras amorfas o parcialmente desordenadas, como las cristalizaciones obtenidas a partir de núcleos de cristalización durante el enfriamiento o las cristalizaciones con obtención de mullita y otras especies en la caolinita y en la illita, ocurridas después de la deshidroxilación. 

Aunque los distintos cambios físicos y químicos se pueden solapar, para entender mejor estos procesos térmicos los podemos ver por separado:

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