¿Por qué son tan largos los tiempos de cocción de las piezas cerámicas en el horno? (parte 1)

 14 de marzo 2025, TIERRA Sellada

Hola amig@s se han preguntado ustedes ¿por qué son tan largos los tiempos de cocción de las piezas cerámicas en el horno? Pues bien existen varios procesos y transformaciones por los que pasan los cuerpos cerámicos en el horno y que justifican esas interminables horas

El cuerpo cerámico (pasta cerámica) y el recubrimiento (esmalte o vidriado cerámico) pasan por procesos ligeramente parecidos en el horno. Por lo que, en este post revisaremos los cambios en el cuerpo cerámico en una primera etapa y el siguiente post veremos sobre la segunda etapa y cambios en el recubrimiento.

Los factores determinantes en el proceso de cocción son: la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Cuando una pieza cerámica es sometida a elevadas temperaturas ocurren una serie de fenómenos tanto físicos <dilatación térmica, transformaciones alotrópicas, producción de microgrietas, densificación> como químicos <transformación de silicatos, transformación de impurezas, creación de porosidad>. Por lo tanto, a continuación, veros los distintos fenómenos asociados a la temperatura en que se producen. Para visualizarlo más fácilmente hemos elaborado un gráfico de una curva ideal donde colocamos estos procesos.

El cuerpo cerámico (pasta cerámica) y el recubrimiento (esmalte o vidriado cerámico) pasan por procesos ligeramente parecidos en el horno. Por lo que, en este post revisaremos los cambios en el cuerpo cerámico en una primera etapa y el siguiente post veremos sobre la segunda etapa y cambios en el recubrimiento.

Pérdida de agua física y coloidal

En esta primera etapa se produce la evaporación del agua física que comienza antes de los 100°C y va hasta los 120°C según vari@s autor@s. Aunque se puede pensar que las piezas estén completamente secas antes de entrar al horno, estas suelen contener agua en su interior debido a los poros cerrados y al agua que se encuentra en la superficie de la arcilla. Para eliminar esta agua se recomienda la subida en 1 hora para piezas que están completamente secas y de paredes finas <todo dependerá del tamaño de la pieza, que tan seca esté, el grosor de sus paredes, su pasta, el clima>.

Hasta ahí hemos eliminado el agua física, ahora procederemos con la coloidal, que está asociada a las partículas de la arcilla a nivel molecular. Este tipo de agua es la responsable de la plasticidad y la cohesión de la arcilla en húmedo y debe ser removida más lentamente. Por lo general se la elimina entre los 100 y 400°C, creando grandes cantidades de vapor que pueden crear explosiones en la pieza cerámica, por ello es preciso que esta salga lentamente. De ahí que, en esta etapa la temperatura debe elevarse lentamente, se recomienda entre 2 horas como mínimo y dependiendo de los parámetros antes mencionados se puede llegar a hacerla incluso durante 1 día.

Aunque es cierto que las burbujas por sí sola no ocasionan explosiones, no es menos cierto que si tenemos sospechas de burbujas debemos realizar una cocción súper lenta, para que el vapor que se acumula en estas no cause una explosión. Hace algunos años tuve la oportunidad de conocer a un compañero ceramista que hacía piezas de gran formato. Él no le ponía mayor a las famosas burbujas. Sin embargo, sus tiempos de cocción eran de 3-4 días, y por ello jamás explotaban sus piezas

Otro aspecto que me gustaría mencionar en cuanto a este tema es que, el tipo de pasta cerámica también influye en el secado, pues mientras más porosa sea la pasta menos tiempo tardará en secarse.

Transformación de cristobalita Alpha en Betha

De 200 a 225 °C la cristobalita Alpha se transforma en betha, es decir la arcilla se expande en un 3%. Aunque en esta fase la subida de temperatura no es tan importante, sí que lo es en el momento de enfriamiento que lo veremos más adelante sobre todo en pastas con alto contenido de sílice.

Combustión de materia orgánica

De 200 a 500°C se produce la combustión de materia orgánica presente en la pieza cerámica, incrementando así su porosidad. Cuando la pasta utilizada en la pieza cerámica tiene un alto contenido de materia orgánica (raíces, hojas, aserrín, papel, etc.) y esta no es quemada adecuadamente se produce un fenómeno conocido como corazón negro, el cual consiste en una mancha de color negro en el interior de la pieza causado por: quemas demasiado rápidas < los poros se sellan demasiado rápido y queda un carbono residual, el cual una vez sellada la pieza ya a 900 °C este queda atrapado>; insuficiencia de oxígeno dentro del horno <atmósfera reductora>; paredes de la pieza demasiado gruesas <dificulta la salida de gases y se acumula el carbono en el interior>; temperatura insuficiente.

El corazón negro puede afectar a la pieza haciéndola frágil o con la aparición de ampollas en el esmalte, ya que los gases atrapados pueden salir y crear burbujas o cambios de color en el esmalte. Para evitar este tipo de fallas se recomienda en caso de tener pastas con un alto contenido de materia orgánica quemarlas lentamente <subir de 50 a 100°C por hora> y en una atmósfera con abundante oxígeno.

Transformación de caolín en metacaolín

De 450 a 600°C se produce la transformación del caolín en meta caolín. El metacaolín resulta importante ya que a partir de los 950°C éste reacciona con otros componentes de la pasta como el feldespato y forma mullita. La mullita es un mineral que aporta a la pieza cerámica resistencia mecánica, resistencia al choque térmico, y translucidez en la porcelana, aunque la mullita se comienza formar alrededor de los 1000°C, es necesario hornearla sobre los 1149°C para tener una cantidad adecuada que incremente la resistencia mecánica de la pieza cerámica. Por otro lado, la sílice liberada durante la descomposición del metacaolin también contribuye en la formación de la fase vítrea al unirse a otros componentes de la pasta, la cual se introduce en los poros de la pieza cerámica, impermeabilizándola

No se debe confundir la mullita con la fase vítrea, ya que la primera es un material cristalino, mientras que la segunda es una matriz amorfa, que sirve como peguita para unir cristales de mullita con otros componentes.

Pérdida del agua química

De 450 a 650 °C. Esta etapa es crucial en el proceso de la cerámica, ya que una vez producida no hay retorno, y la magia de la cerámica de transformarse en un material duradero comienza aquí. A esta temperatura se producen una gran cantidad de vapores que deben ser evacuados del horno debido a la eliminación del agua de constitución o química. Se dice química porque esta agua está unida químicamente a los minerales arcillosos, no se trata de agua libre sino grupos de hidroxilos que se desprenden como vapor. Ejemplo:

caolinita Al2Si2O5 (OH)4 + calor —–> Al2Si2O7 (metacaolín)+ 2H2O↑  

La pérdida de agua química es un paso previo para la posterior sinterización y vitrificación. Desde luego esta pérdida de agua produce cambios en el volumen, lo que produce una contracción adicional y una porosidad temporal. Como ya habíamos visto en la evaporación del agua física, esta también puede producir explosiones y grietas. De ahí que la cocción en esta etapa también se la hará lentamente y se procurará oxigenar correctamente el horno para que el vapor no se acumule y se recondense en zonas frías.

Transformación del quarzo alpha en beta

573°C, a esta temperatura se origina el fenómeno llamado inversión del cuarzo. Que es cuando el cuarzo cambia estructuralmente de alpha a beta, este cambio produce una expansión que va desde el 0,8 al 1%. Al igual que todas las fases se debe tener especial cuidado en la subida rápida de temperatura ya que esto podría generar tensiones internas, lo que origina microgrietas y fracturas visibles. En piezas utilitarias que se usen en hornos o microondas, podrían verse afectadas su estructura si estas no están bien vitrificadas. Entre las recomendaciones de algun@s autor@s tenemos: calentamiento lento entre 500 y 600°C; así como un enfriamiento lento entre estas mismas temperaturas; limitar el exceso de cuarzo en la dosificación de pastas, es decir en arcillas con mucha sílice añadir fundentes como feldespato para que reduzca la proporción de cuarzo libre; usar chamota (arcilla precocida) para reducir la expansión; evitar piezas muy gruesas y de ser necesario agujerarlas para evitar tensiones.

Descomposición de carbonatos y sulfuros

700-900 °C, en este rango de temperatura se debe procurar una lenta subida de temperatura, así como una excelente atmósfera de oxidación para la evacuación del dióxido de carbono y el dióxido de sulfuro que se producen especialmente por la reacción de carbonatos como el de calcio o magnesio, que son los más comunes en las arcillas o aditivos. Sin embargo, previa a esta etapa algun@s autor@s recomiendan un tiempo de estabilización.

Como ejemplo tenemos:

CaCO3 600-900°C ——–>CaO+CO2↑

La incorrecta descomposición de los carbonatos por una cocción rápida o paredes gruesas puede afectar a la pieza cerámica de dos maneras: con la formación de ampollas o porosidad interna debido a que el CO2 no logra salir correctamente; y el lime popping (este por lo general es cuando la pasta contiene trazas de cal), consiste en la absorción de la humedad ambiental por parte de la cal después de la cocción, haciendo que esta se expanda y provoque grietas o desprendimiento de esmaltes. Para mitigar esta situación, algun@s autor@s recomiendan purificar la arcilla, cocciones lentas o añadir sílice para convertir la CaO en silicatos estables.

En cuanto a la descomposición de los sulfatos, los más relevantes son el sulfato de calcio y el sulfato de hierro, que se inician a los 900°C y se terminan a los 1200°C. El resultado de esta descomposición es el trióxido de azufre, que puede combinarse con agua para formar ácido sulfúrico. La incorrecta quema en esta temperatura puede producir como ya habíamos mencionado antes el corazón negro; y la aparición de eflorescencias que son el resultado de la migración de sulfatos residuales que han migrado a la superficie y forman costras; aparecimiento de grietas por el trióxido de azufre atrapado. Para mitigar este problema se puede usar carbonato de bario, mantener atmosfera oxidante durante la cocción y lavado de arcillas, para remover los sulfatos presentes.

Bueno amig@s hasta aquí el día de hoy, en el próximo post continuaremos con las siguientes temperaturas donde se dan los fenómenos de sinterización y vitrificación. Además, los cambios que se produce en el esmalte

Bibliografía

- Britt John, the complete guide to high fire glazes

- Grupo de trabajo 411. Análisis y descripción gráfica del funcionamiento de los hornos cerámicos

- Deepseek

- Xavier Castells. Generalidades sobre la cocción