Dureté
Échelle de dureté des céramiques et de la porcelaine
Pour définir la « dureté » des matériaux céramiques (en l'occurrence la vaisselle en porcelaine et autres matériaux), une introduction à la chimie et à la science des matériaux est nécessaire. La « dureté » désigne la résistance mécanique d'un matériau à la pénétration d'un autre et fournit des informations sur sa qualité et sa résistance. La dureté est également considérée comme une mesure de l'usure et de la fatigue d'un matériau. La dureté et ses essais sont au cœur de la science des matériaux et de la physique de l'état solide. La dureté est mesurée en termes de résistance à la rupture et constitue donc clairement l'une des propriétés des matériaux.
Le test de dureté des substances minérales peut être déterminé par différentes méthodes. Nous vous présenterons les techniques de traitement reconnues en science des matériaux.
| Méthode d'essai de dureté | Type de dureté | Échantillon d'essai | Paramètres de mesure |
| Mohs | Dureté à la rayure | Échelle de 10 minéraux standard | Blessure par égratignure |
| Rosival | Dureté du broyage | Matière abrasive | Perte par broyage jusqu'à ce que l'abrasif soit inefficace |
| - | Dureté de perçage | Foreuse au diamant | Profondeur/temps de pénétration |
| Brinell | Dureté de l'indentation | Boule en acier ou en carbure | Force d'essai / indentation - surface |
| Rockwell B | Dureté de l'indentation | Boule en acier | Force d'essai / profondeur de pénétration |
| Rockwell C | Dureté de l'indentation | Cône de diamant | Force d'essai / profondeur de pénétration |
| Vickers | Dureté de l'indentation | Pyramide de diamant tétragonal | Force d'essai / indentation diagonale |
| Knoop | Dureté de l'indentation | Pyramide de diamant rhombique | Force d'essai / indentation diagonale |
Source : Institut des géosciences appliquées, Institut de technologie de Karlsruhe (KIT Campus South), Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe, Allemagne.
Reconnu - et largement mis en œuvre, en particulier dans l'industrie de la porcelaine et de la céramique - est un test de matériau selon la technologie de processus de Friedrich Mohs (1773 à 1839, minéralogiste et géologue). Ceci est basé sur le fait que les matériaux plus durs peuvent rayer les matériaux plus mous. L'échelle de dureté de Friedrich Mohs est une définition « relative » et n'attribue pas de valeurs physiques exactes au minéral, telles que des volts, des newtons ou des lux. L'échelle de dureté fait référence à une douceur - ou dureté - compréhensible et représentable que présente un minéral ou un matériau contenant des minéraux. Dans la représentation de la dureté des céramiques, la spécification de la « dureté Mohs » est considérée comme un paramètre d'évaluation applicable et est devenue internationalement acceptée. La dureté Mohs est donc une caractéristique de qualité importante de la porcelaine et des céramiques.
Jusqu'en 2001, la dureté selon Mohs était enregistrée et présentée conformément à la norme DIN-EN-101, qui indiquait la dureté de rayure déterminée, c'est-à-dire le degré d'endommagement de la surface minérale. En fait, cette dureté (8) ne correspondait qu'à une résistance de 7. Cette représentation de la dureté de surface a été corrigée en 2010 par une nouvelle version de la norme DIN et remplacée par la valeur réelle de la dureté de surface. En conséquence, selon la nouvelle norme DIN-EN-15771, « l'ancienne » dureté 8 est devenue la nouvelle dureté 7.
La (première) échelle de dureté selon Mohs
| Dureté | Propriété | Minéral | Matériau céramique comparable (*) |
| 1 | grattable avec l'ongle | Talc | Masse céramique à l'état de cuir-dur |
| 2 | rayable avec l'ongle | Plâtre | Masse céramique après séchage à cœur |
| 3 | peut être incisé avec une pièce de cuivre | Calcite | Masse céramique après la cuisson du biscuit |
| 4 | peut être incisé facilement par une lame d'acier | Fluorite | Argile et brique après la cuisson finale |
| 5 | peut être incisé encore par une lame d'acier | Apatite | à partir de la céramique à cuisson finale de 1.260 °C |
| 6 | peut être incisé encore par une lime d'acier | Feldspar | à partir de la céramique à cuisson finale de 1.300 °C |
| 7 | peut être incisé par une vitre | Quartz | à partir de la céramique technique cuite à haute températaure de 1.320 °C |
| 8 | peut être incisé par des cristaux de quartz | Topaz | à partir de la céramique technique cuite à haute température de 1 450 °C |
| 9 | peut être incisé par le corindon | Corindon | |
| 10 | Diamant | ------- |
Source : Institut des géosciences appliquées, Institut de technologie de Karlsruhe (KIT Campus South), Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe, Allemagne.
L'échelle de dureté actuelle selon Mohs (en date de 2011)
| Dureté | Minéral | Matériau céramique comparable (*) |
| 1 | Talc | Masse céramique à l'état de cuir-dur |
| 2 | Plâtre | Masse céramique après séchage à cœur |
| 3 | Calcite | Masse céramique après la cuisson du biscuit |
| 4 | Fluorite | Argile et brique après la cuisson finale |
| 5 | Apatite | à partir de la céramique à cuisson finale de 1.260 °C |
| 6 | Feldspar | à partir de la céramique à cuisson finale de 1.320 °C |
| 7 | Quartz | à partir de la ceramique technique cuite à haute températaure de 1.450 °C |
| 8 | Topaz | |
| 9 | Corindon | |
| 10 | Diamant |
(Source : Université de Coblence)
Le facteur décisif n'est pas la température de la cuisson initiale (généralement la cuisson du biscuit), mais celle de la cuisson finale (cuisson de la glaçure), car la dureté de la surface du corps céramique mesure généralement la dureté de la glaçure et non celle du corps. Les spécifications du matériau céramique comparable respectif peuvent différer légèrement en raison de l'ajout d'additifs (par exemple, de l'oxyde d'aluminium). En outre, des différences peuvent apparaître si la cuisson de la glaçure (cuisson dure) est effectuée dans le processus d'oxydation ou de réduction.
(*) Cette échelle est basée sur nos valeurs de test et de détermination et reflète le résultat d'une enquête continue que nous menons depuis 1993. Il prend en compte les rendements de dureté de plus de 400 usines.
Cependant, l'échelle ci-dessus de Friedrich Mohs ne représente pas les différences considérables de dureté des matériaux en valeurs lisibles. Les échelles de dureté selon Stanley P. Rockwell (désignation Rockwell/dureté Rockwell) ou la dureté Rosival selon A. Rosival (géophysicien et minéralogiste 1860 - 1923) sont plus appropriées à cet effet. Elles fournissent depuis 1920 des informations plus précises et plus lisibles sur la dureté d'un matériau, car elles prescrivent des méthodes de détermination concrètement définies. Alors que Rockwell prend en compte la profondeur de pénétration d'un matériau dans la résistance à la fissuration, Rosival mesure la perte de masse due à la contrainte en déterminant la « dureté de broyage » d'un matériau de valeur et représente la perte de poids d'un matériau due au traitement d'une quantité fermement définie de poudre de broyage dans le temps et sous pression. (Source : Dr. med. vet. h.c. Hugo Freund, Université de Wetzlar).
La vaisselle, qu'elle soit en porcelaine ou en d'autres qualités de céramique, est davantage soumise à des contraintes mécaniques (usure) dues au rinçage et à l'empilage qu'à la pénétration verticale de substances étrangères dans le cadre d'un usage quotidien - en particulier dans le cadre d'un usage commercial. Pour cette raison, nous considérons que la dureté Rosival est la plus appropriée pour une présentation et une différenciation des duretés céramiques, afin de fournir une évaluation compréhensible et concise de la dureté des céramiques, en particulier pour le non-spécialiste.
L'échelle de dureté selon Rosival
| Dureté | Dureté selon Rosival | Minéral | Matériau céramique comparable (*) |
| 1 | 0,03 | Talc | Masse céramique à l'état de cuir-dur |
| 2 | 1,04 | Plâtre | Masse céramique après séchage à cœur |
| 3 | 3,75 | Calcite | Masse céramique après la cuisson du biscuit |
| 4 | 4,2 | Fluorite | Argile et brique après la cuisson finale |
| 5 | 5,4 | Apatite | Céramique à cuisson finale jusqu'à approx. 1.260 °C |
| 6 | 30,8 | Feldspar | Céramique à cuisson finale à partir de 1.320 °C |
| 7 | 100 | Quartz | Céramique technique à haute cuisson à partir d'approx. 1.450 °C |
| 8 | 146 | Topaz | |
| 9 | 833 | Corindon | |
| 10 | 117.000 | Diamant | ------- |
(Source : Institut de géologie et de minéralogie, Université de Cologne, Zülpicher Str. 49b, D-50674 Cologne)
(*) La conversion du "matériau céramique comparable" a été effectuée conformément au manuel "Mineral and Rock Identification for Students of Geology and Mineralogy" de l'Institut des géosciences appliquées de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT-Campus Süd) Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe, Allemagne.
Selon Rosival, la différence entre le porcelaine cuite à haute température (30,8) et le grès/le Stoneware ordinaire (4,2) est de 26,6 degrés de dureté selon Rosival. Rosival confère ainsi au grès une dureté inférieure de 84,4 % à celle de la porcelaine dure cuite à haute température. Même les céramiques dures cuites entre 1 240 °C et 1 280 °C (Durable / New Bone China / Viterous) sont inférieures de 82,5 % à la porcelaine cuite. Si ces valeurs sont converties en un tableau, on obtient la situation suivante :
L'échelle de dureté de la vaisselle
| Mohs (*) | Rosival | Perte | Matériau céramique comparable (**) |
| 6 | 30,8 | 0% | céramique à cuisson finale à partir d'environ 1.320 °C |
| 5 | 5,4 (moins 25,4) | - 82,5% | céramique à cuisson finale à partir d'environ 1.280 °C |
| 4 | 4,2 (moins 26,6) | - 86,4% | céramique à cuisson finale jusqu'à environ 1.240 °C |
(*) Représentation selon la norme DIN-EN-15771 à partir de 2001.
(**) La conversion du "matériau céramique comparable" a été effectuée selon le manuel "Mineral- und Gesteinsbestimmung für Studierende der Geologie und der Mineralogie" de l'Institut des géosciences appliquées de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT-Campus Süd), Adenauerring 20b, D-76131 Karlsruhe, en suivant la conversion selon la norme DIN-EN-15771.
Facteurs d'influence
La détermination de la dureté des surfaces minérales - quelle que soit la méthode d'essai de dureté utilisée - suppose toujours une structure de surface uniforme. Toutefois, en raison du processus de production, des "trous d'épingle" apparaissent souvent à la surface des céramiques et des porcelaines. Veuillez également lire notre article « Défauts de la porcelaine - trous d'épingle ». Il n'existe pas de norme ou de classification du nombre, de la taille et de la profondeur des trous d'épingle. Toutefois, la règle suivante s'applique : Plus les trous d'épingle sont nombreux et bien visibles, plus ils sont susceptibles d'entraîner une réduction de la dureté de la surface minérale. Trop souvent, une procédure d'essai en laboratoire selon la norme DIN-EN-15771 aboutit à une dureté Mohs de 5 pour les plaques de porcelaine, alors que les zones de l'émail exemptes de trous d'épingle ont une dureté de 6.
Déduction et conclusion
Il est certes vrai qu'en raison des nouveaux développements et des nouvelles techniques, la composition minérale et chimique des pâtes céramiques diffère d'un fabricant à l'autre, voire d'un pays à l'autre. Il est également vrai que le mode de cuisson (monocuisson versus biscuit et cuisson dure) a une influence sur la quantité et donc aussi sur la résistance de l'émail et modifie ainsi le facteur de corrosion. Même si une tolérance de 25 % est admise pour la vaisselle particulièrement durable (par exemple Durable / Fine China / Dynamite), il existe toujours une différence de qualité d'au moins 20 % entre la porcelaine à haute température et tous les autres matériaux céramiques cuits à moins de 1 300 °C.
Voilà ! C'est ce qui fait la différence !
La porcelaine High Alumina - à haute teneur en alumine - de Holst Porzellan est cuite à près de 1 400 °C et combine ainsi les bonnes propriétés de la dureté Mohs et la stabilité physique de la porcelaine durable. Lisez la suite...