Materiales cerámicos (página 2)

En algunos casos, particularmente en cerámicos
avanzados, el conformado por compactación de polvos se
efectúa a altas temperaturas, mediante prensas calientes o
por compresión isostática en caliente. En este
proceso los polvos se llevan en recipientes metálicos o de
vidrio; entonces se calientan y compactan simultáneamente
en un recipiente de gas inerte a presión. Esto permite
utilizar menos lubricantes y disminuye la porosidad, manteniendo
propiedades mecánicas deseables.

La humedad remante en la pieza y la porosidad son muy
bajas, por lo que se pueden conformar piezas de mayor
tamaños sin las complicaciones de alabeos que se
obtendrían en el método de moldeo en barbotina o
colado. Ejemplos, piezas para motor, turbinas, refractarios
porcelanatos y piezas relativamente grandes y simples.

Sinterizado: transformación de un producto
poroso en compacto

En los casos que no se desea la vitrificación en
vez de ello se consigue la resistencia deseada mediante la
difusión.

Durante el sinterizado, primero los iones se difunden a
lo largo de los bordes y superficies de grano, hacia los puntos
de contacto entre partículas, generando puentes y
conexiones entre granos individuales (figura 14-36).

Una difusión adicional de los bordes
de grano reduce los poros, incrementando la densidad y, al mismo
tiempo, los poros se hacen más redondos. Partículas
inicialmente más finas y temperaturas más altas
aceleran la velocidad de reducción de poros.

Incluso después de largos tiempos de sinterizado
todavía podría quedar porosidad en la pieza
cerámica y la probabilidad de falla puede ser muy alta. Es
posible agregar aditivos a las materias primas para facilitar el
desarrollo de una máxima densidad. Sin embargo estos
aditivos del sinterizado típicamente realizan lo anterior
introduciendo una fase vitrea de bajo punto de fusión.
Aunque se consigue minimizar la porosidad, otras propiedades,
como la resistencia a la temofluencia, se deterioran.

Unión por reacción

Algunos materiales cerámicos, como el Si3N4, se
producen mediante unión por reacción. El silicio se
conforma y a continuación se le hace reaccionar con
nitrógeno para formar el nitruro. La unión por
reacción, que se puede efectuar a temperaturas más
bajas proporciona un mejor control dimensional, en
comparación con la compresión en caliente. Sin
embargo, se obtienen densidades y propiedades mecánicas
menores.

Unión y ensamble de piezas
cerámicas

Cuando dos componentes cerámicos se ponen en
contacto bajo carga, en la superficie frágil se crean
concentraciones de esfuerzos, lo cual provoca una mayor
probabilidad de falla.

Además, los métodos para unir piezas
cerámicas son limitados. Los cerámicos
frágiles no se pueden unir por procesos de soldadura por
fusión o de unión por deformación. A bajas
temperaturas, se pueden conseguir uniones adhesivas utilizando
materiales poliméricos; a temperaturas superiores se
pueden utilizar cementos cerámicos. La unión por
difusión se utiliza para unir cerámicos entre
sí con metales.

Refractarios

Los materiales refractarios deben soportar alta
temperatura sin corroerse o debilitarse por el entorno y cuenta
además con la capacidad de producir aislamiento
térmico

Los refractarios se dividen en tres grupos,
ácido, básico y neutro, con base en su
comportamiento químico

Refractarios ácidos Los refractarios
ácidos comunes incluyen las arcillas de sílice, de
alúmina y refractarios de arcilla Cuando al sílice
se le agrega una pequeña cantidad de alúmina, el
refractario contiene un microconstituyente eutéctico con
punto de fusión muy bajo y no es adecuado para
aplicaciones refractarias por encima de los 1600°C,
temperatura que frecuentemente se requiere para fabricar
aceros.

Sin embargo, cuando se le agregan mayores
cantidades de alúmina, la microestructura adquiere una
alta temperatura de fusión. Estos refractarios de arcilla
por lo general son relativamente débiles, pero poco
costosos.

Refractarios básicos Varios refractarios
se basan en el MgO (magnesia). El MgO puro tiene un punto de
fusión alto, buena refractariedad y buena resistencia al
ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los
procesos de fabricación de acero. Los refractario
básicos son más costosos que los refractarios
ácidos.

Refractarios neutros Estos refractarios pueden
ser utilizados para separar refractarios ácidos de los
básicos, impidiendo que una ataque al otro.

Refractarios especiales El carbono, o grafito, es
utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente
cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Otros
materiales refractarios incluyen diversidad de nitruros, carburos
y boruros. La mayor parte de los carburos, el TiC y el ZrC no
resisten bien la oxidación y sus aplicaciones a alta
temperatura son más adecuadas para situaciones de
reducción. Sin embargo, el carburo de silicio es una
excepción; cuando se oxida el SiC a alta temperatura, se
forma en la superficie una capa delgada de Si02,
protegiéndolos contra oxidación adicional hasta
aproximadamente los 1500°C. Los nitruros y los boruros
también tienen temperaturas de fusión altas y son
menos susceptibles a la oxidación. Algunos de los
óxidos y los nitruros son candidatos para uso en
turborreactores.

Cementos

Además de su uso en la producción de
materiales para la construcción, en aparatos
domésticos, en materiales estructurales y refractarios,
los materiales cerámicos encuentran toda una infinidad de
aplicaciones, incluyendo las siguientes.

En un proceso conocido como cementación, las
materias primas cerámicas se unen utilizando un
aglutinante que no requiere horneado o sinterizado. Una
reacción química convierte una resina
líquida en un sólido que une las
partículas.

Se clasifican como cementos inorgánicos a varios
materiales cerámicos familiares: Cemento, yeso y caliza,
los cuales al mezclares con agua forman una pasta que al fraguar
endurecen

La reacción de cementación más
común e importante ocurre en el cemento Portland,
utilizado para producir el concreto cuyas propiedades incluidas
el tiempo de fraguado y la resistencia final depende en gran
medida de su composición.

Las reacciones hidrostáticas empiezan justo
cuando se añade agua. Primero se pone de manifiesto como
fraguado (aumento de la rigidez de la pasta). El endurecimiento
de la pasta tiene lugar como resultado de la hidratación,
un proceso relativamente lento que puede continuar por varios
años. El cemento no se endurece por secado, sino por
hidratación, en cuyo proceso participa una reacción
de enlaces químicos.

Abrasivos

Son utilizados para desgastar, desbastar o cortar a
otros materiales, los cuales son necesariamente más
blandos. Por consiguiente, la principal característica de
este grupo de materiales es su dureza o resistencia al desgaste y
alto grado de tenacidad para que las partículas abrasivas
no se fracturen fácilmente.

Las cerámicas abrasivas más comunes son el
carburo de silicio, el carburo de tungsteno, el oxido de aluminio
y la arena de sílice.

VIDRIOS

Es un material sólido de estructura amorfa, que
se obtiene por enfriamiento rápido de una m asa fundida lo
cual impide su cristalización. De aquí surge otra
definición que dice que el vidrio es un líquido
sobreenfriado. Esto quiere decir, de altísima viscosidad a
temperatura ambiente, por lo que parece un sólido. Cuando
se encuentra a 1450ºC es un líquido de baja
viscosidad. A esa temperatura su temperatura su viscosidad es
parecida a la de la miel. A temperatura ambiente el vidrio se
comporta estructuralmente como un líquido congelado, dicho
de otra forma es un líquido que se enfría tan
rápidamente que es imposible que se formen cristales.
Cuando el vidrio se enfría lentamente se forman cristales
de vidrio, fenómeno que se conoce como
desvitrificación. Los artículos hechos con vidrio
desvitrificado tienen poca resistencia física.

Los vidrios más comunes (comerciales)
están compuestos en un 70% por SiO2, 15% de Na2O, 12% de
CaO. Y un 3% de diversos óxidos (de aluminio, magnesio,
etc).

ESTRUCTURA

La mayoría de los vidrios de uso comercial
están basados en el oxido de silicio, (SiO2), como
formador de vidrio, donde la subunidad fundamental es el
tetraedro SiO4, en donde un átomo de silicio se encuentra
covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxigeno. Pueden
tener algunos iones modificadores adicionales que son
óxidos como el CaO, Na2O que proporcionan cationes y
oxígenos no enlazantes, la presencia de estos
modificadores disminuye la viscosidad del vidrio a altas
temperaturas haciendo que este sea más fácil de
moldear.

Cuando solo está presente la sílice (SiO2)
el vidrio es muy rígido haciéndolo út il
para aplicaciones en que se requiere una pequeña
expansión térmica, pero por esta razón es
muy viscoso y difícil de moldear en estado liquido lo que
limita su uso.

1-Tetraedro de silicio rodeado de cuatro átomos
de oxígeno.

En un cristal como el de la figura 2(a) los
átomos siguen un patrón estricto de
orientación que se repite n veces, siempre de la misma
manera. En un vidrio, los enlaces Si-O-Si no tienen una
orientación determinada (figura 2 (b)); la distancia de
separación entre los átomos de Si y O no es
homogénea, las unidades tetraédricas no se repiten
con regularidad y el compuesto está
desordenado.

Figura 2. Representación
gráfica de las diferencias estructurales entre un cristal
(a) y un vidrio (b).

PROPIEDADES

Los vidrios no solidifican igual que los materiales
cristalinos, este se hace cada vez más viscoso a medida
que la temperatura disminuye aunque no existe una temperatura
definida en la cual solidifique.

Con el estudio de relación entre la temperatura y
el volumen específico podemos diferenciar un sólido
cristalino de uno no cristalino. En los materiales cristalinos
hay una disminución discontinua del volumen a temperatura
constante en cambio en los materiales vítreos el volumen
disminuye continuamente con la disminución de la
temperatura. Se observa un pequeño cambio en la
pendiente a una temperatura llamada temperatura de
transición vítrea, por debajo de esta temperatura
el material es un vidrio y por encima es un liquido
subenfriado y luego un liquido

FIG 3

CARACTERISTICAS
FISICAS

Resistencia mecánica

El vidrio tiene propiedades mecánicas que lo
asemejan, por así decirlo, a los sólidos
cristalinos. No es, por lo tanto, dúctil ni maleable. No
sufre de formación permanente por acción de un
esfuerzo, sino que alcanzado el límite de resistencia se
produce su fractura. La rotura se produce siempre por un esfuerzo
de tracción, no por compresión.

En líneas generales podemos decir que la
resistencia intrínseca del vidrio es sumamente elevada,
comparable a la del acero.

Resistencia térmica

Ésta es una propiedad importante que se pretende
en la mayoría de los vidrios, particularmente en aquellos
que, como ocurre en muchos productos alimenticios y medicinales,
deban soportar en su utilización cambios de temperatura
relativamente bruscos, en especial, en los procesos de lavado,
llenado en caliente, pasteurizado, esterilización, uso con
comidas, etc.

Respecto de esta resistencia, debemos señalar que
la rotura no se produce por el cambio de temperatura en
sí, sino por el esfuerzo mecánico de
tracción provocado por el salto térmico.
Éste no es más que un medio
para Producir esfuerzos de tracción
debido a las contracciones desiguales producidas por el
enfriamiento más o menos brusco del ensayo.

TECNICAS DE PROCESAMIENTO Soplado –
soplado

En la operación de soplado por boca, una varilla
de hierro hueca o "caña" es sumergida en un crisol que
contiene el vidrio fundido, para recoger una porción en la
punta por rotación de la caña. El vidrio tomado, es
enfriado a cerca de 1000°C y rotado contra una pieza de
hierro para hacer una preforma. La preforma es entonces
manipulada para permitir su estiramiento, nuevamente calentada y
soplada para que tome una forma semejante a la del
artículo que se quiere formar, siendo luego colocada en el
interior de un molde de hierro o madera y soplada para darle su
forma final. Se lo utiliza generalmente para el conformado de
botellas.

Prensado- soplado

Un vástago es utilizado para dar forma a la
superficie interior del artículo, al empujar el vidrio
contra el molde exterior. El prensado puede ser hecho tanto con
la ayuda de un operador, como en forma completamente
automática. Luego se realiza un soplado para obtener la
forma final.

Por flotación:

En este proceso el vidrio es mantenido en una
atmósfera químicamente controlada a una temperatura
suficientemente alta (1000 ºC) y por un tiempo
suficientemente largo como para que el vidrio fundido quede libre
de irregularidades y su superficie llegue a ser plana y paralela.
En esta condición, el vidrio es vertido sobre una
superficie de estaño fundido, que al ser perfectamente
plana permite obtener también un producto de estas
características.

La lámina es enfriada mientras aún avanza
a lo largo del estaño fundido, hasta que la superficie
alcanza una consistencia suficientemente como para ser
transportada sobre una cinta sin que el vidrio quede marcado
(aproximadamente 600ºC). La lámina entonces pasa a
través de un horno túnel de recocido, mientras es
transportada camino a su almacenaje, donde computadoras
determinarán el corte de la lámina para satisfacer
las ordenes de los clientes. Su aplicación más
importante es para el conformado de ventanas.

Por estirado:

Se utiliza para formar piezas largas, se consiguen
vidrios planos de espesor uniforme y superficies planas. Se trata
de extraer verticalmente, a partir de un baño fundido de
vidrio contenido en un horno de balsa, obteniendo láminas,
barras, tubos y fibras.

Por estirado para formar fibras de vidrio: El vidrio
fundido está contenido en una cámara calentada con
resistencias de platino. La fibra se forma haciendo pasar el
vidrio fundido a través de pequeños orificios en la
base de la cámara.

TRATAMIENTOS
TERMICOS

Recocido

El proceso de recocido es utilizado para
liberar las tensiones internas, que se producen debido al
rápido e irregular enfriamiento de la pieza de vidrio
durante la operación de formado.

Para ello la pieza es vuelta a calentar y luego enfriada
lentamente.

La operación se realiza utilizando
para ello un horno túnel de recocido, que consiste
básicamente en una serie de quemadores dispuestos en un
horno largo, a través del cual son llevadas las piezas de
vidrio.

Templado

La pieza de vidrio se calienta a una temperatura mayor a
la de transición vítrea y se enfría
rápidamente a temperatura ambiente. Primero la superficie
se enfría más rápidamente y una vez que
alcanza una temperatura inferior al punto de deformación
esta adquiere rigidez, en este momento el interior esta a una
temperatura superior y todavía es plástica, al
seguir con el enfriamiento el interior intenta contraerse en un
grado mayor que el que le permite la superficie rígida
exterior y tiende a tirarla hacia adentro. Como consecuencia la
pieza soporta esfuerzos de compresión en la superficie con
esfuerzo de tracción en el interior, aumentando su
resistencia a la formación de grietas por tracción,
lográndose mejores propiedades
mecánicas.

Esta técnica se utiliza cuando se desea una alta
resistencia.

Autor:

Paralieu Gastón

P-2840/1 – Est. Avanzado de Ing.
Industrial

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y
Agrimensura.

Universidad Nacional de Rosario.

Carrera de Ingeniería Industrial AÑO
2009