Tipos, Propiedades y Aplicaciones de los Materiales Cerámicos
Los materiales cerámicos se clasifican según su aplicación en los siguientes grupos:
Vidrios
Silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos (cal, sosa, óxido de potasio y alúmina). Compuestos por un 70% de óxido de silicio y el resto de otros óxidos. Principal Característica: Transparencia óptica y alta facilidad para fabricarse.
Vitrocerámicas
Material policristalino de grano fino producto de un proceso de transformación desde un estado NO cristalino a un estado cristalino mediante tratamiento térmico a temperatura elevada, que recibe el nombre de cristalización o desvitrificación.
Propiedades y Aplicaciones de las Vitrocerámicas:
- Resistencia mecánica relativamente alta.
- Coeficiente de dilatación térmica pequeño.
- Buenas propiedades dieléctricas.
- Buena compatibilidad biológica.
- Algunas vitrocerámicas son transparentes y otras opacas.
Principal Característica: Facilidad con que se pueden fabricar.
Usos más comunes: Artículos para hornos y mesas, ventanas de hornos y cubiertas de estufas. En arquitectura se emplea como material de revestimiento.
Arcillas
Material barato, abundante y que frecuentemente se utiliza tal y como se extrae de la mina. Otra ventaja es su facilidad de conformación. La mayoría de los productos a base de arcilla los podemos clasificar como: Elementos estructurales de arcilla y Porcelanas.
Refractarios
Propiedades Sobresalientes:
- Capacidad de resistir altas temperaturas sin fundir o descomponerse.
- Capacidad de permanecer sin reaccionar e inertes cuando se exponen a ambientes agresivos.
- Capacidad como aislante térmico.
Usos comunes: Revestimientos de hornos para afino de metales, fabricación del vidrio, etc. (La porosidad es una variable microestructural que debe controlarse; a menor porosidad, mayor resistencia, capacidad de carga y resistencia al ataque de materiales corrosivos).
Refractarios de Sílice
También llamados refractarios ácidos. Principal ingrediente: la sílice.
Principales Propiedades: Resistentes a escorias ricas en sílice.
Principales Inconvenientes: Fácilmente atacadas por escorias compuestas de una alta proporción de Cal y Magnesia (escorias básicas). Debe evitarse el contacto con estos óxidos.
Usos comunes: techos de los hornos de producción de acero y vidrio, además se utilizan con frecuencia como recipiente de escorias ricas en sílice. En estas aplicaciones se pueden alcanzar temperaturas próximas a 1600 ºC.
Refractarios básicos
Son refractarios ricos en magnesia (o periclasa). Pueden contener también compuestos de Ca, Cr y Fe.
Principal Propiedad: Especialmente resistentes al ataque por escorias básicas.
Usos comunes: En altos hornos para la producción de acero.
Refractarios especiales
En este grupo se incluyen alúminas, sílices, magnesia, óxido de Berilio, zircona, etc. También incluyen compuestos de carburo, además del carbono y el grafito. El carburo de silicio:
Usos comunes: resistencias eléctricas de calefactores, material de crisoles y componentes internos de hornos.
Principal propiedad: Muy refractarios, pero aplicación limitada debido a que son susceptibles a oxidación a Tª’s superiores a 800 ºC. Son relativamente caros.
Abrasivos
Se utilizan para desbastar o cortar otros materiales más blandos. El 1er Requisito es su dureza o resistencia al desgaste, además de un alto grado de tenacidad para asegurar que las partículas abrasivas no se fracturen fácilmente. El 2º Requisito, debido a que las fuerzas abrasivas de fricción pueden producir altas temperaturas, es deseable que tengan alguna refractividad. Cerámicas abrasivas más comunes: carburo de silicio, carburo de tungsteno, óxido de aluminio y arena de sílice. Los diamantes también se utilizan, pero son relativamente caros. Recubrimientos de abrasivos son aquellos en los cuales el polvo se deposita sobre algún tipo de papel o tejido. Ej: Papel de Lija.
Cementos
Materiales como el cemento, yeso y caliza son clasificados como cementos inorgánicos y se producen en grandes cantidades. Principal característica: al mezclarse con agua, forman una pasta que fragua y se endurece. Propiedad útil porque permite formar fácilmente estructuras sólidas y rígidas casi de cualquier forma. (La diferencia entre ligante de cemento y de arcilla radica en que el ligante de cemento se forma a Tª ambiente).
El Cemento Portland es el que se consume en mayores cantidades. En su producción se muelen y mezclan minerales que contienen arcilla y caliza en las proporciones adecuadas, luego se calienta a aproximadamente 1400 ºC, en un horno giratorio, proceso denominado calcinación, que produce cambios físicos y químicos en las materias primas. El producto resultante, Clinker, se tritura hasta obtener un polvo muy fino al que se le añade una pequeña cantidad de yeso para retardar el proceso de fraguado. También se denomina cemento hidráulico porque su dureza se desarrolla mediante reacciones químicas con el agua. Otros cementos como la caliza no son hidráulicos.
Cerámicas Avanzadas
Las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas, así como la combinación de propiedades exclusivas de las cerámicas, han sido explotadas en muchas aplicaciones, como los sistemas de comunicación de fibra óptica, en los sistemas microelectromecánicos (MEMS), como cojinetes y en aplicaciones que aprovechan el comportamiento piezoeléctrico de algunos materiales cerámicos.
Fabricación y Procesado de Cerámicas
A diferencia con respecto a los metales, los materiales cerámicos tienen un punto de fusión relativamente alto, por lo que el moldeo no es práctico. La deformación también debe ser descartada debido a la fragilidad en muchos casos de estos materiales. De ahí que algunas piezas cerámicas se formen a partir de polvos que deben ser secados y cocidos.
Vidrios y Vitrocerámicos: Fabricación y Procesado
Propiedades de los vidrios: Los materiales vítreos no solidifican de la misma manera que los materiales cristalinos. Una de las diferencias entre ambos radica en la dependencia del volumen específico con respecto a la temperatura. En el caso de los cristalinos, existe una disminución brusca del volumen a la temperatura de fusión Tm. Mientras que en los vítreos, el volumen disminuye de forma continua al reducirse la temperatura, y presenta una ligera disminución de la pendiente en la temperatura denominada de transición vítrea Tg. Por debajo de esa Tª se considera que el material es vidrio, y por encima, líquido subenfriado y finalmente, líquido. (La mayoría de operaciones de conformado se realizan entre la temperatura de trabajo y de ablandamiento).
Conformado del Vidrio
El vidrio se produce calentando la materia prima a una temperatura por encima de la temperatura de fusión. La mayoría de vidrios comerciales son de la variedad sílice-sosa-cal. La sílice se agrega normalmente como arena de cuarzo común, mientras que la sosa y la cal se añaden en forma de ceniza de sosa y piedra caliza. Para la mayoría de aplicaciones, especialmente cuando es importante la transparencia óptica, es esencial que el producto de vidrio sea homogéneo y sin poros. La homogeneidad se obtiene fundiendo y mezclando completamente las materias primas. La porosidad se forma a partir de pequeñas burbujas de gas que se producen; éstas deben absorberse o ser eliminadas, para lo cual se requiere el ajuste adecuado de la viscosidad del material fundido.
4 técnicas de conformado para fabricar vidrio: prensado, soplado, estirado y formación de fibras.
Prensado
Fabricación de piezas con paredes relativamente gruesas, como placas y platos. La pieza de vidrio se forma por la aplicación de presión en un molde de fundición recubierto de grafito con la forma deseada. El molde se calienta para asegurar una superficie lisa.
Soplado
A partir de una masa de vidrio fundida se forma un parisón o preforma por prensado mecánico en un molde. Esta pieza se inserta en un molde final y es forzada a adquirir la forma del molde mediante aire a presión inyectado.
Estirado
Se utiliza para formar piezas largas de vidrio.
Fibras de vidrio continuas
Se forman mediante una operación de estirado compleja. El vidrio fundido se hace pasar a través de pequeños orificios. (La viscosidad del vidrio, que es crítica, es controlada mediante las temperaturas de la cámara y del orificio).
Tratamientos Térmicos del Vidrio
Recocido
Mediante un tratamiento térmico de recocido se pueden eliminar esfuerzos internos, llamados esfuerzos térmicos, resultado de las diferencias en la velocidad de enfriamiento y de la contracción térmica entre las regiones superficiales y en el interior, que pueden debilitar al material o conducir a la fractura, lo que se conoce como choque térmico.
Temple
Puede aumentarse la resistencia de una pieza de vidrio mediante un tratamiento térmico denominado temple térmico de vidrio. La pieza de vidrio se calienta hasta una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea (aunque inferior a la de ablandamiento). Se enfría hasta temperatura ambiente en un chorro de aire o en un baño de aceite. Las tensiones residuales se originan debido a las diferencias en las velocidades de enfriamiento de las regiones superficiales y de las regiones del interior. La superficie se enfría más rápidamente, y el interior, al enfriarse más rápidamente, está a una temperatura superior, y por tanto todavía es plástica. El interior intenta contraerse en un grado mayor que el que ahora le permite la superficie rígida exterior. Así, el interior tiende a imponer tensiones radiales hacia el interior. Como consecuencia, una pieza soporta esfuerzos de compresión en la superficie, con esfuerzos de tracción en el interior.
Fabricación y Procesado de Productos de Arcilla
Uno de los materiales más ampliamente utilizados es la arcilla por su bajo coste y por encontrarse de forma natural en gran abundancia. Otra razón de su popularidad es la facilidad con que puede conformarse. Cuando el agua y la arcilla se mezclan en proporciones adecuadas, se forma una masa plástica a la cual puede dársele la forma deseada. La pieza conformada es secada para eliminar parte de la humedad, después es cocida a temperaturas elevadas para aumentar su resistencia mecánica. Los productos basados en la arcilla se clasifican en: Productos estructurales de arcilla y porcelanas. Los productos estructurales de la arcilla incluyen ladrillos de construcción, baldosas y tuberías de aguas residuales, aplicaciones en las cuales la integridad estructural es importante. Las porcelanas adquieren el color blanco después de la cocción a altas temperaturas. En este grupo se incluye la porcelana, productos de alfarería, vajillas, la porcelana fina, artículos sanitarios, etc.
Características de la arcilla
Los minerales de arcilla desempeñan 2 papeles fundamentales en las piezas cerámicas. En primer lugar, cuando se añade agua, se hacen muy plásticos, propiedad denominada hidroplasticidad. Esta propiedad es muy importante en las operaciones de conformado. Además, la arcilla funde en un amplio intervalo de temperaturas, el cual depende de la composición de la arcilla. Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina y sílice, que contienen agua entrelazada químicamente. Tienen amplia gama de características físicas, composiciones químicas y estructuras. Impurezas comunes son: Ba, Ca, Na, K y Fe, y también algo de materia orgánica. Las estructuras cristalinas de arcilla son relativamente complicadas, aunque una característica común reside en una estructura de capas. Los minerales de arcilla que presentan mayor interés presenta la denominada estructura de la caolinita. Consiste en que al añadir agua, las moléculas de agua encajan entre las capas y forman una película delgada alrededor de las partículas de arcilla. Las partículas son así libres de moverse unas respecto de otras, lo que explica la plasticidad resultante de la mezcla arcilla-agua.
Técnicas de fabricación
Conformación Hidroplástica
Los minerales de arcilla se mezclan con agua, se hacen altamente plásticos y flexibles y pueden ser moldeados sin fisuración, sin embargo, tienen resistencias a la tracción muy bajas. La relación agua-arcilla de la masa hidroplástica debe producir una resistencia suficientemente alta para permitir que una pieza mantenga su forma durante la manipulación y el secado. La técnica más común de conformación hidroplástica es la extrusión: una masa espesa de cerámica es forzada a través del orificio de una matriz que tiene la geometría de la sección deseada. La masa plástica cerámica es forzada a través de la matriz por medio de un husillo en forma de espiral accionado por un motor, el aire es eliminado en una cámara de vacío para aumentar la densidad. Las piezas extruidas que tienen columnas internas huecas son conformadas mediante insertos situados en la matriz.
Moldeo en Barbotina
Otro proceso de conformación es el moldeo en barbotina. La barbotina es una suspensión de arcilla y/o otros materiales no plásticos en agua. Cuando se vierte en un molde poroso, el agua de la suspensión es absorbida por el molde, dejando una capa sólida en las paredes del molde cuyo espesor depende del tiempo. Este proceso puede continuar hasta que la cavidad completa se hace sólida, o bien, el proceso puede ser terminado cuando la capa de las paredes alcanza el espesor deseado, invirtiendo el molde y vertiendo el exceso de suspensión. Este proceso se denomina moldeo en barbotina. A medida que la pieza se seca, se contrae y se despega de las paredes del molde, en este momento el molde puede ser desmontado y la pieza moldeada retirada. (La naturaleza de la suspensión es extremadamente importante: peso específico alto, muy fluida y colable, velocidad de moldeo alta, pieza libre de burbujas, poca contracción durante el secado y alta resistencia a tracción. Las propiedades del molde también influyen en la calidad del moldeo. Normalmente se utiliza yeso, que es económico, relativamente fácil de elaborar en formas complicadas y reutilizable).
Secado y Cocido
Las piezas de arcilla conformadas por los procesos anteriores retienen mucha porosidad y su resistencia es insuficiente para la mayoría de aplicaciones prácticas. Además, puede contener algo de líquido. Este líquido es eliminado en un proceso de secado, la densidad y la resistencia aumentan como resultado del tratamiento a alta temperatura o por el proceso de cocción. Un cuerpo que ha sido conformado y secado pero no cocido se denomina cuerpo verde. Las técnicas de secado y cocción son críticas debido a que durante estas operaciones se pueden introducir muchos defectos que convierten a la pieza en inútil. Defectos causados por la contracción no uniforme.
Secado
A medida que un cuerpo cerámico de arcilla se seca, experimenta contracción. En las primeras etapas de secado, las partículas de arcilla están rodeadas por una película muy fina de agua. A medida que el secado progresa y se elimina agua, la distancia entre partículas disminuye (contracción). Durante el secado, el control de la velocidad de eliminación de agua es crítico. El secado en la parte interna de un cuerpo se realiza por difusión de moléculas de agua hasta la superficie, donde ocurre la evaporación. Si la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de difusión, la superficie se secará más rápidamente que en el interior, con una alta probabilidad de formación de defectos.
Cocción
Después del secado, un cuerpo es cocido usualmente a Tª’s entre 900 y 1400 ºC. Durante la cocción, la densidad aumenta aún más, con disminución de la porosidad y se mejora la resistencia mecánica. Cuando los materiales de arcilla son calentados a Tª’s elevadas, ocurren varias reacciones complejas. Vitrificación: formación gradual de un vidrio líquido que fluye hacia los poros y en parte llena su volumen.
Prensado de polvo
Técnica que en cerámica es análoga de la pulvimetalurgia, se utiliza para fabricar composiciones que pueden o no contener arcilla, entre ellas cerámicas electrónicas y magnéticas así como ladrillos refractarios. Una masa de polvo, normalmente, con una pequeña cantidad de agua o de otro ligante, es compactada con la forma deseada mediante presión. El grado de compactación se maximiza y la fracción de espacio vacío se minimiza utilizando partículas grandes y pequeñas mezcladas en proporciones adecuadas. No se produce deformación plástica de las partículas durante la compactación. Una función del ligante es lubricar las partículas de polvo cuando se mueven unas respecto de otras en el proceso de compactación.
3 procedimientos fundamentales de prensado:
Uniaxial
El polvo es compactado en una matriz metálica mediante presión aplicada en una sola dirección. La pieza conformada toma la forma de la matriz y de las superficies a través de las cuales se aplica la presión. Este método está restringido a formas relativamente sencillas, aunque las velocidades de producción son altas y el proceso es barato.
Isostático
El polvo está contenido en un envoltorio de goma y se aplica presión mediante un fluido, isostáticamente (misma magnitud en todas las direcciones). Se pueden fabricar formas más complicadas que con el prensado uniaxial, aunque la técnica es mucho más lenta y cara. Tanto en el proceso uniaxial como en el isostático, es necesaria una operación de cocción después de la operación de prensado. Durante la cocción la pieza se encoge y experimenta reducción de porosidad y aumento en su integridad mecánica. Estos cambios ocurren por coalescencia de las partículas de polvo en una masa más densa.
Prensado en caliente
El prensado del polvo y el tratamiento térmico se realizan simultáneamente: el agregado de polvo es compactado a una temperatura elevada. El procedimiento se utiliza en el caso de materiales que no forman una fase líquida excepto a temperaturas muy altas sin que exista apreciable crecimiento de grano. Es un método caro de fabricación que tiene algunas limitaciones. Es caro en términos de tiempo, puesto tanto el molde como la matriz deber ser calentados y enfriados en cada ciclo. Además, el molde es normalmente caro de fabricar y tiene una vida corta.