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
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