Esquema general de procesado de los materiales cerámicos

Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología
de polvos
Procesado de cerámicos en forma de partícula
Introducción: Definición
Esquema principal del proceso de obtención
Obtención de polvos
Granulación
Zircona PE
Ejemplos:
• Procesado del SiC
• Procesado de Si3N4
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Tec. Polvos
Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química
UC3M
Introducción: Propiedades de los materiales cerámicos
MATERIALES CERÁMICOS
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su
sentido estricto se refiere de forma general a la arcilla. Sin embargo, el uso actual de este término incluye
a todos los materiales inorgánicos no metálicos.
“Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por
enlaces iónicos y/o covalentes”.
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Introducción: Clasificación
Vidrios
Basados en SiO2 + aditivos para ↓ Tf
TRANSPARENTES ⊕ DUROS A Tamb ⊕ RESISTENTES A CORROSIÓN
Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla)
Cerámica porosa (Ladrillos, alfarería, loza)
Cerámica compacta (porcelana, gres)
Cerámica refractaria (Magnesitas,
Magnesitas, cromitas)
cromitas)
Arcillas
Porcelanas
Corideritas
Alfarería, ladrillos, tejas…
tejas…
Aislantes eléctricos (Al2O3-SiO2-K2O)
elementos calefactores (Al2O3-SiO2-MgO)
Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones:
Oxídicas
No Oxídicas
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Arcilla, Sílice y
Feldespatos
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Introducción: Clasificación
Según composición:
Según aplicaciones:
Al2O3
Oxídica
ZrO2
Mullita
Cerámica
Estructural
Carburos
Nitruros
NO Oxídica
Siliciuros
Boruros
Refractarios: Al2O3, MgO,
ZrO2
Molde fundido de metales, hornos
Abrasivos: SiC,
Al2O3,diamante
Esmeriladoras, polvos pulido,
herramientas de corte
Eléctricos y magnéticos:
BeO, Al2O3, AlN, ZnO, ferritas
Semiconductores, substratos,
imanes, varistores…..
Nucleares: UO2
Diamante
Combustible nucleas
Biológicos: SiC, Al2O3,ZrO2
Prótesis, componentes dentales
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Esquema general de procesado de los materiales cerámicos
1. Obtención de materia prima en forma de polvo
Reacción en estado sólido
Precipitación a partir de soluciones
Precipitación a partir de fundidos
Precipitación a partir de fase vapor
Precipitación a partir de intermedios vítreos
2. Preparación de materia prima
3. Conformado
4. Tratamiento térmico
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Esquema general de procesado de los materiales cerámicos
2.Preparación de materia prima
Natural (molienda-purificación)
Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda)
3.Conformado
A partir de pulpas
Colada en molde permeable
Colada en cinta
Extrusión
A partir de polvos
Sin calor
Con calor
Compactación
uniaxial
Compactación
isostática (CIP)
Compresión en caliente
Compactación isostática
en caliente (HIP)
Moldeo por inyección
(PIM)
4.Tratamiento térmico
Secado
Cocción (sinterizado)
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Esquema del proceso de obtención mediante tecnología de polvos
Polvos
• Molienda
• Mezcla
Húmedo
/seco
Sinterización
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Granulado
• Granulación
• Globulización
• Spray Drying
•Atmósfera
•Vacío
•SPS
•HIP
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Conformado
Acabado
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• Compactación
Uniaxial
• Isostática
• Extrusión
• PIM
• Casting
• Rapid
Prototyping
•Rectificado
•Recubrimientos
•Afilado
Procesado: HIP
Prensado isostático en caliente
(HIP)
Fluido = gas inerte
Etapas:
-polvo en molde (metálico o vidrio)
-vacío en molde
-molde en autoclave de ↑ P
Ventajas:
-Buena distribución de P en el compacto → uniformidad de prop.
-Obtención de formas más complicadas
-Para piezas de ↑ dureza
Desventajas:
-↑ precio de equipo
-Poco control dimensional sobre producto
-Discontinuidad del proceso.
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"Powder Metallurgy, materials, processes and
applications", European Commission's Leonardo ds Vinci
Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC
Procesado: ‘Tape Casting’
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Cerámicas estructurales: Ejemplo:
Si3N4
2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonal
Se descompone a temperaturas altas
(1700ºC, N2+Si fundido)
(1880ºC en 1 bar N2)
Propiedades:
↑ Dureza
↑ Resistencia desgaste
↑ Resistencia a flexión
↑ conductividad térmica
↑ Resistencia a alta T.
Densidad 3 - 3,3 g/cm3
Enlace covalente, dónde el
Si presenta hibridación sp3
y el N sp2.
Aplicaciones
Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de
corte, camisas de pistones…
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Cerámicas estructurales: Si3N4
Componentes para turbinas de Si3N4: permiten la
entreada de gases más caliente, aumentan la
eficiencia en un 40%
Si3N4 rotores
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Cerámicas estructurales: Si3N4
Fabricación de los polvos
a)
Exotérmica: arde, contaminación
con elementos de molienda
Nitruración de polvos de Si
3Si+2N2→Si3N4
b)
Reducción carbotérmica de la sílice
3SiO2 +6 C +2N2 →Si3N4 + 6CO
c)
Ligera contaminación con
grafito
Reacción fase vapor
3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 HCl
3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 H2
d)
Precipitación y descomposición térmica
a)
b)
3SiCl4 + 6NH3 →Si(NH)2 + 4 NH4Cl
Si(NH) →Si3N4 + 2 HH3
Elevadas trazas de Cl
Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales
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Cerámicas estructurales: Si3N4 Principales rutas de procesado
Si
+aditivos
Si3N4 +
aditivos
Si
Aditivos: óxidos metálicos,
Y2O3, Al2O3, MgO, ZrO2…
(3-15%mol)
Conformado
Nitruración
Sinterización
HIP
Pieza Final
RBSN
Pieza Final
SRBSN
Pieza Final
SSN
Prensado Caliente
Pieza Final
Pieza Final
mecanizado
RBSN: Sinterización reactiva: Reaction bonded silicon nitride
En presencia de atmósferas nitrurantes. Proceso largo a T: 1250º-1450ºC. Produce aumento de volumen, porosidad final ∼20%.
SSN: Sinterización Si3N4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T:
1700º-17850ºC
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Cerámicas estructurales: Ejemplo:
SiC
Primer abrasivo artificial desarrollado a finales XIX (carbodurum).
Material estructural para aplicaciones a elevada temperatura .Elevada resistencia a ↑T, abrasivo,
resistente al desgaste y a la corrosión.
Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes
politipos del SiC
Enlace covalente (12% iónico)
Estructura cristalina: polimorfos β y α.
Presenta POLITIPISMO*:
Estructura cúbica (β-SiC) a = 4.3596 Ǻ 3C
Estructuras hexagonal y romboédrica (α-SiC):
Hexagonal: (a = 3.078 Ǻ; c = n x 5.518 Ǻ)
Romboédrico: (a = 3.073 Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R
Secuencia
No. hexagonal
(h)
No. cubic
(k)
2H
AB
1
0
3C
ABC
0
1
4H
ABCB
1
1
6H
ABCACB
1
2
15R
ABCACBCABACABCB
2
3
Densidad (3.21 g/cm3) y propiedades mecánicas idénticas
Aplicaciones
Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste,
válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas…
*Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas.
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Bastidores espejos solares
Cerámicas estructurales: SiC
Composite SiC/SiC para componentes de turbinas
Tras 75000 h de ensayo se
demuestra una dismunción de
emisión de
<15 ppm NOx y <10 ppm CO
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Cerámicas estructurales: SiC
Obtención del Polvo de SiC
Reducción Carbotérmica
Polvo irregular
Proceso Acheson (Carborundum).
A altas T (2300ºC): α-SiC. Molienda
SiO2 + 3C ⇒ SiC (α)+ 2CO
A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño fino
SiO2 + 3C ⇒ SiO+ 2CO
SiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO
Reacción en fase vapor
Polvo muy fino y esférico
Estructura β-SiC
SiCl4 +CH4 → SiC + 4 HCl
SiH4 +C2H4 →2 SiC + 6 H2
Reacción Directa
(T 1200ºC)
Si +C→ SiC
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Edward Goodrich Acheson (Washington, 18561931), descubridor del carburo de silicio o
carborundum
Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado
Sinterización por reacción (RBSC)
Sinterización en estado sólido (SSC)
Sinterización en fase líquida (LPSC)
Material bifásico que contiene 10% Si.
Se forma por reacción de una mezcla
SiC-C en Si líquido (vapor). 15501650ºC
1650ºC
Grafito
SiC primario
SiC primario
Si ∼ 10% vol.
SiC
secundario β
Si
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Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
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Sinterización por reacción (RBSC)
Sinterización en estado sólido (SSC)
Sinterización en fase líquida (LPSC)
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Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4:
Coeficiente de difusión muy bajos
Energía superficial intergranular muy
elevada “coarsening”
Se necesitan polvos muy finos
T superiores a 2000ºC
Atmósferas inertes.
Aditivos: C y BC4
Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
Sinterización por reacción (RBSC)
Sinterización en estado sólido (SSC)
Sinterización en fase líquida (LPSC)
Sinterización a temperaturas más bajas (1800-2000ºC)
Mayor tenacidad (6-7 vs. 3-3.5 MPa·m1/2)
Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema
SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2
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Cerámicas estructurales: ZrO2
La zircona en inyectores para motores diesel reducción
emisiones.
Excelente
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resistencia a la
corrosión y desgaste, evita
gripado.
Aumenta la P de trabajo.
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