Universitat Politècnica de València

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Departament d’Enginyeria Mecànica i de Materials
Universitat Politècnica de València
ESCOLA POLITÈCNICA SUPERIOR D’ALCOI
Àrea d’Enginyeria dels Procesos de Fabricació
Técnicas de Procesado de los
Materiales
El procesado de los materiales
cerámicos. 1
El Procesado de los Materiales Cerámicos.
Los materiales cerámicos constituyen un conjunto de materiales que se
emplea tanto en aplicaciones tradicionales (construcción, cerámica, vidrio)
como en aplicaciones tecnológicas de alto nivel (cermets, productos
refractarios, de bajo desgaste), lo cual supone una dualidad muy acusada en
el estudio de su procesado.
Su importancia se debe a:
• La abundancia que existe en la naturaleza de las materias primas para su
obtención.
• La gran diferencia existente con respecto a los otros tipos de materiales en
lo que se refiere a propiedades físicas y mecánicas.
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Materiales
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El Procesado de los Materiales Cerámicos.
A efectos de la clasificación de los procesos de conformado, pueden
distinguirse tres grandes grupos de materiales cerámicos:
• Materiales cerámicos tradicionales, basados en silicatos y que se aplican
la fabricación de productos de alfarería, loza, ladrillos, abrasivos comunes y
cemento.
• Nuevos materiales cerámicos, basados en compuestos de óxidos y
carburos y cuyas mejores características físico-mecánicas permiten su
aplicación como materiales refractarios, antidesgaste y abrasivos.
• Vidrios, basados en el sílice y que se diferencian por no presentar una
estructura cristalina, lo que permite su aplicación en la fabricación de
cristales, fibra óptica y aislamientos.
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El Procesado de los Materiales Cerámicos.
No obstante, los procesos de conformado de los materiales cerámicos en
general se resumen en el siguiente esquema.
Conformado por
eliminación de
material
Fundición
Materiales cerámicos
Procesado de
polvos
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Materiales
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Procesado de los materiales cerámicos tradicionales.
Este tipo de materiales cerámicos se procesan tomando como materia prima
minerales que se encuentran directamente en la naturaleza (arcillas).
Las fases principales de este proceso son las siguientes:
Preparación de polvos
Moldeado
Secado
Cocción/Sinterizado
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Preparación de polvos.
La fase de preparación de polvos se inicia con el triturado y pulverización
de la materia prima con el objetivo de obtener un material en forma de
polvo fino y granulometría controlada.
El procedimiento de triturado se efectúa mediante trituradoras y molinos
trituradores que actúan por impacto, compresión y rozamiento, cuyo
objetivo es el de reducir el tamaño de los grandes bloques de partida.
Esta operación se realiza a través de una serie de etapas, cada una de las
cuales provoca una reducción de 3 a 6 en el tamaño de los bloques.
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Preparación de polvos.
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Preparación de polvos.
Articulación esférica
Soporte superior
Quijada móvil
Cono triturador
giratorio
Quijada fija
Excéntrica
Triturador de
quijadas
Anillo triturador
cónico
Triturador
giratorio
Excéntrica
Eje motor
Mecanismo
Garganta de
alimentación
Alimentación
Triturador de
rodillos
Molino de
martillos
Quijadas
Rodillos
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Preparación de polvos.
Tras la fase de trituración, el material en forma de pequeños bloques es
pulverizado mediante molienda, que lo reduce a polvo fino.
En esta fase los mecanismos predominantes son el impacto y la abrasión,
que actúan por el movimiento de un medio duro y libre (bolas, piedras,
barras) sobre el que interactúa el material.
Durante esta fase se realiza el control del tamaño de las partículas, ya que
de éste influye en las características físicas y mecánicas del producto final.
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Preparación de polvos.
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Preparación de polvos.
Los esquemas de los equipos de pulverizado se observan a continuación.
Material
Tambor
Rodillos
Aire
Depósito
Material
Bolas
Rodillos
motrices
Mesa
giratoria
Eje motor
Molino de bolas
Molino de rodillos
Molino por impacto
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Preparación de polvos.
Una vez pulverizado, el polvo es mezclado con agua para obtener una pasta
plástica que permita el moldeado de la misma y la obtención de la forma del
producto.
No obstante, cuando se elimina el agua de la pasta para generar la pieza
definitiva, existe el riesgo de agrietamiento del material, por lo que en esta
fase se añaden aditivos cerámicos que evitan este defecto.
También se añaden otros aditivos específicos para mejorar ciertas
características del material: fundentes, que por vitrificación favorecen el
sinterizado de la partículas, materias no plásticas (alúmina, sílice), que
disminuyen la contracción de pieza, agentes humectantes, que mejoran la
mezcla de los componentes.
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Moldeado.
Durante la fase de moldeado se da al material la forma adecuada para
generar el producto definitivo.
Para generar este moldeado se requiere una proporción adecuada de polvo y
agua. Esto permite que la fluidez de la pasta sea la adecuada para que la
misma fluya y rellene correctamente el interior del molde y no provoque
defectos por falta de llenado.
Por este motivo, los procesos de moldeado se clasifican en función de la
consistencia o fluidez de la pasta empleada, considerando para ello el
porcentaje de agua que se utiliza para obtener la pasta.
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Moldeado deslizante.
Esta técnica de moldeado requiere de una elevada fluidez de la pasta. Para
ello, el contenido de agua de la misma oscila entre un 20% y un 40% en
peso, de forma que la mezcla se comporta como un fluido (suspensión).
Suspensión
Molde de yeso
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Moldeado deslizante.
Esta característica de fluidez de la suspensión permite que ésta pueda
alcanzar sin problemas todos los detalles y resquicios del molde, pero debe
limitarse el contenido en agua para que la velocidad de producción sea lo
más elevada posible.
La dos variantes de este proceso son:
• Moldeo con drenado, en la que parte de la suspensión se retira antes de
que se solidifique por completo. Se obtienen así productos huecos.
• Moldeo sin drenado, en la que se permite que toda la suspensión adquiera
solidez y produzca un elemento macizo.
En ambos casos, debe aportarse durante el proceso la cantidad suficiente de
suspensión para compensar la contracción por pérdida de agua.
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Moldeado plástico.
Este tipo de moldeo se realiza con una mezcla plástica con un contenido en
agua entre el 15% y 25%, de manera que puede efectuarse de forma manual
(arcillas con alto contenido de agua y mayor fluidez) o automatizada
(arcillas con bajo contenido de agua y menor fluidez).
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Moldeado plástico.
El moldeo automatizado se puede realizar de distintas formas: mediante
molde de conformado, mediante terraja, por extrusión.
Molde superior
de yeso
Bloque de arcilla
Molde inferior
de yeso
Bloque
preformado
Terraja
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Moldeado semiseco.
En este caso la mezcla plástica tiene un contenido en agua entre el 10% y
15%, lo que provoca que el material presente una baja fluidez y precise de
un molde para generar el conformado en el que se aplica una elevada
presión .
Rebaba
Bloque de arcilla
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Moldeado seco.
Este tipo de moldeo se realiza cuando la mezcla plástica tiene un contenido
en agua inferior al 5%, lo que provoca que el material presente una baja
fluidez y que se precisen aglutinantes a la mezcla para proporcionar la
resistencia y cohesión suficientes para la manipulación de la pieza
moldeada.
Sólo es aplicable a geometrías sencillas, ya que el material no fluye con
facilidad, y debe dosificarse correctamente la cantidad de material inicial.
Las principales ventajas de este proceso son que la contracción por secado
es prácticamente nula y no se generan rebabas en la forma obtenida.
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Secado.
La humedad restante que presenta la mezcla moldeada debe ser retirada
para evitar que durante el proceso de cocción/sinterizado se produzcan
porosidades y grietas.
La fase de secado elimina la humedad residual del material sin que se
produzca un deterioro de la pieza, con el inconveniente de provocar una
contracción de volumen que depende de la cantidad de agua.
Este proceso se realiza en cámaras o estufas, con temperatura, humedad y
velocidades de calentamiento controladas, y cuya duración es función del
espesor de la pieza (15 min. para espesores pequeños, varios días para
grandes grosores).
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Secado.
El ciclo de secado se realiza por etapas para evitar que la disminución
brusca de humedad en pieza provoque una mayor tendencia al
agrietamiento.
Volumen
agregado
Progreso
de secado
Fase 1
Velocidad
de secado
Fase 2
Progreso
de secado
Contenido de humedad
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Cocción/sinterizado.
Con el objeto de que el material adquiera la resistencia y cohesión
definitivas, se somete a la pieza secada a un proceso de cocción en horno
que provoca el sinterizado de los granos, el aumento de densidad del
material y la disminución de su porosidad. Estos efectos generan una nueva
contracción del volumen de la pieza.
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Cocción/sinterizado.
En el caso de los productos cerámicos no vidriados, sólo se efectúa una fase
de cocción para generar el endurecimiento del material.
Cuando se desea mejorar el aspecto del producto y la impermeabilidad del
mismo, tras la fase de cocción inicial se aplica un recubrimiento cerámico
que produce el vidriado de su superficie.
En este último caso, se precisa de una segunda fase de cocción que provoca
la vitrificación del recubrimiento.
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Procesado de los nuevos materiales cerámicos.
Este tipo de materiales, a diferencia de los tradicionales, y dado que
provienen de materias primas diferentes (óxidos, carburos, nitruros), no
presentan la plasticidad y facilidad de moldeo de los tradicionales.
Por este motivo, el conformado de estos materiales requiere de otros
componentes adicionales que confieran a la mezcla la plasticidad y
propiedades adecuadas.
Por este motivo las fases principales de este proceso, aunque similares a las
de los materiales tradicionales, difieren notablemente en cuanto a aspectos
tecnológicos se refiere. En resumen las fases son las siguientes:
Preparación de la materia prima
Moldeado
Sinterizado
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Acabado
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Preparación de la materia prima.
Dadas las características que se exigen a estos materiales (resistencia,
dureza, ...) son mayores que las exigidas a los tradicionales, los polvos de
partida sufren un mayor control de tamaño y composición, dado que la
resistencia del producto final es inversamente proporcional al tamaño de
grano.
El proceso de molido puede efectuarse por métodos mecánicos o métodos
químicos.
Los métodos mecánicos son similares a los de los materiales tradicionales,
pero presentan el inconveniente de que el material puede verse contaminado
por los elementos de molido y se generan microgrietas que disminuyen la
resistencia del producto final.
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Preparación de la materia prima.
Los métodos químicos proporcionan una mayor homogeneidad y calidad
del polvo, a costa de una mayor complejidad de procesado.
Los dos métodos que se emplean son:
Secado por congelación
Precipitación de una solución
El secado por congelación se basa en la disolución en agua de las sales de la
materia prima inicial. Esta disolución se pulveriza en pequeñas gotas de
rocío que se congelan rápidamente, y que son desecadas en cámaras de
vacío.
La sal resultante se descompone posteriormente por calentamiento para
generar las finas partículas de material cerámico.
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Preparación de la materia prima.
La precipitación de una solución consiste en la disolución de la materia
prima en agua, para generar una solución acuosa que puede ser filtrada para
eliminar las impurezas.
Posteriormente se provoca la precipitación del material en forma de
compuesto intermedio, que se convierte en el material definitivo por
calentamiento.
Tras la obtención de la materia particulada, se procede a la clasificación por
tamaños y al mezclado posterior de los distintos componentes y aditivos
que componen la materia prima a moldear.
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Preparación de la materia prima.
Como aditivos más usuales se emplean:
• Plastificantes, que facilitan el moldeado.
• Aglutinantes, que permiten la unión entre partículas y dan cohesión y
resistencia al producto final.
• Agentes humectantes, que mejoran el mezclado.
• Desfloculantes, que evitan la aglomeración y unión prematura de las
partículas.
• Lubricantes, que mejoran la fluidez de las partículas durante el moldeado
y favorecen el desmoldeo de la pieza preformada.
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Moldeado.
Las técnicas de moldeado son similares a las empleadas en pulvimetalurgia
y con los materiales tradicionales, con algunas variantes.
De los materiales tradicionales se emplean los siguientes:
Prensado en seco
Moldeado deslizante
Extrusión
De la pulvimetalurgia, los siguientes:
Prensado en caliente
Prensado isostático
Inyección
Laminado
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Sinterizado.
El sinterizado es la operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la
pieza moldeada para unir sus partículas e incrementar su resistencia
mecánica, muy similar a la operación efectuada en pulvimetalurgia.
La temperatura de sinterización oscila entre el 80% y el 90% de la de fusión
del material en la escala absoluta, de forma que el tiempo de sinterización
depende del material considerado.
La mecanismo de sinterización depende la composición de la mezcla, ya
que cuando el material es homogéneo predomina la difusión de masa entre
partículas, mientras que en mezclas heterogéneas se puede producir la
fusión de los componentes de bajo punto de fusión, así como se genera una
fase vítrea entre granos que actúa de aglutinantes.
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Acabado.
La operación de acabado persigue la mejora del producto final, enfocada
básicamente a los aspectos relacionados con la precisión dimensional de la
pieza, la mejora de la calidad superficial y/o generar pequeños cambios de
forma en la geometría definitiva.
Este tipo de operaciones se efectúa mediante el uso de abrasivos, cuya
principal característica se centra en el uso de materiales de elevada dureza
(diamante) para permitir el arranque del material de elevada dureza.
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Procesado del vidrio.
La fabricación de productos de vidrio es una de las técnicas más difundidas,
aplicándose tanto a producciones a gran escala como a la obtención de
elementos individuales.
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Procesado del vidrio.
El material de base del vidrio es el sílice, aunque éste se combina
generalmente con otros óxidos para formar distintos tipos de productos con
diferentes características.
La secuencia típica de procesado de estos materiales sigue los siguientes
pasos:
Preparación de la
materia prima
Fusión
Conformado
Tratamiento térmico
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Preparación de la materia prima.
La materia de partida del vidrio es, comúnmente, el cuarzo de la arena. Para
garantizar que el material no presenta impurezas, la arena debe previamente
lavada y clasificada por tamaño de grano.
Aunque se pueden procesar todos los tamaños de grano, el tamaño más
adecuado para la obtención del vidrio oscila entre 0,1 y 0,6 mm.
Una vez preparada la arena, se añaden otros componentes (NaOH, CaCO3,
Al2O3, ...) para ajustar la composición del material, así como se reaprovecha
el vidrio reciclado, que facilita la fusión del material.
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Fusión.
El proceso de fusión se efectúa en hornos especiales, preparados para
dichos material, con rangos de temperatura entre los 1500-1600°C.
Dependiendo de ésta, se consigue una determinada fluidez del material para
su posterior conformado.
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Conformado.
La técnica de conformado está directamente relacionada con el volumen de
producción que se desea y la forma geométrica del producto a obtener.
La clasificación general de estos procesos se muestra a continuación:
Moldeo por fundición
Moldeo centrifugado
Prensado
Soplado
Laminación
Conformado de fibras
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Moldeo por fundición.
De forma similar al moldeo de materiales metálicos, cuando el vidrio
fundido presenta una fluidez elevada, éste puede ser colado en el interior de
un molde para que adquiera su forma.
El enfriamiento de este tipo de piezas (p.e., lentes, espejos) debe realizarse
con gran lentitud para evitar tensiones internas en el material, que
provoquen el agrietamiento de la pieza.
Este tipo de proceso requiere en la gran mayoría de casos de un
postprocesado de acabado por esmerilado y pulido, lo que supone que no
sea utilizado a gran escala.
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Moldeo por prensado.
Este tipo de técnica es la más empleada en la fabricación en serie de
productos de vidrio, generalmente con formas cuasiplanas.
Este tipo de técnica permite la obtención de piezas de relativa sencillez de
formas, así como piezas con grandes detalles superficiales.
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Moldeo centrifugado.
El moldeo centrifugado de vidrio es una técnica similar a la fundición
semicentrífuga de los metales, con la que se obtienen productos de forma
cónica (tubos de rayos catódicos).
Masa de vidrio
fundida
Molde
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Soplado.
El soplado del vidrio puede realizarse de forma manual o automática, en
función del volumen de producción y de la complejidad de formas de la
pieza final.
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cerámicos. 40
Soplado.
El proceso automatizado se realiza normalmente en dos etapas: una primera
en la que se obtiene una preforma, y que puede ser realizada por la técnica
de prensado o soplado, en función del tamaño de la boca y cuello de la
pieza.
La segunda fase es de soplado estrictamente, en la que se genera la pieza
definitiva por introducción en el molde de soplado de la preforma obtenida
en la fase anterior.
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Soplado.
Aire
Cuello
Punta
Aire
Aire
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Laminado.
El laminado de placas de vidrio se realiza mediante una operación
combinada de estirado y laminación, tomando, en cualquier caso, la masa
fundida mediante unos rodillos y enfriándola rápidamente para que
adquiera la forma plana deseada.
Lámina
Rodillo de Rodillos
guiado laminadores
Escudo térmico
Masa fundida
Lámina
Rodillos de soporte
Horno
Masa fundida
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Conformado de tubos.
Esta operación se asemeja al proceso de laminación, con la diferencia del
empleo de un mandril giratorio que produce el ahuecado del perfil y la
generación del tubo.
Masa fundida
Mandril
giratorio
Tubo
Rodillos de soporte
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Tratamiento térmico.
Los productos de vidrio requieren en ciertas ocasiones un tratamiento
térmico posterior para mejorar sus características. Los procesos básicos son
el recocido y el templado.
El proceso de recocido tiene por objetivo el reducir las tensiones internas en
el material que reducen su resistencia mecánica.
Este tratamiento se realiza a una temperatura elevada (500°C),
manteniéndose durante un periodo de tiempo suficiente para eliminar los
esfuerzos y los gradientes de temperatura. El enfriamiento se realiza en dos
etapas, una primera lenta que evita las tensiones y una posterior más rápida
hasta la temperatura ambiente.
El parámetro fundamental que condiciona el proceso (velocidades, tiempos)
es el espesor del material.
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Tratamiento térmico.
El tratamiento de templado se realiza cuando se desea introducir un estado
de tensiones internas controlado en el material con el objetivo de
incrementar la tenacidad del material.
El calentamiento se realiza a una temperatura superior a la de recocido, con
un enfriamiento rápido posterior al aire.
Con este tratamiento se genera una capa superficial comprimida, con una
elevada resistencia al rayado y a la rotura.
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cerámicos. 46
Acabado.
Ciertos productos de vidrio precisan de operaciones de acabado, para la
mejora de ciertos aspectos geométricos.
Las operaciones básicas de acabado son las de esmerilado, pulido y corte,
siendo las dos primeras las empleadas en la mejora de la calidad superficial
(brillo, eliminación de ralladuras), mientras que la última se emplea para
ajustar las dimensiones principales del producto.
Otras operaciones de acabado son el ataque con chorro de arena y el ataque
químico, con el objetivo de dar ciertas características superficiales al vidrio.
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