5 | “Cerámicos” Profesor: Jaime Alberto Elizalde Olin Materia: tecnologías y comportamiento de los materiales Integrantes: Gustavo Aguilar Hernández Edgar Flores Luna Jennifer Rivera Marroquín José Armando García Sánchez José María Quintanilla Reyes 7 de mayo del2020 INDICE INTRODUCCION 1 5.1 Procesos de elaboración de cerámicos 2 5.2 Procesos de elaboración de vidrios y esmaltes 3 5.3 Proceso de elaboración de cerámicos refractarios 4 5.4 Propiedades de los productos cerámicos 5 5.5 Cerámicos avanzados 6 Conclusiones 7 INTRODUCCION Bajo esta denominación están los elementos fabricados a partir de materiales terrosos cocidos. Las materias primas son arcilla (le da consistencia) o caolín (que es un tipo de arcilla muy pura y le aporta color blanco y textura fina) que, una vez moldeada, se somete a un proceso de secado y cocción posterior que le hace perder agua y convierte a estos materiales en duros pero frágiles. Son silicatos de aluminio hidratados. Se emplean también aditivos como cuarzo, colorantes y fundentes. Propiedades generales: Químicamente inertes Plásticos cuando se introducen en agua Duros y frágiles en ausencia de agua Resisten altas temperaturas Baja porosidad Clasificación: Cerámicos porosos: No han sufrido vitrificación (que adoptan un aspecto similar al vidrio), pues no llega a fundirse el cuarzo con la arena. Destaca la arcilla cocida y la loza (cuya materia prima es la arcilla). Cerámicos impermeables: Ha sufrido vitrificación, pues la mezcla ha sido sometida a altas temperaturas y el cuarzo llega a fundirse con la arena. Destacan el gres y la porcelana (cuya materia prima es el caolín). Cerámicos más empleados Ladrillos y tejas: fabricados con arcilla de muy diversa calidad, según la zona geográfica de procedencia. Una vez moldeados se secan y cuecen a 900 – 1200ºC, lo que aumenta su resistencia mecánica. Existen muchas calidades y formas según la aplicación deseada. Azulejos y pavimentos cerámicos: hechos con arcillas especiales que, durante su moldeo, se prensan a altas presiones y se revisten de un material (barniz coloreado) que, tras el proceso de cocido presenta una dureza alta. Porcelana y loza: a base de caolín, arcillas blancas, sílice y feldespato finamente pulverizados. La porcelana está totalmente vitrificada tras ser sometida a dos procesos de cocción; sin embargo, la loza sólo presenta su cara externa vitrificada. Poseen una especial resistencia al calor y a agentes químicos por lo que, más que en construcción, se emplean para material de cocina y sanitarios (loza), laboratorio, aislantes eléctricos (porcelana)... Materiales refractarios: Formados por arcillas refractarias, de alto contenido en sílice. Se usan para revestimiento de hornos industriales (altos hornos y convertidores) y otras aplicaciones, donde deben resistir altas temperaturas sin fracturarse. Soportan entre 1400 – 1600ºC. Para temperaturas superiores se añade un aglomerante orgánico. Los componentes piezocerámicos actúan como sensores para los controles electrónicos y les facilitan información sobre el funcionamiento silencioso del motor del vehículo, la posición o cambios en la dirección. Los componentes electrónicos basados en los sustratos cerámicos reaccionan a esta información, controlan la gestión del motor y los sistemas de seguridad, como el ABS o el ASR, y liberan el airbag cuando es necesario. En los motores, las piezas cerámicas resistentes al calor, como los componentes de válvulas, los refuerzos en el alojamiento del cigüeñal y los componentes de bombas de agua y combustible, garantizan un aumento de la eficacia y un menor desgaste, además de reducir las emisiones de ruidos. Los compuestos de cerámica y metal abren un mundo de nuevas posibilidades en la construcción de metales ligeros. Asimismo, los modernos sistemas de luces LED halógenas o de xenón con componentes cerámicos mejoran de forma significativa la visibilidad, y los componentes de cerámica blindada diseñados para la protección balística de vehículos proporcionan la seguridad necesaria para vehículos militares y de emergencia. El uso de materiales cerámicos de corte SPK® y de herramientas de precisión en la fabricación de automóviles garantiza la eficiente producción de componentes para vehículos fabricados con hierro fundido o aceros endurecidos. En contraste con las cerámicas tradicionales, las cuales se basan principalmente en los silicatos, las cerámicas técnicas, avanzadas o de ingeniería, están constituidas principalmente de compuestos puros o casi puros; principalmente de óxidos, carburos o nitruros. Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina, Al2O3, nitruro de silicio, Si3N4, carburo de silicio SiC, y circonia, ZrO2 combinados con algunos óxidos refractarios. Las temperaturas de fusión y las propiedades mecánicas de estos materiales se muestran en la tabla 14.4. Tabla 14.4. Propiedades mecánicas de algunas cerámicas avanzadas. La alúmina, Al2O3, con punto de fusión superior a los 2000°C, se desarrollo inicialmente, debido a su elevada refractar edad, para tubos y crisoles a elevada temperatura. Un ejemplo clásico de utilización de la alúmina es como material aislante de las bujías. El óxido de aluminio se modifica con magnesia, obteniendo por prensado en frío y posterior sinterizado una microestruc-tura exenta casi completa-mente de porosidad, tal como aparece en la figura 14.19, que muestra un grano muy uniforme y monofásico, tal como corresponde a un óxido de elevada pureza. La alúmina que tiene una gran dureza, se utiliza en equipos de molienda y mezclado, elementos sometidos a rozamiento a elevada temperaturas, como boquillas de colada de metal fundido, y para aplicaciones eléctricas, como material aislante allí donde se precisen bajas pérdidas y alta resistividad. Figura 14.19. Microestructura de alúmina sinterizada a 1700°C, prácticamente sin porosidad, X500. De todas las cerámicas avanzadas, el nitruro de silicio tiene probablemente la combinación de propiedades más útil para propósitos industriales. El Si3N4 se disocia significativamente a temperaturas por encima de los 1800°C y por consiguiente no puede sinterizarse directamente. El Si3N4 se procesa por lo tanto a partir de polvo compactado de sílice que se nitrura en una corriente de gas nitrógeno, interviniendo fenómenos de difusión. Este proceso produce un Si3N4 microporoso y con una moderada resistencia. Para mejorar sus propiedades puede someterse a un proceso de prensado isostático en caliente con el que se obtiene la mayor densidad. Durante el proceso de fabricación por nitruración, cualquier traza de oxígeno presente en el fluido, reacciona ampliamente con el material produciendo una ligera oxidación de conduce por sus propiedades diferenciadas a un nuevo material denominado sialón, con prestaciones igualmente interesantes en ingeniería. Estos materiales se aplican principalmente por sus elevadas resistencias a muy alta temperatura, presentando a su vez una elevada resistencia al desgaste, aunque reaccionan con cierta facilidad en atmósfera oxidante. La circonia pura presenta un muy alto punto de fusión, alrededor de los 2700°C, aunque al ser un material polimorfo y experimentar una transformación desde una estructura tetragonal a otra monoclínica sobre los 1170°C, tiene un mal comportamiento al choque térmico, ya que las transformaciones vienen acompañadas de una expansión de volumen y por lo tanto a la generación de tensiones térmicas que llegan a producir la rotura. Sin embargo, la adición de otros óxidos refractarios, tales como el CaO, MgO e Y2O3, se estabiliza la estructura cúbica a temperatura ambiente, tal como refleja la figura 14.20, por lo que puede aplicarse como material refractario. Figura 14.20. Diagrama de fases de cerámicos ZrO2-CaO. Combinando la circonia con un 9% de MgO y tras tratamientos térmicos adecuados, se produce una circonia parcialmente estabilizada (PSZ) que presenta una tenacidad especialmente elevada, la cual ha dado paso a las modernas cerámicas denominadas tenaces, que expondremos más adelante. 5.1 Procesos de elaboración de cerámicos 1. Extracción: las canteras de arcilla suelen estar cerca de las fábricas, son explotaciones a cielo abierto y la extracción se realiza por medios mecánicos. 2. Preparación de plasta: la arcilla extraía en la cantera hay que convertirla en una masa adecuada para la operación de moldeo en la forma de ladrillos, tejas, tubos,bloques... 3. Amasado: consiste en conseguir una perfecta homogeneización de la materia prima, es decir de las diversas arcillas que se vayan a utilizar, de éstas con los desgrasantes y de todos éstos elementos sólidos con el agua. 4. Moldeo: es dar al producto una configuración externa. 5. Secado: las piezas recién moldeadas si se cocieran se romperían por lo que hay que someterlas al proceso de secado que consiste en la eliminación de la pasta de amasado, hasta reducirla un 5% y se realiza de forma lenta. 6. Cocción: cuando se cuecen las arcillas a altas temperaturas, se producen unas reacciones que provocan en el material una consistencia pétrea y una durabilidad que las hacen adecuadas para el fin que se las destina. Extracción de arcillas. La extracción de arcillas se realiza en canteras y bajo estrictos controles de seguridad y respeto medioambiental. Una vez explotadas las canteras, estas se regeneran para diferentes usos, preferentemente agrícolas. Molienda. Tras la primera mezcla, el proceso de la molienda permite obtener el tamaño deseado de la materia prima para que pueda ser trabajada a continuación. La molienda puede ser realizada por vía seca o vía húmeda. Si se elige la primera opción, se fragmenta la arcilla a la vez que se mantienen los agregados y aglomerados de partículas, con un tamaño de partículas mayor al que resulta de utilizar la molienda por vía húmeda. Amasado. El proceso de amasado consiste en el mezclado íntimo con agua de las materias primas de la composición de la pasta, para obtener una masa plástica moldeable por extrusión. Moldeo. Actualmente se realiza el moldeo con máquinas, llamadas galleteras, que permiten obtener productos cerámicos en serie con la mayor calidad y medidas perfectas. Con este sistema, se reduce el consumo de agua en la industria y se puede trabajar con pastas cerámicas más secas. Cortar y apilar. Tras su paso por la galletera, el material cerámico se corta y apila, antes de su paso por los hornos de cocción. Las cortadoras son las que dan forma a la pieza cerámica que se va a producir. Cocción. Las piezas cerámicas se han apilado en vagonetas que se introducen en los hornos de cocción cerámica. En estos momentos, la tecnología aplicada en los hornos túneles permite lograr una producción industrial de ladrillos y tejas con un excelente rendimiento térmico. Así, se logra reducir el consumo energético y también las emisiones de gases a la atmósfera. Empaquetado. Los materiales cerámicos se empaquetan y almacenan para su posterior comercialización. En algunas empresas, esta función está robotizada. Expedición. Transporte de los materiales cerámicos al punto de consumo o venta. Los materiales cerámicos se fabrican empleando las mejores técnicas de producción que incluyen: Selección cuidadosa de las materias primas durante la extracción de arcillas. La calidad final del material dependerá, en gran medida, de esta primera selección. Mezclado de materias primas mediante pesadas electrónicas en continuo y formulación informatizada. Molienda vía seca. Movimentación totalmente automatizada y, en muchos casos, robótica. Secado y cocción de máxima eficiencia energética. El proceso de fabricación industrial de los materiales cerámicos ha evolucionado notablemente en los últimos años y contempla las siguientes etapas, que en la mayor parte de los casos están automatizadas y, en muchos casos, robotizadas: Extracción de arcillas La extracción de arcillas se realiza en canteras y bajo estrictos controles de seguridad y respeto medioambiental. Una vez explotadas las canteras, estas se regeneran para diferentes usos, preferentemente agrícolas. Con el fin de homogeneizar la materia prima extraída de las canteras, para iniciar su proceso de envejecimiento y maduración, se constituyen lechos de homogenización. La materia prima, procedente de las canteras se almacena antes de entrar en la línea de fabricación. El tipo de almacenamiento depende de si la molienda se hace por vía húmeda o por vía seca. Desmenuzado, mezcla y molienda La preparación de la materia prima utilizada en la elaboración de los materiales cerámicos consiste en un desmenuzado previo a la entrada en la planta y en una molienda en la planta. En el desmenuzado se reduce el tamaño del grano de la arcilla consiguiendo una homogeneización del material, evitando un mayor consumo energético y alargando la vida útil de los equipos. Una vez desmenuzada, los diferentes tipos de arcilla se almacenan en silos. A continuación se mezcla la proporción de arcillas, desgrasantes y posibles aditivos que van a formar la mezcla arcillosa. Para ello se emplean silos independientes con dosificadores o cajones alimentadores. La molienda consiste en una segunda reducción del tamaño de las partículas de arcilla, empleando molinos de martillos, de bolas o de rulos, desintegradores, laminadores, etc. La molienda puede ser realizada por vía húmeda o por vía seca. Amasado Una vez que se han alcanzado los niveles de granulometría requeridos en la materia prima se introduce la arcilla en la amasadora, donde se producirá la primera adición de agua, para obtener una masa plástica moldeable por extrusión. La cantidad de agua que se introduce depende de la humedad con la que venga la arcilla de la cantera y de las condiciones climáticas a las que esté expuesta durante la fase de almacenamiento. Moldeo Posteriormente se hace pasar la arcilla por la extrusora o galletera, donde, mediante bomba de vacío, se extrae el aire que pudiera contener la masa y se presiona contra un molde, obteniendo una barra conformada con la forma del producto. Con este sistema, se reduce el consumo de agua en la industria y se puede trabajar con pastas cerámicas más secas. Cortado y apilado Tras su paso por la extrusora, la barra conformada se hace pasar a través del cortador donde se fijarán las dimensiones finales del producto. El material cerámico se apila en estanterías o vagonetas antes de introducirlo en el secadero. Secado y cocción El material apilado se introduce en el secadero, donde se busca reducir el contenido de humedad de las piezas hasta un 1-2%. El material procedente del secadero entra en el horno túnel para el proceso de cocción, que consta de tres zonas diferenciadas, calentamiento, cocción y enfriamiento. La tecnología actual de los hornos túneles permite lograr una producción industrial de materiales cerámicos con un excelente rendimiento térmico. Así, se logra reducir el consumo energético y también las emisiones de gases a la atmósfera. Empaquetado y almacenamiento Terminado el proceso de cocción, se produce el desapilado de los materiales cerámicos procedentes de las vagonetas, y su depósito sobre la línea de empaquetado y plastificado. Por último, los paquetes se almacenan en el patio exterior a la espera de ser transportados hasta el emplazamiento de las obras. La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en materiales que se calientan posterior mente a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son: 1. preparación del material. 2. moldeado o colada; 3. tratamiento térmico del secado y orneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. PREPARACION DE MATERIALES La mayoría de los productos en tan fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas de estos productos varían dependiendo de las propiedades requerida de la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes pueden ser mesclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas , tales como los ladrillos comunes y tubería para alcantarillado y otros productos arcillosos. TÉCNICAS DE CONFORMADO. Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frio son predominaste en la industria cerámica, pero los procesos de moldeado en caliente también se usan con frecuencia. PRENSADO. La materia prima cerámica puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo dentro de un troquel para formar productos con una forma determinada. PRENSADO EN SECO. Este método se usa frecuente mente para productos refractarios (material de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. Este proceso se puede definir como la compactación uniaxial simultanea y la conformación de un polvo granulado junto con pequeñas cantidades de agua o cimentadores orgánicos de un troquel. COMPACTACIÓN ISOMÉTRICA. en este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado cartucho) que está adentro de una cámara de fluido hidráulico que se aplica presión. Algunos productos de cerámica, como porcelana, productos estructurales de arcilla y algunos componentes electrónicos, contienen una fase vítrea. Esta fase vítrea sirve como un medio de reacción para que la difusión pueda llevarse a cabo a una temperatura más baja que en el resto del material cerámico sólido. Durante la cocción de estos tipos de materiales cerámicos, se lleva a cabo un proceso denominado vitrificación por el cual la fase vítrea se funde y llena los espacios porosos del material. Las etapas básicas en la fabricación de productos cerámicos son : Extracción: obtención de la arcilla, en las canteras, llamadas barrenos, que además de ser a cielo abierto, suelen situarse en las inmediaciones de la fábrica de arcilla. Preparación: Consiste en la molienda primero y la mezcla de las diferentes materias primas que componen el material. La composición variará en función de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una practica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos. Conformación: los métodos de modelado de cerámica que se utilizan mas comúnmente. Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados 8Ver vídeo como se fabrican los azulejos más abajo). Prensado en seco: este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultanea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas Extrusión. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. (Ver vídeo como se fabrican los ladrillos más abajo). Secado: Las piezas recién moldeadas se romperían si se sometieran inmediatamente al proceso de cocción, por lo que es necesario someterlas a una etapa de secado con el propósito es eliminar el agua antes de ser sometida a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24h. para un trozo de cerámica grande. Cocción: al cocer las arcillas a alta temperatura se producen una serie de reacciones que desembocan en una consistencia pétrea y una durabilidad adecuada para el fin para el que se destinan. Como se ha dicho antes la temperatura dependerá del tipo de material. Os dejo, como ejemplo, los siguientes cortos de la serie Así se hace, donde podéis ver el proceso de fabricación de ladrillos y azulejos 5.2 Procesos de elaboración de vidrios y esmaltes 5.3 Proceso de elaboración de cerámicos refractarios 5.4 Propiedades de los productos cerámicos 5.5 Cerámicos avanzados
