CAPITULO 9 Materiales Ceramicos

Introducción a la Ciencia de Materiales – Capítulo 9- 1

Materiales Cerámicos

Los cerámicos son compuestos formados por elementos metálicos y no

metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente

iónico, o bien de carácter predominantemente iónico con algún carácter

covalente.

El término cerámico proviene de la palabra griega “keramicos” que significa

“cosa quemada”, indicando de este modo que las propiedades de estos

materiales se alcanzan generalmente después de un tratamiento térmico a alta

temperatura que se denomina cocción.

Las composiciones químicas pueden ser sencillas o muy complejas (un

compuesto simple o una mezcla compleja de muchas fases enlazadas)

Las propiedades también varían mucho debido a la diferencia de enlaces. En

general son:

Duros y frágiles

Bajísima tenacidad y ductilidad

Usualmente buenos aisladores térmicos y eléctricos.

Elevado punto de fusión

Estabilidad química.

Suelen clasificarse como:

Cerámicos tradicionales: arcilla, sílice, feldespato, ladrillos, etc.

Cerámicos especiales o de ingeniería: suelen ser compuestos puros o casi

puros como Al2O3, SiC, Si3N4, etc.

9.1 Estructuras cerámicas:


Como los enlaces suelen ser iónicos, existen en su estructura aniones (-) y

cationes (+). El enlace entre estos iones puede constituir una red ordenada,

entonces se habla de cerámicos cristalinos.

9.1.2. Factores que determinan la estructura cristalina

Hay dos características que determinan la estructura cristalina de los iones que

componen los materiales cerámicos.

- el valor de la carga eléctrica de los iones componentes

- los tamaños relativos de los cationes y aniones.

Las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los

aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión. El número

de coordinación (o sea, el número de aniones más próximo a un catión), está

relacionado con el cociente entre los radios de los cationes y de los aniones.

Para un número de coordinación específico existe un valor crítico o mínimo de

rc / ra para el cual este contacto entre catión y anión es estable.

Figura Nº 9.1 Configuraciones estables para formar cerámicos cristalinos

9.1.3.- Estructuras Cristalinas del tipo AX

Algunos de los materiales cerámicos más comunes son aquellos en los cuales

el número de cationes y aniones es el mismo. Estos se refieren a menudo

como compuestos AX, donde A indica el catión y X el anión. Existen varias

estructuras cristalinas distintas para los compuestos AX, cada una de ellas se


describe mediante el nombre de un material común que tiene esta particular

estructura.

Tabla Nº 9.1 Números de coordinación para formar estructuras cristalinas

9.1.3.1 Estructura del Cloruro sódico

Quizás es la estructura cristalina más común del tipo AX. El número de

coordinación tanto para los cationes como para los aniones es 6, entonces el

cociente entre el rc y el ra está comprendido entre 0.414 y 0.732.


9.1.3.2 Estructura del Cloruro de Cesio

El número de coordinación es 8 para ambos tipos de iones. Los aniones están

colocados en cada uno de los vértices del cubo, mientras que en el centro del

cubo hay un catión.

9.1.3.3 Estructura del Sulfuro de cinc

Una tercera estructura AX es una en la cual el número de coordinación es 4; o

sea, todos los iones están en coordinación tetraédrica. Se denomina estructura

de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al nombre dado al mineral

de sulfuro de cinc.

9.1.3.4 Estructuras Cristalinas del tipo AmXp

Si las cargas de los cationes y de los aniones no son iguales, entonces puede

existir un compuesto con la fórmula química AmXp donde m y/o p son diferentes

de 1; por ejemplo la fluorita(CaF2). El cociente de radios iónicos rc/ra para el

CaF2 es alrededor de 0.8. Los iones de calcio están colocados en el centro de

los cubos con iones fluoruro en los vértices.

9.1.3.5 Estructuras cristalinas del tipo AmBnXp

También es posible para los compuestos cerámicos el tener mas de un tipo de

catión; para dos tipos o cationes (representados por A y B), su fórmula química

puede representarse por AmBnXp. El Titanatio de Bario (BaTiO2) pertenece a

este grupo. A temperaturas superiores a 120°C, la estructura cristalina es

cúbica. Los iones Ba+2 están situados en los 8 vértices y un ion Ti+4 está en el

centro, con los iones O-2 localizados en el centro de cada una de las seis caras.


Tabla Nº 9.2 Resumen de estructuras cristalinas más comunes de los

materiales cerámicos

Figura Nº 9. 2 Celdilla Unidad de la estructura cristalina del Cloruro de Cesio (ClCs)

Figura Nº 9.3 Celdilla Unidad de la estructura cristalina de la Blenda (ZnS)


9.2 Propiedades mecánicas

Los materiales cerámicos tienen aplicación limitada debido a sus propiedades

mecánicas, las cuales en muchos aspectos son inferiores a la de los metales.

La principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil

con muy poca absorción de energía.

9.2.1 Fractura.- A la temperatura ambiente, las cerámicas casi siempre se

rompen antes de que ocurra alguna deformación plástica en respuesta a

cualquier carga de tracción.

El proceso de fractura frágil consiste en la formación y propagación de fisuras a

través de la sección del material en una dirección perpendicular a la carga

aplicada. Los defectos presentes en el material, actúan como concentradores

de esfuerzos amplificando la carga. En el caso de los cerámicos, además de

los defectos que se han mencionado en otras partes del curso, es muy

importante la presencia de poros producidos por los procesos de conformado

habituales en los cerámicos.

Figura 9.5 Celdilla Unidad de la estructura de la cristalina de la Fluorita.

Figura 9.4 Celdilla Unidad de la estructura de la cristalina de la Perouskita


9.2.2 Resistencia.- En cuanto a la resistencia, los cerámicos suelen

comportarse muy bien a compresión, pero peor a tracción –también en esto

influye la porosidad-. Esta propiedad suele evaluarse mediante un ensayo de

flexión y no de tracción como es habitual en otros tipos de materiales.

Figura Nº 9.6 Esquema ensayo de flexión para determinar resistencia en materiales cerámicos

9.2.3 Comportamiento elástico.- El comportamiento elástico tensión -

deformación de los materiales cerámicos ensayados o flexión es similar al

comportamiento de los metales en ensayos de tracción: existe una relación

lineal entre la tensión y la deformación.

Dureza.- Una propiedad mecánica beneficiosa en las cerámicas que su dureza,

la cual es a menudo utilizada cuando se requiere una acción abrasiva o de

desbaste; de hecho los materiales más duros conocidos son los cerámicos.


9.2.4 Fluencia en caliente.- A menudo, los materiales cerámicos experimentan

deformación por fluencia al ser expuestos a tensiones (usualmente de

compresión) a temperaturas elevadas. En general, el comportamiento tiempo-

deformación para la fluencia de las cerámicas es similar a la de los metales; sin

embargo la deformación por fluencia en cerámicas ocurre a temperaturas más

altas.

9.3 Porosidad

Es uno de los defectos más importantes de los cerámicos. Al compactar o

conformar las partículas de polvo para obtener la forma deseada, entre dichas

partículas se forman poros, es decir espacios vacíos, pequeñas cavidades

rellenas de aire, en general irregulares. Su tamaño varía entre: 10-6m y 10-4m.

Pueden ser de dos tipos: abiertos y cerrados.

Son cerrados si están aislados dentro del sólido y son abiertos cuando están

interconectados por canales que lleguen a la superficie del sólido. El cerámico

tendrá mayores propiedades aislantes a mayor porosidad, pero los poros

obviamente son indeseables en el producto final ya que disminuye la

resistencia mecánica, así como la resistencia al ingreso de líquidos o gases al

interior del cerámico.

Figura 9.7 Porosidad en un material cerámico

Existen muchas formas de calcular la porosidad de un material, pero la más

común es aplicando esta fórmula:

donde: γ=densidad aparente; δ =densidad real

1001 ×

−=ργ

TOTALP


Durante el tratamiento térmico siguiente al proceso de conformado, mucha de

esta porosidad es eliminada, sin embargo, a menudo ocurre que este proceso

de sinterización es incompleto o permanece alguna porosidad permanente.

Cualquier porosidad residual tendrá un efecto negativo en las propiedades

elásticas, en la resistencia, en la difusión y también en la permeabilidad.

Por otra parte, la resistencia de un material depende de la densidad, forma de

los poros y la orientación de los mismos

9.4 Cerámicos formados por silicatos

Los silicatos son materiales compuestos principalmente por silicio y oxígeno,

los dos elementos más abundantes de la corteza terrestre; por consiguiente, la

mayor parte de los suelos, rocas, arcilla y arena son clasificados como silicatos.

Suelen caracterizarse utilizando varias combinaciones de tetraedros de SiO-4.

Estas unidades pueden combinarse en distribuciones de una, dos o tres

dimensiones dando lugar a las diferentes estructuras de los silicatos.

9. 4.1 Sílice

Figura Nº 9.8 Efecto de la porosidad sobre la resistencia transversal de la alúmina pura.


El silicato más sencillo es el dióxido de silicio 2SiO . Estructuralmente es una

red tridimensional que se genera cuando todos los átomos de oxígeno de cada

tetraedro son compartidos con tetraedros los adyacentes. Es eléctricamente

neutro y todos los átomos tienen estructuras electrónicas estables.

Figura Nº 9.9 Tetraedro Silicio-Oxígeno 44−−−−SiO

Si todos los tetraedros se colocan una forma regular y ordenada, se forma una

estructura cristalina. Existen tres formas cristalinas polimórficas primarias de la

sílice: cuarzo, cristobalita y tridimita. Sus estructuras son relativamente

complicadas y comparativamente abiertas; o sea, los átomos no están

empaquetados al máximo.

Figura Nº 9.10 Formas alotrópicas de la sílice


Figura Nº 9.11 Red cristalina de la cristobalita

También pude existir como sólido no cristalino o vidrio, con distribución atómica

al azar, se denomina sílice fundida o sílice vítrea.

Figura Nº 9.12 Sílice cristalina y sílice amorfa

9.4.2 Silicatos

Cada átomo de silicio está unido cuatro átomos de oxígeno, los cuales están

situados en los vértices del tetraedro; el átomo de silicio está colocado en el

centro. Puesto que esta es la unidad básica de los silicatos, frecuentemente se

considera una entidad cargada negativamente.

Las varias estructuras de los silicatos se originaba partir de las distintas

maneras en que las unidades de 44−−−−SiO pueden combinarse en distribuciones

de una, dos o tres dimensiones.


En los silicatos, uno, dos o tres de los átomos de oxígeno del tetraedro son

compartidos por otros tetraedros para formar estructuras más complejas.

Los cationes cargados positivamente, tales como Ca2+, Mg2+ y Al3+

desempeñan dos funciones: en primer lugar, compensan las cargas negativas

de las unidades del tetraedro de manera que se alcance la neutralidad de la

carga; en segundo lugar, sirven de enlace iónico entre los tetraedros.

9.4.3 Silicatos simples

Son los más sencillos, desde el punto de vista estructural y tienen tetraedros

aislados. El ión 672−−−−OSi se forma cuando dos tetraedros comparten un átomo

de oxígeno común. La akermanita es un mineral que tiene el equivalente de

dos iones de Ca2+ y uno Mg+2 enlazados a cada unidad de 672−−−−OSi

9.4.4 Silicatos laminares

Figura Nº 9.13 Cinco estructuras de los iones en los silicatos formados

a partir de tetraedros 44−−−−SiO


Puede producirse una estructura bidimensional en forma de capa o láminas

compartiendo tres iones de oxígeno en cada uno de los tetraedros.

En esta estructura la fórmula unidad que se repite se puede representar por

52OSi . Los materiales resultantes se denominan silicatos laminares, y su

estructura básica es característica de las arcillas y otros minerales.

Uno de los minerales de arcilla más comunes, la caolinita, tiene una estructura

de silicatos laminar relativamente sencilla ya que está formada por dos capas.

9.5 Carbono

El carbono es un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como

en estado amorfo. Este grupo de materiales no cae dentro de ninguna de las

clases tradicionales en que se clasifican los materiales: metales, cerámicas y

polímeros.

9.5.1 Diamante: El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a

temperatura ambiente y a presión atmosférica. Su estructura cristalina es una

variante de la blenda, en la cual los átomos de carbono ocupan todas las

posiciones. Así cada átomo de carbono está unido con otros cuatro átomos de

carbono y estos enlaces son totalmente covalentes. Tiene alta conductividad

térmica, baja conductividad eléctrica, es extremadamente duro, tiene un alto

índice de refracción y transparencia.

Figura Nº 9.14 Esquema de la estructura laminar de la caolinita.


El enlace C-C es muy fuerte (347.7 kJ�mol-1 ) lo que explica la dureza de la

sustancia, su elevado punto de fusión (3500ºC) y el bajo coeficiente de

expansión térmica. La direccionalidad del enlace covalente explica su fragilidad

y posibilita el tallado según unas direcciones perfectamente definidas (Joyería).

No es conductor eléctrico Sin embargo es un excelente conductor térmico (5

veces más elevada que el Cu). Disipa más rápidamente el calor por ello se

utilizan en las fresas de maquinaria para cortar acero. La rápida disipación del

calor hace que el corte sea más rápido y la duración de la fresa mucho mayor.

Es químicamente inerte. No es atacado por bases o ácidos no oxidantes

9.5.2 Grafito: El grafito es otro polimorfo del carbono; tiene una estructura

cristalina bien distinta a la del diamante y es también más estable que el

diamante a la temperatura y presión ambiente. La estructura del grafito está

compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente;

dentro de las capas, cada átomo de carbono está unido a tres átomos

coplanares por enlace covalente.

Tiene conductividad eléctrica relativamente alta, buena estabilidad química a

temperaturas elevadas, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de

dilatación térmica, fácil mecanización.

Figura Nº 9.15 Estructura cristalina del diamante.


9.5.3 Fulleneros: Otra forma polimórfica del carbono. Existe en forma

molecular, y consiste en una red esférica de 60 átomos de carbono; una

molécula sencilla se indica por: C60. Cada molécula está compuesta por grupos

de átomos de carbono que están enlazados uno junto a otro para formar

configuraciones hexagonales (6 átomos de carbono) y pentagonales (5 átomos

de carbono). La simetría molecular exhibe la simetría de un balón de fútbol.

Cuando se añade potasio a su estructura, el material resultante tiene una alta

conductividad eléctrica y posee las características de un metal.

Figura Nº 9.16 Moléculas de Fullereno

Los fullerenos tienen unas propiedades muy distintas del grafito o del diamante.

Mientras que grafito y diamante son insolubles en disolventes líquidos, los

fullerenos, como buenos compuestos moleculares, se disuelven en disolventes

orgánicos.

Si bien el C-60 es estable en la oscuridad, si se le expone al aire y a luz UV, la

jaula se rompe en fragmentos. Se usa en la fabricación de semiconductores y

se comporta como superconductor a 18ºK

9.6 Clasificación de los materiales cerámicos según su aplicación

De acuerdo a su aplicación, las cerámicas pueden clasificarse como sigue:

Vidrios:

icasvitrocerám

vidrios


Productos de arcilla:

Porcelanas

arcilladelesestructuraoductosPr

Refractarios:

Especial

Básico

Sílice

arefractariArcilla

Abrasivos

Cementos

Cerámicas avanzadas.

9.6.1 Vidrios

Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros óxidos,

principalmente CaO, Na2O, K2O, Al2O3, los cuales influyen en las propiedades

el vidrio. Posiblemente las dos principales propiedades de estos materiales son

transparencia óptica y la facilidad con que se pueden fabricarse.

9.6.2 Propiedades de los vidrios

Los materiales vítreos, o sea no cristalinos, no solidifican de la misma manera

que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso

de forma continua a medida que la temperatura disminuye; no existe una

temperatura definida la cual el líquido se transforme sólido, tal como ocurre en

los materiales cristalinos. De hecho, una de las distinciones entre materiales

cristalinos y no cristalinos, se basa en la dependencia del volumen específico

(o volumen por unidad de peso, es decir, el recíproco de la densidad) con la

temperatura. En el caso de los materiales cristalinos, existe una disminución

discontinua en volumen a la temperatura de fusión. Sin embargo, para los


materiales vítreos el volumen disminuye continuamente con la reducción de la

temperatura; la temperatura a la cual se produce un ligero cambio en la

pendiente, se denomina temperatura de transición vítrea, Tg. Por debajo de

esta temperatura, se considera que el material es un vidrio; por encima,

primero es un líquido súper enfriado, y, finalmente, un líquido.

Figura Nº 9.17 Comparación del comportamiento volumen específico con la temperatura en materiales cristalinos y vítreos

9.6.3 Conformado del vidrio

El vidrio se produce calentando las materias primas a temperaturas elevadas

por encima de la temperatura de fusión. La mayoría de los vidrios son de la

variedad sílice-sosa-cal. La sílice se aporta normalmente como arena de

cuarzo común, mientras que el Na2O y el CaO se añaden en forma de ceniza

de sosa y piedra caliza. Para muchas aplicaciones, cuando la transparencia

óptica es importante, es esencial que el producto de vidrio sea homogéneo y

sin poros. La homogeneidad pueda alcanzarse por fusión completa y por

mezclado de las materias primas. La porosidad se forma a partir de pequeñas


burbujas que se producen; éstas deben absorberse en el material fundido o ser

eliminadas, lo cual requiere el adecuado ajuste de la viscosidad del material

fundido.

Existen cuatro métodos distintos para fabricar productos del vidrio:

El prensado: se utiliza en la fabricación de piezas con paredes relativamente

gruesas tales como, placas y platos. La pieza del vidrio es formada por

aplicación de presión en un molde de fundición recubierto de grafito y que tiene

la forma deseada; el molde es normalmente calentado para asegurar una

superficie lisa.

El soplado de vidrio: en el caso de objetos de arte, el proceso ha sido

completamente automatizado para la producción de jarros de vidrio, botellas y

bombilla de luz. A partir de una masa de vidrio se forma una preforma temporal

con prensado mecánico en un molde. Esta pieza se coloca en un molde final de

soplado y es forzada adquirir la forma del contorno del molde por la presión de

aire inyectado.

El estirado: se utiliza para conformar piezas largas, tales como láminas,

barras, tubos y fibras, todos los cuales tienen una sección constante. Las

placas de vidrio también pueden fabricarse por laminación en caliente. La

planitud y el acabado superficial pueden mejorarse de forma significativa

mediante flotación de la placa en un baño de estaño fundido a temperaturas

elevadas, la pieza es enfriada lentamente y después es tratada térmicamente

mediante un recocido.

Fibras de vidrio: se forma haciendo pasar el vidrio fundido a través de

pequeños orificios en la base de la cámara. La viscosidad del vidrio, que es

crítica, se controla mediante las temperaturas de la cámara y del orificio

9.6.4 Vidrios tratados térmicamente


Recocido.- Permite eliminar o reducir las tensiones introducidas mediante el

calentamiento del objeto de vidrio hasta el punto de recocido para luego ser

enfriado lentamente hasta la temperatura ambiente.

Temple del vidrio.- El temple térmico busca aumentar la resistencia de una

pieza de vidrio introduciendo de forma intencionada tensiones residuales

superficiales de compresión. Consiste en calentar la pieza hasta una

temperatura adecuada seguido de un enfriamiento rápido en un chorro de aire

o, en algunos casos en un baño de aceiteSe utiliza en aquellas aplicaciones

para los cuales se desea una alta resistencia, lo cual incluye a puertas grandes,

parabrisas de automóviles y lentes.

9.6.5 Cerámicas vítreas

La desvitrificación es el proceso que experimentan la mayoría de los vidrios

inorgánicos cuando se transforman desde un estado no cristalino a un estado

cristalino por el propio tratamiento a temperatura elevada. En algunos vidrios

esta transformación de desvitrificación puede ser controlada hasta el punto de

que puede producirse un material de grano muy pequeño el cual está libre de

estas tensiones residuales; esto se denomina vitrocerámica

Las aplicaciones más comunes de estos materiales son artículos de cocina

para utilizarlos en hornos debidos excelente resistencia choque térmico y a su

alta conductividad térmica. También sirven como aisladores y como sus tratos

para placas de circuitos integrados

9.7 Productos de arcilla

La mayoría de los productos basados en la arcilla se pueden clasificar en dos

grandes clases: los productos estructurales de arcilla y las porcelanas.

Los productos estructurales de la arcilla: incluyen a los 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 altas

temperaturas. En este grupo se incluyen la porcelana, productos de alfarería,

la porcelana fina, artículos sanitarios.

Las arcillas son alúmino - silicatos, formados por alúmina y sílice que contienen

agua enlazada químicamente. Tiene una amplia gama de características

físicas, composiciones químicas estructuras; las impurezas comunes incluyen

compuestos (normalmente óxidos) de bario, calcio, potasio, sodio y hierro, y

también algo de materia orgánica. Las estructuras cristalinas de los minerales

de arcilla son relativamente complicadas; sin embargo una característica

común es una estructura en capas. Los minerales de arcilla que presentan

mayor interés tienen la denominada estructura caolinita.

9.8 Cerámicas abrasivas

Las cerámicas abrasivas son utilizadas para desgastar, desbastar o cortar otros

materiales, los cuales son necesariamente más blandos que el abrasivo, por

consiguiente, el primer requisito de este grupo de materiales es su dureza o

resistencia al desgaste; es necesario también un alto grado de tenacidad para

que no se fracturan fácilmente. Además las fuerzas abrasivas de fricción

pueden producir temperaturas elevadas, de manera que es deseable que

tengan cierta refractariedad.

Los diamantes, tanto naturales como sintéticos, se utilizan como abrasivos,

aunque son relativamente caros. Las cerámicas abrasivas más comunes son el

carburo de silicio, el carburo de tungsteno, el óxido de aluminio y la arena de

sílice.

9.9 Cementos

Los aluminosilicatos forman una parte importante de los cementos. El cemento

tipo Pórtland se obtienen por calefacción de la mezcla adecuada de calcita

3CaCO , arena, 2SiO y arcilla (aluminosilicato) a 1450-1600ºC en un horno


rotatorio. Cuando el cemento se mezcla con arena y agua, fragua dando un

sólido insoluble blanquecino de aspecto similar a las rocas de Pórtland –USA,

de ahí su nombre-. Además se le añade un 2-5% de yeso, OHCaSO 24 2•••• para

ralentizar el fraguado ya que cuanto más lento es este proceso mayor es la

fortaleza del producto final. El cemento Portland constituye el 70% de la

producción mundial de cementos.

9.10 Refractarios

Refractario es todo material no metálico estable a altas temperaturas (es decir

tienen capacidad de soportar altas temperatura sin fundir o descomponerse y la

capacidad de permanecer inertes cuando son expuestos a medios agresivos) y

con la capacidad de producir aislamiento térmico. Aplicaciones típicas incluyen

revestimientos de hornos para el afino de metales, elaboración del vidrio,

tratamiento térmico metalúrgico y generación de electricidad.

9.10.1 Clasificacion de los refractarios

Los refractarios se clasifican de acuerdo con su presentación y su composición

química.

9.10.1.1 Por su presentación los materiales refractarios se dividen en:

� Ladrillos y bloques: la mayor parte de los refractarios se emplean en

forma de ladrillos o bloques confeccionados, secados y cocidos en

hornos cerámicos, con un proceso muy controlado.

� Morteros refractarios. Estos materiales se emplean para unir los

ladrillos refractarios; los tipos más empleados son de arcilla, alta

alúmina, sílice, dolomita y magnesita. Los morteros refractarios pueden

ser de fraguado en caliente o de fraguado en frío, según que necesiten o

no de calor para desarrollar su liga.

� Concretos refractarios. Son mezclas de materiales previamente

molidos y cribados, con agentes químicos y agua que reaccionan para

dar una fuerte liga a temperatura ambiente. El concreto puede instalarse


por vaciado, vibrado o por medio de proyección neumática, esta masa

se deja secar lentamente y se cuece en hornos especiales. Las masas

más utilizadas son las de sílice, dolomita y silicio - aluminosas para los

cubilotes.

� Plásticos y apisonables: Son materiales que se preparan con una

consistencia plástica sin requerir ninguna preparación posterior para su

uso. Las calidades comerciales son similares a los ladrillos de arcilla,

alta alúmina y dolomita. Para usar estos materiales, se apisonan en el

lugar hasta una buena compactación, formando un revestimiento

monolítico. Son muy utilizados en reparaciones de emergencia o en

lugares de difícil acceso con otros materiales

Todas estas presentaciones pueden combinarse con diferentes composiciones

químicas como arcillas refractarias, alta alúmina, magnesita, cromita -

magnesita, sílice, zirconia, carbono de silicio y grafito.

9.10.1.2 De acuerdo con la composición química los refractarios pueden

ser:

� Ácidos: Sílice, Silico-aluminosas.

� Básicos: dolomita, magnesita, cromo-magnesia.

� Neutros: cromo, grafito, carburo de silicio.

Refractarios ácidos.-

� Refractarios de sílice.- El principal componente de los refractarios

denominados ácidos, es la sílice. Estos materiales, bien conocidos por

su capacidad estructural a temperaturas elevadas, se utilizan

ordinariamente en los techos arqueados de los hornos de producción de

acero y vidrio: para estas aplicaciones, se alcanzan temperaturas tan

altas como 1650°C.

Los refractarios de sílice tienen alta refractariedad y alta resistencia

mecánica.


� Refractarios de arcilla.- Los componentes primarios de estas

cerámicas son mezclas de arcilla refractaria de alta pureza, alúmina,

sílice, 25 a un 45% de alúmina

Los ladrillos refractarios de arcilla se utilizan principalmente en la

construcción de hornos, para confinar atmósferas muy calientes y para

aislar térmicamente miembros estructurales de temperaturas excesivas

� Refractarios de alta alúmina.- Contienen del 50 al 99% de alúmina y

tienen temperaturas de fusiones mayores que los ladrillos de barro

cocido. Pueden usarse en condiciones de horneado más severas de

mayores temperaturas que los ladrillos de barro cocido pero son más

caras.

Refractarios básicos.

Los componentes primarios: magnesia (MgO), cal (CaO), mineral de cromo,

hierro, o mezclas de 2 ó 3 materiales de éstos. Sus propiedades más

importantes son: altas densidades, altas temperaturas de fusión y buena

resistencia al ataque químico por escorias básicas y óxidos, son más caros.

Aplicaciones: hornos básicos de producción de acero, en los que el suelo se

reviste de magnesita y dolomita, mientras que las paredes de entrada son de

cromomagnesita, como recipientes para contener las escorias básicas.

Refractarios neutros

� La cromita es un refractario a base de sesqui-óxido de cromo

(45%Cr2O3) y tiene un comportamiento neutro o sea que soporta bien

las escorias y fundentes ácidos o básicos pero posee muy poca

resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de

temperatura.

� El grafito es un refractario de comportamiento neutro, soporta

temperaturas hasta de 1800C y es sensible a las variaciones de

temperatura, pero debe estar en ambientes cerrados y que contengan

óxidos de carbono para evitar su combustión. Se emplean para fabricar


crisoles en la fusión de metales, en electrodos de hornos eléctricos,

piqueras de colada y en el crisol del alto horno.

� El carborundo o carburo de silicio, tiene una elevada conductividad

térmica y gran insensibilidad a las variaciones de temperatura. Se

fabrican piezas especiales y se mezclan a veces con grafito para la

fabricación de crisoles.

� Los refractarios aislantes son ladrillos porosos y de poco peso con una

conductividad térmica mucho menor que los refractarios comunes y una

capacidad de retención del calor, superior a cualquier refractario de

composición similar. Los ladrillos aislantes se usan en la parte posterior

de otros ladrillos de alta refractariedad y alta conductividad térmica,

aunque en algunas oportunidades se pueden emplear directamente

como revestimiento de trabajo si no hay abrasión, ataque de escoria o

contacto con líquidos. Las principales ventajas en el uso de aislante son

la economía en el combustible y la disminución en el tamaño y peso del

revestimiento del horno

9.11. Procesamiento de los cerámicos

Depende del tipo de cerámico que se desea fabricar.

� Proceso de conformado del Vidrio:

fibrasdeConformado

EStirado

Soplado

ensadoPr

� Proceso de conformado de partículas:


→→→→

CocciónSecado

barbotinaenMoldeo

icohidroplástConformado

Isostático

Uniaxial

Caliente

polvoenensadoPr

� Cementación

9.12 Cerámicas tenaces

Se denomina cerámicos tenaces, a aquellos desarrollados con procedimientos

especiales en los que se busca disminuir la fragilidad característica de todo

material cerámico.

Algunos de estos materiales se obtienen agregando aditivos a la matriz

cerámica con el fin de que desvíe la trayectoria de la grieta causante de la

rotura final, caso de los SIALONES, o impidiendo la progresión de la fisura

mediante el aumento de volumen causado por un cambio alotrópico, caso de la

Zirconia parcialmente estabilizada.

9.12.1 Tenacidad de los Sialones

Los sialones densos, son el prototipo de los cerámicos tenaces. Se obtienen

englobando cristales de β nitruro de silicio con otros aditivos como alúmina

para que queden densificados en una matriz cerámica. Esos cristales β,

dispersos en una matriz pero solidariamente unidos a ella, contribuyen a

desviar la trayectoria de las grietas como puede verse en la figura 9.18. Por ello

la energía necesaria para la propagación de la grieta siguiendo una trayectoria


laberíntica es mayor, y ese material resulta más tenaz que una cerámica

ordinaria.

Este modo de mejorar la tenacidad de materiales cerámicos reforzándolo con

fibras, se fundamenta pues, en diseminar el efecto entalla sobre una mayor

superficie. Las fibras, además, suelen tener grapar los labios de las grietas y

esto también contribuye a mejorar la tenacidad.

Figura 9.18. Esquema del fundamento microestructural de la tenacidad en un

Sialón.

9.12.2 Tenacidad de Zirconia parcialmente estabilizada

Recientemente se ha descubierto que las transformaciones de fase en zirconio

combinada con otros óxidos refractarios como CaO, MgO e Y2O3, pueden

producir materiales cerámicos de tenacidad a la fractura excepcionalmente alta.

Consideramos los mecanismos que producen las transformaciones que afectan

a la tenacidad de un material cerámico de ZrO2 al 9% en moles de MgO.

La zirconia pura, ZrO2, existe en tres estructuras cristalinas diferentes:

• Monoclínica. Desde temperatura ambiente hasta 1170ºC

• Tetragonal. De 1170 a 2370 ºC


• Cúbica. Por encima de 2370 ºC

La transformación de ZrO2 pura de estructura tetragonal a monoclínica es

martensítica y no puede ser suprimida por enfriamiento rápido. Además, esta

transformación viene acompañada por un incremento de volumen de alrededor

del 9%, y, por ello, es imposible fabricar artículos de zirconia pura. Sin

embargo, por la adición de alrededor de un 10% en moles de otros óxidos

refractarios tales como CaO, MgO e Y2O3 , la forma cúbica de la zirconia se

estabiliza, gracias a lo cual puede existir a temperatura ambiente en estado

metaestable, y se puede fabricar artículos en este material. La forma ZrO2

cúbica, cuando se combina con óxidos estabilizantes, retiene la estructura

cúbica a temperatura ambiente y se denomina Zirconia Plenamente

Estabilizada.

Recientes investigaciones han dado lugar a materiales cerámicos de oxido de

zirconio refractario con tenacidad y resistencia aumentada aprovechando sus

transformaciones de fase. Uno de los compuestos cerámicos más importantes

derivados de la zirconia es la zirconia parcialmente estabilizada (PSZ), que

contiene un 9% en moles de MgO.

Si una mezcla de ZrO2 - 9 % en moles de MgO se sintetiza a una temperatura

aproximada de 1800 ºC, como se indica en el diagrama de fases del ZrO2 –

MgO de la figura 9.13(a), y después se enfría rápidamente hasta temperatura

ambiente, se encontrará una estructura cúbica totalmente estable. Sin

embargo, si este material se recalienta a 1400 ºC y se mantiene durante

suficiente tiempo, se depositará un precipitado submicroscópico metaestable

fino con estructura tetragonal, tal como se muestra en la figura 9.19 (b). Este

material se le da el nombre de PSZ. Bajo la acción de esfuerzos que originan

pequeñas grietas en el material cerámico, la fase tetragonal pasa a

monoclínica, causando una espansión en el precipitado que retarda la

propagación de grietas por un tipo de mecanismo de sellado de grietas. La

cerámica se “endurece” impidiendo el avance de las grietas, figura 9.13(c). La

Zirconia parcialmente estabilizada tiene una tenacidad a la fractura mayor que

la de cualquier otro material cerámico de ingeniería.


Figura 9.19 Tenacidad de la Zirconia parcialmente estabilizada

CAPITULO 9 Materiales Ceramicos

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