Materiales Cerámicos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIOFACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, INGENIERIA Y AGRIMENSURA

MATERIALES Y PROCESOSTRABAJO PRCTICO MATERIALES CERAMICOS

INTEGRANTES: BLOCH, Joaqun CAPUANO, Gabriel CASTELLARI, Quimei FORNO, Franco FRANKEL, Julin KAVALIUNAS, Juan Matas YZAGUIRRE, Pedro

AO 2011

MATERIALES CERAMICOS MATERIALES Y PROCESOS

INDICEPAGINA CERMICOS.............................................................................................................. 3 INTRODUCCION ....................................................................................................... 3 DEFINICION .............................................................................................................. 3 PROPIEDADES .......................................................................................................... 4 CLASIFICACION......................................................................................................... 4 PROCESAMIENTO PARA CERAMICOS TRADICIONALES ........................................... 5 MATERIAS PRIMAS PRINCIPALES ............................................................................. 5 PROCESOS DE CONFORMADO ................................................................................. 6 PRODUCTOS CERAMICOS ...................................................................................... 10 VIDRIO.................................................................................................................... 10 CARACTERISTICAS .................................................................................................. 11 MATERIAS PRIMAS ................................................................................................ 12 PROCESOS DE PRODUCCION PARA LA FABRICACION DEL VIDRIO PLANO ............ 13 PROCESOS DE PRODUCCION PARA LA FABRICACION DEL VIDRIO HUECO ........... 14 RECOCIDO .............................................................................................................. 15 PRODUCTOS DE VIDRIO ......................................................................................... 15 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 16

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CERMICOS IntroduccinEl trmino cermico proviene de la palabra griega keramikos, que significa cosa quemada, indicando de esta manera que las propiedades deseables de estos materiales generalmente se alcanzan despus de un tratamiento trmico a alta temperatura que se denomina coccin. Hasta hace aproximadamente 40 aos, los materiales ms importante de esta clase de denominaban cermicos tradicionales, que son aquellas para los cuales la materia prima es la arcilla. Los productos considerados dentro de esta familia son porcelana fina, porcelana elctrica, ladrillos, baldosas y tambin vidrios y cermicos refractarias. Ms tarde se han realizado progresos importantes en el conocimiento fundamental de estos materiales y de los fenmenos que ocurren en ellos que son los responsables de sus propiedades especiales. Por consiguiente ha surgido una nueva generacin de estos materiales, y el trmino cermico ha sido utilizado en un sentido mucho ms amplio. De una u otra manera, estos materiales tienen un profundo efecto sobre nuestras vidas; las industriales electrnica, informtica, de comunicaciones, aeroespacial, as como muchas otras se basan en este tipo de materiales.

DefinicinLos cermicos son materiales inorgnicos no metlicos constituidos por elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente por enlaces inicos y/o covalentes Puesto que el enlace atmico en los materiales cermicos es parcialmente o totalmente inico, muchas estructuras cristalinas de los materiales cermicos pueden ser pensadas como compuestas de iones elctricamente cargados en lugar de tomos. Los iones metlicos, cationes, estn cargados positivamente ya que han cedido sus electrones de valencia a los iones no metlicos, aniones, los cuales estn cargados negativamente. Puesto que las cermicas estn compuestas usualmente por lo menos por dos elementos, sus estructuras cristalinas son generalmente ms complejas que la de los metales. X Y

Si X Y son elementos iguales, el enlace es covalente Si X Y son elementos distintos, el enlace es inico3


Propiedades Propiedades mecnicas: Traccin: los cermicos son relativamente frgiles debido a su enlace inico/covalente. La resistencia a traccin vara dependiendo de las condiciones de procesamiento. Compresin: las resistencias a la compresin son normalmente alrededor de 5 a 10 veces ms altas que las de traccin. Impacto: baja resistencia al impacto. Tenacidad: baja capacidad de absorber energa al recibir golpes. Fatiga: como existe una ausencia de plasticidad, la fractura a la fatiga de dichos materiales es poco comn. Dureza: presentan una gran dureza por lo que pueden ser usados como abrasivos.

Propiedades elctricas:La unin ionico-convalente restringe la movilidad inica y electrnica y esto determina que sean buenos aislantes electicos,

Propiedades trmicas:Tiene baja conductividad trmica y por lo tanto son buenos aislantes. Tienen buena resistencia a la termofluencia por sus altos puntos de fusin, en algunos casos por encima de 1200 C Adems son estables en la mayora de los medios ms agresivos gracias a la estabilidad de sus fuertes enlaces, es decir, tienen alta resistencia qumica.

Clasificacin Monocristalinos: se refiere a materiales constituidos por un solo cristal de una nica fase. Ejemplo: Diamante Policristalinos: constituidos por muchos cristales de la misma fase cristalina. Por ejemplo: Revestimientos de piso, porcelanas No cristalinos: son aquellos que se solidifican sin cristalizar. Por ejemplo: Vidrios

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Procesamiento para cermicos tradicionalesPrincipalmente los cermicos son utilizados en: Pisos y revestimientos Elementos de vajilla Elementos sanitarios

Materias primas principales para el conformado de cermicos Oxido de Silicio: Arena (SiO2) Feldespatos: (SiAl) O2 (NaK) Arcillas: Plastificantes

Los cermicos que poseen estos minerales son denominados cermicos triaxiales. De esta manera variando los distintos porcentajes de estos minerales tenemos los diferentes tipos de materiales cermicos que se pueden conformar. Tambin influye la calidad de estas materias primas en la calidad del producto final. En primera instancia se busca conformar lo que se conoce como pieza en verde, es decir una combinacin de las distintas materias primas procesadas obteniendo una pieza conformada y lista para entrar al horno. Hasta esta instancia todava podemos reciclar el material, es decir, modificarlo si es que no cumple con los requisitos buscados. En vista de que la fusin, el moldeo y el procesamiento termomecnico no son opciones viables para los materiales cermicos, estos se conforman a partir de polvos cermicos, una coleccin de finas partculas. La fabricacin de este ltimo se define como la sntesis de los materiales cermicos, cuyo resultado es la barbotina. El proceso de elaboracin de esta consiste en lo siguiente: En un molino cilndrico que contiene el medio moledor, esferas de xido de aluminio, se introducen las materias primas juntos con agua y a partir de un movimiento de rotacin, a una cierta velocidad, se produce la colisin entre el medio moledor y el mineral por una combinacin de la fuerza centrfuga y la cada de las bolas, dando como resultado una reduccin del tamao de las partculas. Las bolas de xido de aluminio se utilizan cuando se buscan producir cermicas de base blanca. En otro caso podran utilizarse bolas de acero de bajo costo siempre y cuando mantengamos un control de la cantidad de hierro que se incorpora mediante el desgaste de estas, ya que el xido de hierro formar parte del material cermico final, modificando ciertas caractersticas como la coloracin. El producto final, la barbotina, es comn para cualquiera de los tipos de conformado presentados a continuacin.5


Procesos de conformadoAqu se presentan los tres procesos principales para conformar cualquiera de las piezas cermicas.

Moldeo o vaciado por escurrimientoLa barbotina se vaca en un molde poroso, normalmente hecho de yeso. El agua de la suspensin es absorbida por el molde por accin capilar dejando detrs una capa slida en las paredes cuyo espesor depende del tiempo. Este proceso puede continuar hasta que la cavidad completa se hace slida, o bien, cuando la capa de las paredes alcanza el espesor deseado. Luego se invierte el molde vertiendo el exceso de la barbotina. A medida que la pieza se seca, se contrae y se despega de las paredes, en este momento el molde puede ser desmontado y la pieza moldeada retirada. La naturaleza de la suspensin es extremadamente importante; debe tener un peso especfico alto y al mismo tiempo debe ser muy fluida y colable. Esto depende de la relacin solido agua y de otros agentes aadidos. Es necesario que la velocidad de moldeo sea alta. Adems, la pieza moldeada debe estar libre de burbujas y debe presentar poca contraccin durante el secado. Las propiedades del molde tambin influyen en la calidad del moldeo. Normalmente como material para este se utiliza yeso, el cual es econmico, relativamente fcil de elaborar en formas complicadas y reutilizable. Muchos moldes se componen de varias piezas que deben montarse antes del moldeo. Este proceso se utiliza extensamente para la manufactura de piezas de arte cermico, piezas de sanitarios y piezas de laboratorio como los tubos cermicos.6


Conformado en hmedoCuando los minerales se mezclan con agua, se hacen altamente plsticos y flexibles y pueden ser moldeados sin fisuracin. La consistencia, relacin agua-arcilla, de la masa hidroplstica debe producir una resistencia suficientemente alta para permitir que una pieza conformada mantenga su forma durante la manipulacin y secado. La tcnica ms comn de conformacin en hmedo es la extrusin (similar a la de los metales). Este proceso es muy utilizado para la fabricacin de ladrillos, tuberas, bloques cermicos y azulejos.

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SecadoEn estos dos procesos es necesario un secado debido a que las piezas tienen una cantidad de humedad no tolerable para el proceso de coccin en los hornos, retienen mucha porosidad y su resistencia es insuficiente. Este es realizado en secaderos en contracorriente de aire seco. Consiste en desplazar las piezas en una direccin dentro de un tnel en oposicin a una corriente de aire seco para evitar un secado brusco. Las piezas que ingresan en el tnel reciben un aire con contenido de humedad mayor gracias a la perdida de humedad de las piezas anteriores. Es de mucha importancia el control de la velocidad de secado, ya que este se produce desde el centro de la pieza a la superficie, por el fenmeno de difusin, donde se produce la evaporacin. Si la velocidad de evaporacin es mayor que la velocidad de difusin, la superficie se secara ms rpidamente que en el interior, con una alta probabilidad de formacin de defectos. La velocidad de evaporacin es controlable con la temperatura, la cantidad de humedad y la velocidad del flujo de aire.

Prensado en secoConsiste en prensar un polvo seco en un molde. Este polvo es obtenido al pulverizar la barbotina en una torre donde al caer entra en contacto con aire seco ascendente. El polvo obtenido tiene la caracterstica de fluir al ser comprimido modificando la disposicin de sus componentes adaptndose al molde. Este proceso permite conformar piezas de gran tamao y ha revolucionado la industria cermica.

Las piezas obtenidas a partir de los tres procesos anteriores son denominadas piezas en verde. Para lograr las propiedades caractersticas de los cermicos es necesario el horneado.

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HorneadoDurante esta ltima etapa, la pieza va a reducir sus dimensiones al experimentar una disminucin de su porosidad. Esta reduccin ha de traducirse en una mejora de sus propiedades mecnicas. Las modificaciones introducidas en este tratamiento trmico son debidas a la coalescencia de las partculas de polvo en una masa ms densa, debido a un proceso denominado sinterizacin. Despus del prensado las partculas estn en contacto unas con otras. Un proceso de calentamiento consigue iniciar una compactacin de estas partculas a travs de la formacin de cuellos en las regiones de contacto en las partculas adyacentes; adems se forma un lmite de grano dentro de cada cuello de forma que cada hueco entre las partculas se convierte en un poro. A medida que progresa la sinterizacin los poros se hacen menores y ms esfricos. La fuerza motriz para la sinterizacin es la reduccin del rea total de las superficies de las partculas por un efecto de la tensin superficial. La energa superficial de la muestra inicial es superior a la energa correspondiente al estado sinterizado. En otras palabras se pasa de un estado disgregado a compacto debido a la presencia del fenmeno de movilidad atmica, proceso de difusin, y por la aparicin de un gradiente generado por la diferencia de curvatura entre la partcula y el cuello.

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Productos cermicos Pisos y revestimientos Elementos de vajilla

Elementos sanitarios

VIDRIOEs un material cermico obtenido a partir de materiales inorgnicos a altas temperaturas. Se distingue de otros cermicos en que sus constituyentes son calentados hasta la fusin y despus enfriados en un estado rgido sin cristalizar.

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Caractersticas TransparenciaAl ser un slido no cristalino no posee bordes de grano y por lo tanto no tiene agentes de dispersin de la luz visible lo cual lo hace transparente.

Propiedades mecnicas Resistencia a traccin, a mayor temperatura menor resistencia a la traccin. Depende del estado de los bordes de vidrio. Mdulo de elasticidad: valor estimado 720000 kg/cm2 Dureza: 6-7 en escala de Mohs.

Propiedades qumicasLa resistencia que ofrece el vidrio al ponerlo en contacto con agentes como el agua o soluciones acuosas de cidos, bases y sales es una propiedad importante de los vidrios lo que los hace tomar ventajas sobre otro tipo de materiales como los plsticos. Los vidrios comunes parecen ser qumicamente inertes pero en realidad tienen un tiempo muy largo en reaccionar.

Propiedades trmicasSe utiliza como aislante trmico, por ello tiene varias aplicaciones en cuanto al confort y al ahorro del consumo de energa.

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Propiedades elctricasA baja temperatura los vidrios multicomponentes son aislantes, pero cuando aumenta la temperatura la resistividad del vidrio disminuye rpidamente por lo tanto puede considerarse como un semiconductor.

Propiedades pticas Refraccin Birrefringencia o doble refraccin Reflexin

Propiedades de transmisin Transmisin de luz Transmisin de calor Transmisin de ruido

Materias PrimasLas materias primas elementales para la conformacin del vidrio son tres: Oxido de silicio, el cual en nuestra regin es extrado ntegramente de la arena, aunque tambin puede obtenerse en otras zonas del cuarzo. Oxido de calcio, se obtiene de piedras en general. Oxido de sodio, el cual se obtiene a partir del sulfato de sodio, este ltimo no corresponde a un mineral sino que debe ser producido por la industria qumica.

La composicin del vidrio comn es 70% de xido de silicio, 15% de xido de sodio, 12% de xido de calcio y el 3% restante corresponde a otros componentes particulares, entre los cuales se puede encontrar las impurezas. En el mercado, el vidrio se comercializa como plano o hueco. Los procesos de produccin para la fabricacin de los dos tipos de vidrios comunes se presentan a continuacin. Todo proceso comienza con el fundido de las materias primas en un horno continuo. Estas se introducen por el extremo de fusin y salen con la misma rapidez por el lado opuesto como vidrio fundido, para despus pasar a las maquinas que le dan forma. Cuando el vidrio sale del tanque de fusin se enfra y endurece rpidamente. Es importante evitar que el vidrio caliente y blando permanezca a la intemperie demasiado tiempo porque se puede cristalizar.

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Procesos de produccin para la fabricacin de vidrio planoSe produce vidrio en placa y en hoja cuando se encuentra en estado lquido, es decir fundido. Las tcnicas incluyen el laminado del vidrio fundido pasndola a travs de rodillos o hacindolo flotar sobre una tina de estao fundido. Este ltimo proceso, llamado flotado, produce en el vidrio una superficie excepcionalmente lisa, debido al contacto con la superficie liquida perfectamente plana. Dado que en el proceso que utiliza rodillos el vidrio se encuentra en contacto con una superficie slida, las imperfecciones de la misma quedarn impresas en la placa. Estos procesos se aplican para la fabricacin de las placas de vidrios para aberturas, accesorios para muebles, etc. Laminado

Flotado

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Procesos de produccin para la fabricacin de vidrios huecosPrensado Se coloca un grumo caliente de vidrio preformado en un molde donde es prensado adquiriendo la forma de este.

Soplado Se coloca una preforma, realizada a travs de prensado, en un molde a temperatura elevada donde es insuflado aire a presin dentro de este el cual adopta la forma. Generalmente utilizado para la fabricacin de botellas, bombillas de luz, etc.

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RecocidoInmediatamente despus que se la ha dado forma a un artculo de vidrio, este es transportado a un horno de recocido continuo, en el cual se vuelve a calentar a una temperatura apropiada con lo que se evitan tensiones dentro del material vtreo. Una de las virtudes del vidrio es la posibilidad del reciclado. Las industrias que se encargan de la fabricacin de vidrio utilizan artculos reciclados como materia prima. Esto ayuda a disminuir los costos energticos, debido a que ya est producido, solo es necesario fundirlo. Adems tanto el reciclado como la industria del vidrio se vieron fuertemente impulsados por las recientes reglamentaciones de preservacin del medio ambiente. Hoy en da el reciclado representa entre el 80 y 90 % de la materia prima para la fabricacin de botellas, uno de los productos principales de esta industria.

Principales productos fabricados con vidrioLas botellas y frascos, pertenecientes a la clase de vidrios huecos son los productos de vidrio que representan mayor porcentaje de produccin.

Otra de las aplicaciones de los vidrios es la implementacin en ventanas y aberturas.

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BIBILIOGRAFA Donald R. Askeland, Pradeep P. Phul; Ciencia e ingeniera de los materiales; 4 ed.; Cengage Learning. Materiales. Estructura, propiedades y aplicaciones; Jose Antonio de Saja Sez, Miguel ngel Rodriguez Prez, M Luz Rodriguez Mndez; Thomson.

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