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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO INGENIERÍA METALÚRGICA

1 CERÁMICOS Y REFRACTARIOS

MÉTODOS DE FABRICACIÓN DE CERÁMICOS REFRACTARIOS

La mayoría de los cerámicos refractarios tradicionales son manufacturados

compactando polvos o partículas en matrices que se calientan posteriormente a

enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas

para el procesado de cerámicos por aglomeración de partículas son: (1)

preparación del material; (2) moldeado o colada; (3) tratamiento térmico de

secado (que normalmente no se requiere) y horneado por calentamiento de la

pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las

partículas enlazadas.

1. Preparación de materiales:

La mayoría de estos productos están fabricados por aglomeración de

partículas. Las materias primas para estos productos varían dependiendo

de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las

partículas y otros ingredientes, tales como cimentadores y lubricantes,

pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos

que no necesitan tener propiedades muy críticas, tales como ladrillos

comunes, tuberías para alcantarillado y otros materiales cerámicos, las

materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos.

Algunas veces se combinan ambos procesos (húmedo y seco). Por

ejemplo, para producir un tipo de cerámicos con gran proporción de

alúmina (Al2O3) que sea buen aislante, las partículas de materia prima se

mezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar una

suspensión que posteriormente se atomiza y seca para formar pequeñas

partículas esféricas. Fig. 1.



Fig. 1: Gránulos de cerámica de alta alúmina secados por aspersión

2. 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

predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado

en caliente también se usan con frecuencia. Presado, moldeo en

barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se

utilizan más comúnmente.

A. 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 frecuentemente para

productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y

componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se

puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la

conformación de un polvo granulado junto con pequeñas

cantidades de agua y/o cimentadores orgánicos en un troquel.

La fig.2 muestra una serie de operaciones para el prensado en

seco de polvos cerámicos con el fin de obtener una forma

sencilla. Después del estampado en frio, las partículas



normalmente se calientan (sinterizadas) a fin de que consigan la

resistencia 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. Por ejemplo, se pueden prensar en seco

alúminas, titanatos y ferritas en tamaños que van desde unos

pocos mil (1 mil = 0.001 pulgada) hasta varias pulgadas en

dimensiones lineales a una velocidad de aproximadamente 5000

por minuto.

Fig. 2: Prensado en seco de partículas cerámicas: a) y b) llenado, c)

prensado y d) extracción.

Prensado isostática: en este proceso el polvo cerámico se carga

en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético

(llamado cartucho) que esta dentro de una cámara de fluido

hidráulico a la que se aplica presión. La Fig. 3 muestra una

sección transversal de aislante de bujía en un molde de presión

isostática. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo

uniformemente en todas direcciones, tomando el producto la

forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza

isostáticamente en frio, se ha de pasar por el fuego

(sinterización) para obtener las propiedades y microestructura

requeridas. Productos cerámicos manufacturados por esta vía



son los refractarios, ladrillo, aislantes de bujías, cúpulas,

crisoles, herramientas de carburo y cojinetes. La Fig. 4 muestra

los pasos de fabricación de un aislante de bujía con presión

isostática.

Fig. 3: Sección transversal del dispositivo para conformar un aislante en

un molde de prensado isostático.

Fig. 4: Pasos en la fabricación de una aislante de bujía de encendido por

el método prensado isostático, a) Prensado tosco, b) Aislante torneado

(pulido), c) Aislante cocinado, d) Aislante terminado vidriado y decorado,

e) Sección transversal de una bujía de encendido automotriz armada,

mostrando la posición del aislante.



Prensado en caliente: en este proceso se consiguen piezas

cerámicas de alta densidad y propiedades mecánicas

optimizadas combinando la presión y los tratamientos de

sinterizado. Se utilizan tanto la presión unidireccional como los

métodos isostáticos.

Moldeo en barbotina (Moldeado de vaciado en suspensión): las

formas cerámicas se pueden moldear usando un proceso único

llamado moldeo en barbotina o fundición por revestimiento,

ilustrado en la Fig.5 las etapas fundamentales de este proceso

son:

1. Preparación de un material cerámico en polvo y de un

líquido (generalmente arcilla y agua) en suspensión estable

llamada barbotina.

2. Vertido de la barbotina en un molde poroso, generalmente

fabricado en yeso, que permita la absorción parcial de la

porción liquida de la barbotina por el molde. A medida que

se elimina el líquido de la barbotina, se forma una capa de

material semiduro contra la superficie del molde.

3. Cuando se ha formado un espesor suficiente, se interrumpe

el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la

cavidad (Fig. 5a). esto se conoce como escurrido o

fundición con drenaje. Alternativamente, la forma de un

sólido puede realizarse permitiendo que continúe la colada

hasta que la cavidad del molde se rellene por completo,

como se ilustra en la Fig. 5b. Este tipo de moldeo en

barbotina se llama fundición compacta.

4. Tenemos que dejar secar el material dentro del molde

hasta que alcance la resistencia necesaria para ser

manipulado y retirado posteriormente del molde.

5. Finalmente, hay que realizar el sinterizado para que

consiga las propiedades y microestructura deseadas.



El moldeo por barbotina es ventajoso cuando lo que se requiere

son piezas de paredes delgadas y piezas complejas con paredes

de espesor constante. Se trata de un proceso económico para

desarrollar piezas y obtener producciones reducidas. Se han

introducido variaciones de este método consistentes en someter

la barbotina a presión o a vacío (moldeo a presión o a vacío).

Fig. 5: Moldeo de vaciado de suspensión de piezas cerámicas, a) Moldeo

por drenado en un molde poroso de yeso, b) moldeo sólido.



Extrusión: las secciones transversales sencillas y las formas

huecas de los materiales cerámicos se pueden producir por

extrusión de estos materiales en estado plástico a través de un

troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la

producción de, por ejemplo, ladrillos refractarios, tuberías de

alcantarillado, tejas, cerámicas técnicas y aislantes eléctricas.

Los recursos de utilización más general son las máquinas de

extrusión tipo tornillo sinfín de vacío, que fuerzan al material

cerámico plástico a pasar a través de un troquel de acero duro o

de otra aleación por un tornillo sinfín accionado mediante un

motor (Fig. 6). las cerámicas especiales de aplicación técnica

casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo

alta presión de manera que puedan conseguirse tolerancias

precisas.

Fig. 6: Sección transversal de una combinación de molino mezclador (de

paletas) para materiales cerámicos y una máquina de extrusión de vacío y

barrena.

3. Tratamientos térmicos:

El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría

de los productos cerámicos. Después del conformado, los cuerpos

cerámicos, es decir, los cuerpos verdes (sin hornear), siguen siendo

débiles, contienen agua y otros lubricantes y son porosos. Por lo tanto, se



requiere de un secado y horneado posterior. En esta subsección

consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterización y

vitrificación.

Secado y horneado: durante el secado, la humedad excesiva se

elimina y ocurre grandes cambios dimensionales (Fig. 7). Inicialmente,

el agua existente entre las plaquetas de arcilla o agua interparticular

se evapora y es la causa de la mayor parte de la contracción. A

medida que el secado progresa y se elimina el agua, la distancia entre

partículas disminuye, lo cual se pone manifiesto en forma de

contracción (Fig. 8). Después ocurrirá un cambio dimensional

relativamente pequeño cuando se evapore el agua restante entre los

poros. Para conseguir un secado uniforme de toda la pieza, se

controla cuidadosamente la temperatura y la humedad, minimizando

así esfuerzos, distorsión y agrietamiento.

Fig. 7: Cambio de volumen de un cuerpo cerámico al eliminar la humedad

durante el secado.



Fig. 8: Etapas en la eliminación del agua entre las partículas de arcilla

durante el proceso de secado, a) Pieza húmeda, b) Cuerpo parcialmente

seco, c) Cuerpo totalmente seco.

El secado en la parte interna de un cuerpo se realiza por difusión de

moléculas de agua hasta la superficie, donde ocurre evaporación. Si

la velocidad de evaporación es mayor que la velocidad de difusión, la

superficie se secará (se encoje) más rápidamente que en el interior

con una alta probabilidad de formación de los defectos antes

mencionados. La velocidad de evaporación superficial debe ser, como

máxima, igual a la velocidad de difusión del agua.

La rigidez y la resistencia de una pieza cerámica se obtienen durante

su horneado.

Sinterización: el proceso por el cual pequeñas partículas de un

material son unidas entre sí por difusión en el estado sólido se llama

sinterización. En la fabricación de cerámica, este tratamiento térmico

da por resultado que un producto compacto poroso se transforme en

un denso. La sinterización se usa comúnmente para producir formas

de cerámica a base de, por ejemplo, alúmina, berilea y titanatos.

En el proceso de sinterización las partículas se combinan por difusión

en el estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del

punto de fusión del compuesto que se va a sinterizar. En la

sinterización se lleva a cabo un difusión atómica entre la superficies

de contacto de las partículas, de modo que estas se enlazan

químicamente entre si Fig. 9 y Fig. 10.



Fig. 9: Formación de un cuello durante la sinterización de dos partículas

finas. La difusión atómica tiene lugar en las superficies de contacto y

agranda el área de contacto para formar el cuello.

Fig. 10: Cambios microestructurales que ocurren durante la cocción de un

polvo compactado, a) Partículas después de prensado, b) Coalescencia

de partículas y formación de poros a medida que empieza la sinterización,

c) A medida que la sinterización ocurre, los poros cambian de tamaño y

de forma.

A medida que el proceso avanza, se forman partículas más grandes a

expensas de las más pequeñas como se ilustra en la sinterización de

MgO Fig.11, a medida que las partículas se vuelven más grandes con

el tiempo de sinterización, la porosidad de los compactos disminuye

Fig. 12. Por último, al final del proceso se logra un “tamaño de grano

de equilibrio”. La fuerza impulsora del proceso es la disminución de la



energía del sistema. La alta energía superficial asociada a las

pequeñas partículas individuales originales es reemplazada por la

energía más baja de las superficies del límite de los granos del

producto sinterizado.

Fig. 11: Micrografías electrónicas de barrido de superficies fracturadas de

compactos de MgO (polvos comprimidos) sinterizados a 1430 °C en aire

estático durante a) 30 min (pf = 0.39), b) 303 min (pf = 0.14), c) 1110 min

(pf = 0.09), la superficie recocida de c) se muestra en d).



Fig. 12: Durante el sinterizado, la difusión produce puentes entre las

partículas y finalmente hace que los poros se cierren.

Vitrificación: 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 Fig. 13. Esta fase

vítrea liquida puede reaccionar también con parte del material

refractario sólido restante. Al enfriarse, la fase líquida solidifica una

matriz vítrea o vidriada que une entre sí a las partículas no fundidas.

La fase vítrea proporciona una unión cerámica, pero también causa

una contracción de la totalidad del cuerpo cerámico.



Fig. 13: Durante el horneado, la arcilla y otros materiales fundentes

reaccionan con partículas más gruesas para producir una unión vítrea y

reducir la porosidad.

Altas temperaturas de horneado o partículas más pequeñas producen

mayor vitrificación, menos porosidad y una densidad superior. Una

densidad más elevada mejora las propiedades mecánicas, aunque

reduce la calidad aislante del ladrillo o de la loseta.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

William F. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4ta

edición, Mc Graw-Hill Interamericana Editores, S. A. 2006.

William D. Callister. Ciencia e ingeniería de materiales, Editorial Reverte, S.

A.

Donald R. Askeland. Ciencia e ingeniería de materiales, 3ra edición,

International Thomson Editores.

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