Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología de polvos

Procesado de cerámicos en forma de partícula

Introducción: Definición

Esquema principal del proceso de obtención

Obtención de polvos

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M1

Granulación

Ejemplos:

• Procesado del SiC

• Procesado de Si3N4

Zircona PE

“Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por enlaces iónicos y/o covalentes”.

MATERIALES CERÁMICOS

Introducción: Propiedades de los materiales cerámic os

La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere de forma general a la arcilla. Sin embargo, el uso actual de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos.

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M2

Introducción: Clasificación

Vidrios

Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla)

Basados en SiOBasados en SiO22 + aditivos para + aditivos para ↓↓ TTff

��CerámicaCerámica porosaporosa (Ladrillos,(Ladrillos, alfarería,alfarería, loza)loza)��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres) Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y

TRANSPARENTES TRANSPARENTES ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ DUROS A DUROS A TTambamb ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ RESISTENTES A CORROSIÓNRESISTENTES A CORROSIÓN

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M3

Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones:

��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres)��Cerámica refractariaCerámica refractaria ((MagnesitasMagnesitas, , cromitascromitas))

��OxídicasOxídicas��NoNo OxídicasOxídicas

Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y FeldespatosFeldespatos

�� ArcillasArcillas Alfarería,Alfarería, ladrillos,ladrillos, tejastejas……�� PorcelanasPorcelanas AislantesAislantes eléctricoseléctricos (Al(Al22OO33--SiOSiO22--KK22O)O)�� CorideritasCorideritas elementoselementos calefactorescalefactores (Al(Al22OO33--SiOSiO22--MgO)MgO)

Introducción: Clasificación

Según aplicaciones:

Cerámica Estructural

Oxídica

Al2O

3

ZrO2

Mullita

Carburos

Según composición:

Refractarios: Al2O3, MgO, ZrO2

Abrasivos: SiC, Al2O3,diamante

Molde fundido de metales, hornos

Esmeriladoras, polvos pulido, herramientas de corte

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M4

NO Oxídica

Nitruros

Siliciuros

Boruros

Diamante

Eléctricos y magnéticos: BeO, Al2O3, AlN, ZnO, ferritas

Nucleares: UO2

Biológicos: SiC, Al2O3,ZrO2

herramientas de corte

Semiconductores, substratos, imanes, varistores…..

Prótesis, componentes dentales

Combustible nucleas

Esquema general de procesado de los materiales cerá micos

1. Obtención de materia prima en forma de polvo

� Reacción en estado sólido� Precipitación a partir de soluciones� Precipitación a partir de fundidos� Precipitación a partir de fase vapor� Precipitación a partir de intermedios vítreos

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M5

4. Tratamiento térmico

2. Preparación de materia prima

3. Conformado

Esquema general de procesado de los materiales cerá micos

�A partir de polvos�A partir de pulpas

Sin calor Con calorColada en molde permeable

2.Preparación de materia prima

�Natural (molienda-purificación)� Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda)

3.Conformado

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M6

Sin calor Con calor

� Compactación uniaxial

� Compactación isostática (CIP)

� Compresión en caliente� Compactación isostática

en caliente (HIP)� Moldeo por inyección

(PIM)

Colada en molde permeableColada en cintaExtrusión

4.Tratamiento térmico

�Secado�Cocción (sinterizado)

Esquema del proceso de obtención mediante tecnologí a de polvos

•Molienda•Mezcla Húmedo /seco

Polvos•Granulación•Globulización•Spray Drying

Granulado

• Compactación Uniaxial

• Isostática• Extrusión• PIM• Casting• Rapid Prototyping

Conformado

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M7

•Atmósfera•Vacío•SPS•HIP

Sinterización•Rectificado•Recubrimientos•Afilado

Acabado

Procesado: HIP

Etapas:

Prensado isostático en caliente (HIP)

Fluido = gas inerte

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M8

Etapas:-polvo en molde (metálico o vidrio)-vacío en molde-molde en autoclave de ↑ P

Ventajas:-Buena distribución de P en el compacto → uniformidad de prop.-Obtención de formas más complicadas-Para piezas de ↑ dureza

Desventajas:-↑ precio de equipo-Poco control dimensional sobre producto-Discontinuidad del proceso.

"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

Procesado: ‘Tape Casting’

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M9

Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si3N4

Propiedades:� ↑ Dureza� ↑ Resistencia desgaste� ↑ Resistencia a flexión

2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonalSe descompone a temperaturas altas

(1700ºC, N2+Si fundido)

(1880ºC en 1 bar N2)

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M10

� ↑ Resistencia a flexión� ↑ conductividad térmica� ↑ Resistencia a alta T.� Densidad 3 - 3,3 g/cm3

Enlace covalente, dónde el Si presenta hibridación sp3

y el N sp2.

Aplicaciones� Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de

corte, camisas de pistones…

Cerámicas estructurales: Si 3N4

Componentes para turbinas de Si3N4: permiten la entreada de gases más caliente, aumentan la eficiencia en un 40%

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M11

SiSi33NN44 rotoresrotores

Cerámicas estructurales: Si 3N4

Fabricación de los polvos

a) Nitruración de polvos de Si

3Si+2N2→Si3N4

b) Reducción carbotérmica de la sílice3SiO2 +6 C +2N2 →Si3N4 + 6CO

c) Reacción fase vapor

Exotérmica: arde, contaminación con elementos de molienda

Ligera contaminación con grafito

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M12

3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 HCl3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 H2

d) Precipitación y descomposición térmicaa) 3SiCl4 + 6NH3 →Si(NH)2 + 4 NH4Clb) Si(NH) →Si3N4 + 2 HH3

Elevadas trazas de Cl

Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales

Cerámicas estructurales: Si 3N4 ����Principales rutas de procesado

Conformado

Si

Si +aditivos

Si3N4 + aditivos

Nitruración

Aditivos: óxidos metálicos, Y2O3, Al 2O3, MgO, ZrO 2… (3-15%mol)

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M13

SinterizaciónPrensado CalienteHIP

Pieza Final RBSN

Pieza Final SRBSN

Pieza Final SSN

Pieza Final Pieza Final mecanizado

RBSN: Sinterización reactiva: Reaction bonded silicon nitride

En presencia de atmósferas nitrurantes. Proceso largo a T: 1250º-1450ºC. Produce aumento de volumen, porosidad final ∼20%.

SSN: Sinterización Si3N4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T:

1700º-17850ºC

Cerámicas estructurales: Ejemplo: SiCPrimer abrasivo artificial desarrollado a finales XIX (carbodurum). Material estructural para aplicaciones a elevada temperatura .Elevada resistencia a ↑T, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión.

Enlace covalente (12% iónico)Estructura cristalina: polimorfos β y α.

Presenta POLITIPISMO*:

Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes politipos del SiC

SecuenciaNo. hexagonal

(h) No. cubic

(k)

2H AB 1 0

3C ABC 0 1

4H ABCB 1 1

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M14

Estructura cúbica ( β-SiC) a = 4.3596 Ǻ 3C

Estructuras hexagonal y romboédrica (α-SiC):Hexagonal: (a = 3.078 Ǻ; c = n x 5.518 Ǻ)Romboédrico: (a = 3.073 Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R

Densidad (3.21 g/cm 3) y propiedades mecánicas idénticas

Bastidores espejos solares

*Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas.

4H ABCB 1 1

6H ABCACB 1 2

15R ABCACBCABACABCB 2 3

Aplicaciones� Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste,

válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas…

Cerámicas estructurales: SiC

Composite SiC/SiC para componentes de turbinas

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M15

Tras 75000 h de ensayo se demuestra una dismunción de emisión de<15 ppm NOx y <10 ppm CO

Cerámicas estructurales: SiC

Reducción Carbotérmica Polvo irregular

Proceso Acheson (Carborundum).

� A altas T (2300ºC): α-SiC. MoliendaSiO2 + 3C ⇒ SiC (α)+ 2CO

�A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño finoSiO + 3C ⇒ SiO+ 2CO

⇒

Obtención del Polvo de SiC

Edward Goodrich Acheson (Washington, 1856-1931), descubridor del carburo de silicio o carborundum

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M16

⇒

SiO2 + 3C ⇒ SiO+ 2COSiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO

Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico

Estructura β-SiCSiCl4 +CH4 → SiC + 4 HClSiH4 +C2H4 →2 SiC + 6 H2

Reacción Directa (T 1200ºC)

Si +C→ SiC

Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado

� Sinterización por reacción (RBSC)

� Sinterización en estado sólido (SSC)

� Sinterización en fase líquida (LPSC)

Material bifásico que contiene 10% Si.Se forma por reacción de una mezcla SiC-C en Si líquido (vapor). 1550-1650ºC

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M17

Si

SiC primario

Grafito

SiC primario

1650ºC

SiCsecundario ββββ

Si ∼ 10% vol.

Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado

� Sinterización por reacción (RBSC)

� Sinterización en estado sólido (SSC)

� Sinterización en fase líquida (LPSC)

Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4:Coeficiente de difusión muy bajosEnergía superficial intergranular muy elevada “coarsening”Se necesitan polvos muy finosT superiores a 2000ºCAtmósferas inertes.Aditivos: C y BC4

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M18

Aditivos: C y BC4

Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado

� Sinterización por reacción (RBSC)

� Sinterización en estado sólido (SSC)

� Sinterización en fase líquida (LPSC)Sinterización a temperaturas más bajas (1800-2000ºC)Mayor tenacidad (6-7 vs. 3-3.5 MPa·m1/2)Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M19

SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2

Cerámicas estructurales: ZrO 2

La zircona en inyectores para motores diesel� reducción emisiones.

� Excelente resistencia a la

Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M20

� Excelente resistencia a la corrosión y desgaste, evita gripado.

� Aumenta la P de trabajo.