Esquema general de procesado de los materiales cerámicos
Anuncio
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 Granulación Zircona PE Ejemplos: • Procesado del SiC • Procesado de Si3N4 1 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Introducción: Propiedades de los materiales cerámicos MATERIALES CERÁMICOS 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. “Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por enlaces iónicos y/o covalentes”. 2 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Introducción: Clasificación Vidrios Basados en SiO2 + aditivos para ↓ Tf TRANSPARENTES ⊕ DUROS A Tamb ⊕ RESISTENTES A CORROSIÓN Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla) Cerámica porosa (Ladrillos, alfarería, loza) Cerámica compacta (porcelana, gres) Cerámica refractaria (Magnesitas, Magnesitas, cromitas) cromitas) Arcillas Porcelanas Corideritas Alfarería, ladrillos, tejas… tejas… Aislantes eléctricos (Al2O3-SiO2-K2O) elementos calefactores (Al2O3-SiO2-MgO) Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones: Oxídicas No Oxídicas 3 Tec. Polvos Arcilla, Sílice y Feldespatos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Introducción: Clasificación Según composición: Según aplicaciones: Al2O3 Oxídica ZrO2 Mullita Cerámica Estructural Carburos Nitruros NO Oxídica Siliciuros Boruros Refractarios: Al2O3, MgO, ZrO2 Molde fundido de metales, hornos Abrasivos: SiC, Al2O3,diamante Esmeriladoras, polvos pulido, herramientas de corte Eléctricos y magnéticos: BeO, Al2O3, AlN, ZnO, ferritas Semiconductores, substratos, imanes, varistores….. Nucleares: UO2 Diamante Combustible nucleas Biológicos: SiC, Al2O3,ZrO2 Prótesis, componentes dentales 4 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Esquema general de procesado de los materiales cerámicos 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 2. Preparación de materia prima 3. Conformado 4. Tratamiento térmico 5 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Esquema general de procesado de los materiales cerámicos 2.Preparación de materia prima Natural (molienda-purificación) Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda) 3.Conformado A partir de pulpas Colada en molde permeable Colada en cinta Extrusión A partir de polvos Sin calor Con calor Compactación uniaxial Compactación isostática (CIP) Compresión en caliente Compactación isostática en caliente (HIP) Moldeo por inyección (PIM) 4.Tratamiento térmico Secado Cocción (sinterizado) 6 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Esquema del proceso de obtención mediante tecnología de polvos Polvos • Molienda • Mezcla Húmedo /seco Sinterización 7 Tec. Polvos Granulado • Granulación • Globulización • Spray Drying •Atmósfera •Vacío •SPS •HIP Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química Conformado Acabado UC3M • Compactación Uniaxial • Isostática • Extrusión • PIM • Casting • Rapid Prototyping •Rectificado •Recubrimientos •Afilado Procesado: HIP Prensado isostático en caliente (HIP) Fluido = gas inerte 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. 8 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M "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’ 9 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si3N4 2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonal Se descompone a temperaturas altas (1700ºC, N2+Si fundido) (1880ºC en 1 bar N2) Propiedades: ↑ Dureza ↑ Resistencia desgaste ↑ 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… 10 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: Si3N4 Componentes para turbinas de Si3N4: permiten la entreada de gases más caliente, aumentan la eficiencia en un 40% Si3N4 rotores 11 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: Si3N4 Fabricación de los polvos a) Exotérmica: arde, contaminación con elementos de molienda Nitruración de polvos de Si 3Si+2N2→Si3N4 b) Reducción carbotérmica de la sílice 3SiO2 +6 C +2N2 →Si3N4 + 6CO c) Ligera contaminación con grafito Reacción fase vapor 3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 HCl 3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 H2 d) Precipitación y descomposición térmica a) b) 3SiCl4 + 6NH3 →Si(NH)2 + 4 NH4Cl Si(NH) →Si3N4 + 2 HH3 Elevadas trazas de Cl Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales 12 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: Si3N4 Principales rutas de procesado Si +aditivos Si3N4 + aditivos Si Aditivos: óxidos metálicos, Y2O3, Al2O3, MgO, ZrO2… (3-15%mol) Conformado Nitruración Sinterización HIP Pieza Final RBSN Pieza Final SRBSN Pieza Final SSN Prensado Caliente 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 13 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: Ejemplo: SiC Primer 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. Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes politipos del SiC Enlace covalente (12% iónico) Estructura cristalina: polimorfos β y α. Presenta POLITIPISMO*: 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 Secuencia No. hexagonal (h) No. cubic (k) 2H AB 1 0 3C ABC 0 1 4H ABCB 1 1 6H ABCACB 1 2 15R ABCACBCABACABCB 2 3 Densidad (3.21 g/cm3) y propiedades mecánicas idénticas Aplicaciones Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste, válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas… *Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas. 14 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Bastidores espejos solares Cerámicas estructurales: SiC Composite SiC/SiC para componentes de turbinas Tras 75000 h de ensayo se demuestra una dismunción de emisión de <15 ppm NOx y <10 ppm CO 15 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: SiC Obtención del Polvo de SiC Reducción Carbotérmica Polvo irregular Proceso Acheson (Carborundum). A altas T (2300ºC): α-SiC. Molienda SiO2 + 3C ⇒ SiC (α)+ 2CO A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño fino SiO2 + 3C ⇒ SiO+ 2CO SiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico Estructura β-SiC SiCl4 +CH4 → SiC + 4 HCl SiH4 +C2H4 →2 SiC + 6 H2 Reacción Directa (T 1200ºC) Si +C→ SiC 16 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Edward Goodrich Acheson (Washington, 18561931), descubridor del carburo de silicio o carborundum 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). 15501650ºC 1650ºC Grafito SiC primario SiC primario Si ∼ 10% vol. SiC secundario β Si 17 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado 18 Sinterización por reacción (RBSC) Sinterización en estado sólido (SSC) Sinterización en fase líquida (LPSC) Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4: Coeficiente de difusión muy bajos Energía superficial intergranular muy elevada “coarsening” Se necesitan polvos muy finos T superiores a 2000ºC Atmósferas inertes. 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 19 Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M Cerámicas estructurales: ZrO2 La zircona en inyectores para motores diesel reducción emisiones. Excelente 20 resistencia a la corrosión y desgaste, evita gripado. Aumenta la P de trabajo. Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M
