C A P Í T U L O 6 Procesado de cerámicos Objetivos del capítulo En este capítulo se van a describir fundamentalmente los procesos para la obtención de piezas cerámicas técnicas. Entre estos procesos están incluidos procesos de tecnología de polvos, o también mal denominado pulvimetalurgia, ya que este tipo de procesos se desarrolló inicialmente para materiales metálicos. Aunque en este capíFuente: elaboración propia. tulo se describan los procesos únicamente para polvos cerámicos, cuando se trate de procesos en los que se parta del material en forma de polvo, pueden adaptarse para la fabricación de materiales metálicos. En el último epígrafe del capítulo se detalla el proceso de fabricación de las cerámicas convencionales. www.udima.es 219 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales 1. Introducción Junto a las aplicaciones tradicionales de la cerámica en su acepción popular (vajillas, sanitarios, etc.) han surgido en las últimas décadas nuevos compuestos cerámicos con propiedades y aplicaciones especiales. El uso de materiales cerámicos en elementos estructurales ha traído consigo el desarrollo de nuevos métodos de procesado que complementan los métodos tradicionales. Cabe enumerar también, aparte de las aplicaciones mecánicas o estructurales, las siguientes aplicaciones de los materiales cerámicos. Tabla 1. Propiedades y aplicaciones de algunos materiales cerámicos Función Propiedades Aplicaciones Materiales Mecánica Resistencia a la abrasión, Resistencia a alta temperatura Capacidad lubricante Abrasivos Piezas de precisión, álabes de turbina… TiN-Al2O3 B4C-WC-TiC Si3N4-SiC Eléctrica Superconductividad Cambio de ρ con T Cambio de ρ con V Permitividad ↑, (bajas pérdidas dieléctricas) Piroelectricidad Piezoelectricidad Semiconductividad Superconductores Termistores Varistores YBa2Cu3O7 BaTiO3 ZnO Condensadores Detectores piroeléctricos Detectores piezoeléctricos Semiconductores, sustratos CI, filtros, detectores de IR, fotómetros, … Instrumentos de pantalla Electrodos baterías solares BaTiO3 Pb(Zr,Ti)O3 Pb(Zr,Ti)O3, LiNbO3 Si(B,Al,P,As), AsGa, PIn, InSb, ZnO, CdS WO3, (In,Sn)O2 Cd2SnO4 Imágenes con buen contraste Alta densidad de corriente Magnética Ferromagnetismo y ferrimagnetismo Imanes permanentes Elementos de memoria, componentes magnéticos SrFe12O19 (ferrita dura) NiFe2O4 (ferrita blanda) CrO2 Ópticas Cátodoluminiscente, Pantallas de tubos de imagen Absorción, reflexión, transmisión Buena transpar., σ ↑ Fibras ópticas, Cerámicas translúcidas, Electrodo transparente ZnS(Ag), (Zn,Cd)S/Cu, Y2O2S/Eu SiO2/Zr,Ge, GaInAsP Al2O3/Mg SnO2 Biocompatibilidad Resistencia a la corrosión Catálisis Conductividad iónica Prótesis (dientes y huesos) Equipamiento químico, Catalizadores Electrolitos, sensores gases Ca5(PO4)3OH, SiC-WC, SnO2-ZnO Zeolitas: SiO2-Al2O3 β -Alúmina, ZrO2, SnO2 Química 220 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Función Propiedades Capítulo 6. Procesado de cerámicos Aplicaciones Materiales ◄ Nuclear Resistencia T ↑, refractaria Resistencia a la radiación Resistencia a la corrosión Revestimientos de reactores Elementos de combustión Material moderador AlN-SiC UO2 B4C-Al2O3, C Térmica Aislante térmico Conductividad térmica Absorción de calor Refractarios (para hornos) Cambiadores de calor Revestimientos Mullita, Y/ZrO2 BeO SiC-AlN, Si3N4-B4C La consecuencia natural del amplio rango de aplicaciones de las cerámicas origina una notable diversidad en los modos de procesarlas. Generalmente, en el procesado de toda cerámica técnica, se parte del polvo que se conforma o preconsolidada, obteniéndose así la pieza en verde o compacto en verde, para, a continuación, proceder a la unión de las distintas partículas en un proceso conocido como sinterización (pieza sinterizada). El caso de la cerámica tradicional se trata en el epígrafe 8. 2. Materias primas y aditivos El procesado de las cerámicas comienza con la preparación y la formulación de las materias primas. En la gran mayoría de los casos, las materias primas cerámicas están disponibles en forma de polvo de granulometría variable. Según que el procesamiento se lleve a cabo con o sin ayuda de un líquido (incluyendo aditivos), se distinguen métodos de procesamiento por vía húmeda o por vía seca. Como excepciones fuera de esta clasificación están métodos más especializados, tales como el proceso sol-gel, deposición por láser o por reacción en fase vapor, (CVD). Los criterios de selección de materias primas dependen lógicamente de la aplicación, pero los siguientes son esenciales en cualquier proceso: • Pureza. La pureza afecta de modo importante a las propiedades a alta temperatura, como la resistencia a la oxidación. Las impurezas también actúan como defectos que concentran las tensiones y reducen la resistencia a la tracción. • Tamaño de partícula. El tamaño de partícula es esencial según qué proceso de conformado se use. El objetivo general es obtener un empaquetamiento de partículas de la mayor densidad y uniformidad posibles, con el fin de reducir la variación de tamaño en la cocción o sinterización. Un tamaño uniforme de partícula no es conveniente para producir un empaquetamiento. La adición de partículas de tamaño parecido al de los huecos dejados por las primeras reduce el espacio vacío. www.udima.es 221 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales Un tamaño de partículas reducido es importante para obtener alta resistencia, sin embargo, para otras aplicaciones (típicamente refractarios, filtros o cojinetes autolubricados) puede ser conveniente tener partículas y poros grandes. • Reactividad. El principal factor en la densificación (sinterización) de las cerámicas a alta temperatura es el cambio en la entalpía libre superficial. Partículas pequeñas con gran superficie específica tienen tendencia a reducir esta, uniéndose unas con otras. Partículas muy pequeñas pueden ser compactadas hasta casi la densidad teórica (por ejemplo, la alúmina policristalina transparente para lámparas de vapor de sodio). La reactividad tiene también gran influencia sobre la temperatura y el tiempo de sinterización de una cerámica que, a su vez, afecta las propiedades mecánicas (una sinterización larga a alta temperatura reduce la resistencia a la tracción). La situación ideal se consigue con sinterización rápida a la menor temperatura posible, con el fin de evitar crecimiento del grano. • Polimorfismo. Muchas cerámicas presentan diferentes formas polimórficas y, con frecuencia, solo una de ellas tiene propiedades interesantes (el α-Si3N4 es superior al β-Si3N4 para prensado en caliente). 3. Preconsolidación Una vez alcanzada la distribución de tamaños de la partícula requerida, la materia prima en forma de polvo se conforma o compacta a la forma requerida por alguna de las técnicas que se detallan en el epígrafe 4, y a continuación se sinteriza como veremos en el epígrafe 5. Sin embargo, para alcanzar el grado de uniformidad y la procesabilidad requeridos, el polvo cerámico requiere un tratamiento previo que facilita o posibilita el conformado. Estos tratamientos son específicos para cada tipo de operación de conformado. Algunos ejemplos se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Operaciones típicas de preconsolidación Para prensado Para slip casting Para moldeo por inyección Adición de ligante Preparación de la barbotina Adición de termoplástico Adición de lubricante Adición de ligante Adición de plastificante Granulado o secado Adición de defloculante Adición de agente mojante Adición de coadyuvante de sinterización Regulación de pH Adición de lubricante Regulación de la viscosidad Desaireación Desaireación Adición de coadyuvante de sinterización Granulado o peletizado Se considera aditivo a cualquier sustancia, en general líquida o soluble en otro líquido, cuya presencia en el material de partida mejora la procesabilidad de este, e indirectamente las propiedades finales de la cerámica. 222 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos El hecho de que la mayoría de las materias primas estén presentes en un estado de fina división hace que sus propiedades estén determinadas en gran medida por las de su superficie, y difieran en ocasiones notablemente de las mismas sustancias con dimensiones macroscópicas. Muchos aditivos actúan modificando la superficie, y pueden tener efectos notables, pese a estar presentes en muy pequeñas concentraciones. Los aditivos más comunes son: • Lubricantes. Reducen la fricción entre partículas y entre la pieza y el molde o las herramientas de mecanización. Algunos lubricantes típicos son: parafinas, estearato de butilo, de aluminio, de zinc, de litio, de magnesio, de sodio, ácido esteárico, ácido oleico, poliglicoles, talco y grafito. • Ligantes. Se añaden para proporcionar a la pieza en verde suficiente consistencia como para permitir su manipulación, mecanización, etc. Algunos ligantes típicos: (orgánicos) alcohol polivinílico, ceras, celulosa, dextrina, resinas termoplásticas, resinas termoendurecibles, alginatos, lignina, caucho y elastómeros, goma, almidón, harina, caseína, gelatina, asfalto; (inorgánicos) arcilla, bentonita, silicatos magnésicos y de aluminio, silicatos orgánicos, sílice y alúmina coloidales, aluminatos, fosfatos. • Coadyuvantes de sinterización. Para activar la misma. Muy variados y específicos, dependiendo de la composición de la cerámica. • Plastificantes. Las pastas cerámicas que contiene un ligante polimérico suelen moldearse por encima de la temperatura de transición vítrea del mismo. El plastificante reduce esta temperatura y permite operar en un rango más amplio de temperatura. Suele tratarse de líquidos a temperatura ambiente y con baja presión de vapor. La mayor parte de los plastificantes aumentan la tendencia del ligante a absorber agua de la atmósfera. A veces, el vapor de agua absorbido por el ligante actúa como plastificante, como es el caso del alcohol polivinílico. Un plastificante hidrófobo, por el contrario, es menos sensible a variaciones en la humedad relativa, y permite el almacenamiento de la pasta durante más tiempo. • Defloculantes, agentes de mojado o polímeros termoplásticos, que se adicionan para modificar el comportamiento reológico de la pasta y adaptarlo al proceso de conformado correspondiente. Según de qué proceso se trate, es preciso dar a la pasta una consistencia u otra, desde sólido elástico-plástico, hasta líquido de baja viscosidad. Esto se puede conseguir dentro de un rango bastante amplio por medio de floculantes y defloculantes, agentes de mojado, etc. Un agente floculante produce la aglomeración y coagulación de las partículas suspendidas. Un agente defloculante las mantiene en suspensión, reduce la viscosidad de la misma y le proporciona mejor fluencia (por ejemplo, para slip casting). Un factor a tener en cuenta es el incremento rápido en la viscosidad de una suspensión al aumentar el porcentaje (en volumen) de sólidos de la misma por encima de un límite crítico, que puede estar entre el 50 % y el 70 %. Un defloculante permite elevar este límite y, para un volumen de sólidos dado, reduce la viscosidad de la suspensión. www.udima.es 223 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales 4. Conformado A continuación, se presentan las técnicas para obtener la forma deseada y, una vez obtenida, debe procederse a sinterizar la pieza para que adquiera las propiedades pretendidas. Algunas combinan el conformado con la sinterización. 4.1. Prensado El prensado se realiza colocando el polvo cerámico en un molde de la forma deseada y sometiéndolo a compresión por medio de una prensa con una pieza que se ajusta en el molde. La materia prima en forma de polvo se preconsolida con ligantes y lubricantes, de modo que fluya fácilmente y permita un llenado fácil y completo del molde. Los ligantes, habitualmente orgánicos y con una proporción del 0,5 al 5 % en peso, proporcionan a la pieza prensada suficiente resistencia para su manipulación e, incluso, su mecanización, antes de la sinterización. Los aditivos deben ser compatibles con la química de la cerámica, y eliminarse durante la cocción a temperaturas inferiores a las de sinterización de la cerámica para que no interfieran con esta. La aplicación típica del prensado es en la compactación de piezas pequeñas, sobre todo aislantes, dieléctricos y cerámicas magnéticas. El prensado uniaxial también se usa para la fabricación de ladrillos, tejas, crisoles, piedras abrasivas, etc. El prensado isostático se usa para todo tipo de formas que no puedan prensarse uniaxialmente de modo uniforme y, especialmente, para piezas con una relación longitud/espesor alta. 4.1.1. Prensado uniaxial En el prensado uniaxial (CP, del inglés cold pressing), la presión se aplica en una sola dirección por un ariete, pistón o émbolo rígido. Puede realizarse: • En seco (prensado seco, semiseco o prensado de polvo). Casi todo el prensado automático se realiza con polvos granulados con 0-4% de humedad en peso. Una buena compactación requiere el uso de altas presiones y la adición de lubricante. La ventaja principal es la excelente tolerancia dimensional que se puede alcanzar (1 %, o mejor). • En húmedo. Requiere un polvo con 10-15 % de humedad. Se usa frecuentemente para materiales arcillosos que se deforman plásticamente. Permite reproducir detalles muy finos del molde, pero tiene como inconvenientes la mala tolerancia dimensional (superior al 2 %) y la formación de rebabas entre las piezas del molde. Las prensas suelen ser mecánicas cuando se requieren grandes series de producción (hasta 100 piezas por minuto). Para volúmenes aún mayores se recurre a una prensa rotativa (hasta 1000 piezas por minuto). Las fuerzas de compresión son del orden de 5 MN. 224 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos Las prensas hidráulicas alcanzan presiones más altas, pero tienen ciclos más largos y mucha menor productividad. Estas se reservan para pequeñas series en las que se requieran grandes fuerzas de compresión, del orden de 50 MN. La operación de compactación en matriz consta de las siguientes partes: 1. El llenado de la matriz puede hacerse por peso o por volumen, que es lo más frecuente y, en general, se realiza de una forma automática. 2. La compactación, hasta llegar al valor de la presión adecuada. Ha de realizarse de forma que se produzca la salida de gases atrapados entre las partículas, y no a gran velocidad, para propiciar el reapilamiento de las partículas. 3. La expulsión, mediante el punzón inferior. Ha de estar diseñada para no provocar agrietamientos en el compacto que se encuentra, al final de la operación, fuertemente comprimido contra la pared de la matriz. De ahí la importancia de la lubricación. El compacto, al ser extraído, experimentará una recuperación elástica, no corriendo el riesgo de introducirse de nuevo en la matriz. Figura 1. Ciclo de compactación de pieza simple Polvo sin compactar Pieza compactada (compacto en verde) Fuente: elaboración propia. La compactación en matriz puede realizarse actuando en un solo sentido, es decir, comprimiendo con un solo punzón, denominada técnica de simple efecto, o con dos punzones, llamada de doble efecto, obteniéndose una mayor densificación. www.udima.es 225 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales Por otra parte, la matriz y punzones deberán resistir múltiples operaciones sin desgastarse ni deformarse, ya que la precisión dimensional es un aspecto fundamental en la tecnología de polvos. Su diseño, pues, así como la elección del material con el que ha de fabricarse, ha de ser muy cuidadoso. Habitualmente se fabrican de acero de herramientas indeformables insertadas en anillos de aceros al carbono. El empleo de polvos muy abrasivos exigirá matrices de carburos cementados. n Figura 2. Piezas típicas obtenidas por prensado uniaxial En todo el proceso de compactación en matriz pueden distinguirse las siguientes etapas, a medida que aumenta la presión: Fuente: elaboración propia. • Movimiento de los polvos dirigido a un mejor reapilamiento. • Deformación elástica de las partículas. • Deformación plástica de las partículas. • Rotura de partículas. • Deformación elástica y plástica del compacto. El resultado final será un compacto en verde, poroso y con una densidad y resistencia tanto mayor cuanto mayor sea la presión aplicada. Resulta claro que las posibilidades de obtención de compactos por este método tienen muchas limitaciones, tanto en tamaño, por la capacidad de la prensa (se emplean presiones de 100 a 700 MPa) como por la forma. En efecto, ángulos entrantes, agujeros perpendiculares a la aplicación de la presión, etc., son imposibles de obtener. Piezas sencillas pero muy esbeltas darían lugar a desigual distribución de densidades y, por tanto, a desiguales deformaciones durante el sinterizado, por tanto, la altura de la pieza es otra limitación. La adición de lubricantes y ligantes adecuados ayuda a reducir estas diferencias de densidad, aunque es casi siempre imposible eliminar gradientes de densidad en el prensado uniaxial. 4.1.2. Compactación isostática en frío Algunas de estas dificultades mencionadas para la compactación en matriz han sido superadas por la compactación isostática en frío (CIP, del inglés cold isostatic pressing). Mediante esta técnica, los polvos son introducidos en un molde elástico estanco (típicamente de caucho) con la forma deseada. El molde es introducido en el interior de un recipiente lleno de un líquido, a través del cual se efectúa una presión que es transmitida en todas las direcciones por igual. Casi cualquier forma puede ser obtenida por esta técnica que, a su vez, nos proporciona mayor densificación. 226 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Algunos líquidos de presurización típicos son la glicerina, aceites hidráulicos o, incluso, el agua. La presión de operación es del orden de 2000 bar, aunque en pequeñas series se puede alcanzar un valor diez veces superior. Capítulo 6. Procesado de cerámicos n Figura 3. Esquema de compactación isostática en frío La compactación que se consigue con el prensado isostático es excelente, sin embargo, es más difícil llenar el molde uniformemente. Las principales desventajas son la baja productividad (difícilmente se superan 1000 ciclos por hora), la menor precisión dimensional y un peor acabado superficial. 4.1.3. Prensado uniaxial en caliente Presión Pieza compactada (compacto en verde) Bomba de presión Molde flexible Fuente: elaboración propia. Es análogo al prensado en frío, excepto por el hecho de que se realiza a alta temperatura. El prensado uniaxial en caliente (HP, del inglés hot pressing) también se suele denominar sinterizado a presión. La aplicación de presión durante la sinterización acelera la cinética de la densificación al incrementar el esfuerzo de contacto y permitir una reordenación de las partículas a estados de mayor densidad. Como consecuencia de esto: • Se reduce el tiempo de sinterización. • Se puede reducir la temperatura de sinterización. • Se minimiza la porosidad residual. De estas ventajas resulta que las propiedades mecánicas mejoran notablemente, y son superiores a las obtenidas por prensado en frío. El tipo de horno depende de la temperatura de cocción o sinterización, y de la uniformidad de la temperatura requerida. El modelo más habitual es un horno de inducción con bobinado de cobre enfriado por agua. Puede operarse hasta 2300 K, y debe usarse nitrógeno, argón o helio como gas inerte para evitar oxidación. La presión típica de trabajo es del orden de 70-350 bar. El material típico para el ariete y molde es el grafito, ya que es buen refractario, mecánicamente resistente y tiene un bajo coeficiente de fricción. No reacciona con casi ningún material a la temperatura del horno, y puede recubrirse de nitruro de boro cuando exista riesgo de contaminación del polvo cerámico. En algunas ocasiones se han usado metales refractarios como el molibdeno y el tántalo, aunque su tendencia a la fluencia a alta temperatura es una desventaja seria. A temperaturas más bajas puede emplearse alúmina (hasta 1450 K) y carburo de silicio (hasta 1700 K). www.udima.es 227 "Todos los derechos reservados. 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El prensado isostático en caliente se lleva a cabo en un horno o autoclave capaz de soportar presiones de hasta 1 Mbar, y con una zona caliente en la que se alcanzan los 2300 K. La presurización se realiza con un gas inerte, como el helio o el argón, y el calentamiento con resistencias de molibdeno o grafito. La pieza preconformada se recubre de una capa de vidrio que, a la alta temperatura de la operación, se ablanda y transmite la presión del gas a la pieza que se cuece. El recubrimiento con vidrio se puede realizar incluso en el mismo horno de HIP. La pieza en verde se recubre de polvo de vidrio. En una primera etapa a 1400 K y sin sobrepresión, se produce la fusión de este para formar una envoltura hermética y plástica. A continuación, se eleva la temperatura al tiempo que se presuriza el horno hasta las condiciones de la operación deseada. La gran desventaja de este proceso es su alto coste y la baja productividad que lo hacen aconsejable solo para piezas de alto cometido. 4.2. Colada El término colada suele asociarse con el conformado de metales fundidos. Son muy pocas las cerámicas que se conforman en estado fundido. Solamente en la preparación de refractarios de Al2O3 y Al2O3/ZrO2 de alta densidad y de algunos abrasivos se realiza la colada 228 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos de estos materiales fundidos. En estos casos la cerámica fundida se vierte sobre superficies metálicas frías. El rápido enfriamiento produce un tamaño de cristal muy reducido y, por tanto, con unas buenas propiedades mecánicas. En la gran mayoría de los casos, la colada de cerámicas se realiza a temperatura ambiente, suspendiendo partículas cerámicas en un líquido que se vierte en un molde poroso. El molde permite eliminar el líquido y retiene las partículas sólidas. El material cerámico más habitualmente conformado por colada es la caolinita, aunque esta operación puede aplicarse a un amplio rango de cerámicas. 4.2.1. Slip casting o moldeo en barbotina Figura 5. Esquema del slip casting Barbotina Molde poroso Pieza en verde Fuente: elaboración propia. La operación más habitual para obtener cerámicos por colada es colada en barbotina o más comúnmente conocida por el termino inglés slip casting. Las partículas cerámicas se suspenden en agua y a esta suspensión se la denomina barbotina, que se vierte en un molde de www.udima.es 229 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales yeso poroso del que se elimina el agua por gravedad, o aplicando una diferencia de presión. El tamaño de la partícula debe estar alrededor de 10-15 µm, o inferior, si se requiere buena resistencia mecánica del producto final. Para refractarios es relativamente frecuente preparar polvos con una distribución de tamaños bimodal. La preparación de la suspensión requiere la adición de agentes de mojado y antifloculantes para evitar la segregación prematura de los sólidos. El modo más habitual de preparar la suspensión es en un molino (típicamente de bolas), en el que se reduce el tamaño de la partícula y se mezclan los ingredientes. A la molienda y mezclado sigue un periodo de maduración (que en los antiguos procesos artesanales podía durar meses), una desaireación para eliminar las burbujas incluidas durante la molienda y un control de la viscosidad. Los moldes más habituales son de yeso (escayola), de una o varias piezas, según la complejidad del objeto a formar. La suspensión se vierte en el molde y se deja estar durante un tiempo hasta que, debido a la pérdida de agua por las paredes del molde, se vaya depositado una capa de polvo cerámico del espesor deseado o se haya formado la pieza en caso de que esta sea maciza. Para piezas complejas se aplica vacío y en ocasiones se recurre a colada centrífuga, en ambos casos con el objetivo de aumentar la velocidad de filtrado, la homogeneidad y la compacidad de la pieza. Pasado un tiempo, la suspensión restante se vacía, con lo cual la capa depositada empieza a secarse y a encoger, lo que facilita la extracción del molde. Es habitual añadir un ligante a la suspensión para incrementar la resistencia de la pieza en verde (que debe ser comparable a la de la tiza) y permitir su manipulación. Mediante slip casting se obtienen casi todos los sanitarios del mercado. En la figura 6 se muestran algunas piezas en distintas etapas del proceso de fabricación. Figura 6. Piezas fabricadas por slip casting en distintas etapas del proceso Fuente: elaboración propia. 230 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. 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En el caso del agua, tiene lugar una reducción importante de volumen durante el secado, con el riesgo consiguiente de la aparición de grietas. En el caso de líquidos orgánicos, el principal problema es el de la eliminación de todo el resto del mismo antes de la cocción. Una eliminación incompleta puede producir fracturas, contaminación o coloración indeseada durante el cocido debido a procesos de carbonización. 4.3.1. Terrajado El terrajado es el proceso de conformado plástico más antiguo (alfarería) y hoy en día se sigue usando para el conformado de objetos simples con simetría de revolución. 4.3.2. Moldeo por inyección El moldeo por inyección es un proceso de bajo coste y grandes volúmenes de producción para la elaboración de piezas con pequeña tolerancia dimensional inferior al 1% (net-shapeo near-net-shape). El proceso completo viene detallado en la figura 7. Primero se procede a la mezcla de los polvos de la cerámica con un ligante orgánico, normalmente un polímero termoplástico, se pueden añadir lubricantes. Una vez realizada la mezcla, se procede al granulado para obtener la granza o feedstock y poder alimentar la máquina de inyección. La inyección se lleva a cabo con ayuda de una extrusora previa (cuyo principio de funcionamiento es el mismo que en la extrusión de polímeros) con un husillo móvil que actúa como émbolo, con la diferencia de que los materiales de que están hechos la boquilla y el bebedero del molde son de mucha mayor resistencia a la abrasión que en el caso de polímeros (típicamente Si3N4). Después de la formación se obtiene una pieza que se denomina compacto en verde. A continuación, se procede a la eliminación del ligante polimérico, que puede realizarse por distintos métodos, por tratamiento térmico, disolventes, catalíticamente, por plasma, etc. Esta es la etapa más delicada del proceso, ya que se pueden formar grietas o ampollas debido a la débil unión entre las partículas. A esta pieza se la conoce como compacto en marrón. La última etapa es la sinterización de la pieza para obtener la pieza final. La granulometría de la materia prima de las cerámicas es un parámetro esencial en la inyección para poder alcanzar un empaquetamiento denso y reducir al mínimo la cantidad de material orgánico. La viscosidad de la pasta aumenta fuertemente con el contenido en sólidos, sobre todo cuando el porcentaje en volumen de los mismos supera el 50%, en cuyo caso un incremento excesivo de la viscosidad dificulta la inyección. El contenido en sólidos www.udima.es 231 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales puede aumentarse notablemente (hasta aproximadamente un 75 % en volumen) usando una granulometría en la que haya predominantemente partículas de dos tamaños tales que permitan a las partículas pequeñas encajarse en los huecos dejados por las grandes. El material plástico usado para suspender el polvo cerámico puede ser tanto un termoplástico como una resina termoendurecible. En el primer caso, la temperatura de inyección debe estar al menos 10 ºC por encima de la (tg) del polímero, y la del molde debe estar al menos 30 ºC por debajo. En el caso de inyectar con una resina termoendurecible, conviene que la temperatura del molde sea elevada para poder completar las reacciones de polimerización y reticulación en el menor tiempo posible. En el moldeo por inyección es relativamente frecuente la aparición de defectos debidos al llenado imperfecto del molde. Se manifiestan típicamente como grietas, costuras o rebabas, y conllevan una reducción importante de la resistencia mecánica de la pieza. Figura 7. Esquema general del proceso de moldeo por inyección de polvos Polvos Mezclado Feedstock Granulado Lubricante Ligante Eliminación del ligante Moldeo por inyección Compacto en verde Sinterización Compacto en marrón Pieza final Fuente: elaboración propia. 4.3.3. Moldeo por compresión y por transferencia Estas dos operaciones son enteramente análogas a las correspondientes para polímeros y materiales compuestos. Tienen cierto parecido con el prensado, excepto por el hecho de que el molde se llena con una pasta plástica en vez de con un material pulverulento, lo que en algunos casos mejora la compacidad. 232 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos 4.3.4. Extrusión Se usa generalmente para la fabricación de ladrillos, tejas, tubos, varillas y otras piezas alargadas de sección constante. Mientras que la extrusión de pastas arcillosas es bien conocida, su uso para otro tipo de cerámica es aún relativamente nuevo. Es posible extruir cerámicas técnicas (cordierita, silicato magnésico-alumínico) en piezas de gran complicación. 4.3.5. Otras técnicas Aunque de menor importancia en términos absolutos, cabe mencionar las siguientes: • Colada continua para formar cintas cerámicas. Una suspensión espesa se va depositando sobre una cinta en movimiento; o bien una pella plástica de cerámica se lamina entre rodillos. • Deposición por plasma. Es una técnica reciente en la que se depositan a alta velocidad gotas de cerámica fundida por la acción de un plasma. Suele usarse para recubrimiento de partes con forma complicada y confiere gran adherencia al sustrato. En realidad, esta técnica combina el conformado con la densificación o sinterización. • Mecanización en verde. Se aplica con frecuencia para eliminar pequeños defectos superficiales de las piezas conformadas, sobre todo cuando las tolerancias en el tamaño son estrictas. Suele hacerse con herramientas (típicamente fresas) de acero rápido, de cermets (por ejemplo, carburo de tungsteno en una matriz de cobalto) o de diamante industrial (de coste muy superior, pero con frecuencia de uso obligatorio por la dureza del material cerámico). 5. Sinterización La sinterización permite el enlace de las partículas cuando estas se activan por los procesos de difusión a alta temperatura. A escala microscópica, este enlace ocurre por formación de cuellos cohesivos en la zona de contacto entre partículas que van creciendo. La sinterización puede dividirse en varios estados o etapas. Considerando un modelo básico de sinterización basado en partículas esféricas, estos estados podrían ser: • Estado inicial. Donde se producen los contactos entre partículas y comienza el crecimiento de los cuellos (en este estado se empiezan a formar los límites de grano entre partículas y los compactos no han sufrido aún contracciones importantes). • Estado intermedio. El cual involucra el aislamiento de los canales, aparece porosidad cerrada, y el material empieza a densificar de manera importante. • Estado final. Donde los poros se esferoidizan y su tamaño disminuye (actuando como un freno al movimiento de los límites de grano y ralentizándose la densificación). www.udima.es 233 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales En la figura 8 se muestra la evolución de las uniones entre partículas y de la porosidad, considerando el modelo de partículas esféricas. En un proceso de pulvimetalurgia convencional con prensado uniaxial, la densidad en verde de los compactos está próxima al 70 % de la densidad teórica, mientras que después de la sinterización se puede alcanzar el 90-92 % de la densidad teórica. Figura 8. Diagrama esquemático del cambio de la estructura de poros durante la sinterización Poros Límites de grano Puntos de contacto Estado inicial Estado intermedio Estado final Fuente: elaboración propia. La principal fuerza motriz de sinterización es la disminución de la energía libre superficial de los compactos debido a la transferencia de masa, provocada por el alto volumen de poros, y que conduce a una disminución del volumen total de la pieza. El proceso evoluciona hacia una reducción de la energía libre de la superficie de las partículas y en los límites de grano, y a una reducción de la energía interfacial que causa la contracción de los compactos. Los principales mecanismos para el transporte de masa se presentan en la figura 9. Normalmente, la sinterización se realiza en hornos continuos, en los que las piezas circulan a través del horno mediante una cinta transportadora que es movida por unos tambores. En el horno la temperatura no es homogénea, de tal forma que las piezas van adquiriendo gradualmente la temperatura según una rampa previamente diseñada, consiguiéndose que tanto el calentamiento como el enfriamiento se hagan de forma gradual, para evitar tensiones excesivas que provoquen la rotura de las piezas. 234 Figura 9. Mecanismos de transporte de masa 5 4 3 4 1 3 2 2 4 5 1. Difusión superficial. 2. Difusión a través del límite de partícula/borde de grano. 3. Difusión en volumen. 4. Fluencia plástica. 5. Evaporación y condensación. Fuente: elaboración propia. www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos Figura 10. Horno de sinterización Zon a de prec alen tamie nto Zon a de sinte rizad o Zon a de enfr iamie nto Cinta transportadora Fuente: elaboración propia. 6. Acabado Mientras que algunos métodos de conformado proporcionan piezas dentro de la tolerancia dimensional requerida, lo más normal es tener que enmendar la pieza hasta conseguir la forma y dimensiones deseadas, con el fin de obtener un determinado acabado, o para eliminar defectos superficiales de terminación. Esta terminación puede representar una parte importante del coste total. Los materiales cerámicos son, en general, difíciles de terminar por su dureza y su fragilidad y no pueden, en general, rematarse con las mismas herramientas que se usan para metales, bien porque estas no son suficientemente duras, bien porque someten a la pieza a esfuerzos locales excesivos. Para realizar el mecanizado, la herramienta debe hacerse con un material más duro que la cerámica y estar diseñada de tal modo que no produzca concentraciones locales de esfuerzos. Los principales tipos de mecanizado final son: • Con abrasivo fijo. Se trata típicamente de cabezas o ruedas giratorias de un material abrasivo más duro que la cerámica, o de un compuesto con partículas de gran dureza. Para cerámicas como el Al2O3, normalmente hay que recurrir a abrasivos de diamante, montados en una matriz metálica u orgánica. Permite eliminar material rápidamente. La aplicación más típica es la eliminación de rebabas del molde. www.udima.es 235 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales • Abrasivo en pasta o polvo. El abrasivo, en forma de polvo muy fino, se frota a alta velocidad sobre la superficie de la pieza con ayuda de un tejido. Suele emplearse para obtener terminaciones superficiales ópticamente planas, o para reducir piezas de fricción. Una aplicación especial es la ejecución de taladros en cerámicas. En este caso, un cilindro hueco de bronce o latón de diámetro externo igual al del taladro deseado se hace girar sobre la superficie de la pieza mientras que se alimenta un polvo abrasivo al espacio entre el cilindro y la superficie junto con agua o aceite para refrigeración. • Abrasión por impacto. La pieza se somete a la acción de partículas abrasivas (típicamente SiO2 o Al2O3) impulsadas por un chorro de aire comprimido a alta velocidad que incide perpendicularmente sobre la superficie. No suele usarse en aplicaciones técnicas, sino para ornamentación. • Abrasión ultrasónica. Las partículas abrasivas se suspenden en un líquido para formar una pasta que fluye sobre la superficie de la pieza. Una cabeza con emisor de ultrasonidos se sitúa a corta distancia de la superficie, de manera que el abrasivo esté sometido a un movimiento oscilatorio intenso, y produzca numerosos impactos. Permite obtener finas tolerancias sin someter la pieza a esfuerzos. Como alternativa a los procedimientos mecánicos de abrasión se puede usar también el ataque químico de la superficie utilizando un compuesto en el que sea soluble la cerámica. Los silicatos suelen atacarse con HF, mientras que el Al2O3, con Na2S4O7. 7. Componentes porosos Cuando se fabrica una pieza por sinterización, es deseable que tenga la mayor densidad posible, ya que la porosidad hace que disminuyan las propiedades mecánicas. Existen algunas excepciones a este tipo de piezas. 7.1. Filtros Los filtros son normalmente piezas metálicas, aunque también los hay cerámicos. En este proceso de fabricación se pretende que al sinterizar quede una gran porosidad, normalmente entre 25 y el 65 %. Los filtros metálicos suelen fabricarse en bronce o acero inoxidable. Para fabricarlos se utilizan polvos con el tamaño de partícula grande y una con una distribución de partícula estrecha, para que no haya partículas pequeñas que rellenen los huecos que dejan las grandes. 236 Figura 11. Filtro Fuente: elaboración propia. www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos Cuando se produce la sinterización, las partículas se unen en los puntos de contacto, provocando microsoldaduras entre las partículas, quedando hueco entre ellas. En función del tamaño de las partículas, la temperatura y el tiempo de sinterización, puede modificarse el nivel de porosidad. Si se hace correctamente, el nivel de porosidad en toda la pieza es homogéneo. 7.2. Cojinetes autolubricados Figura 12. Cojinete autolubricado Suelen ser piezas metálicas con una porosidad elevada (20-25%) que se rellenan con aceite. Para ello, la pieza, una vez sinterizada con la porosidad deseada, se somete a vacío y se sumerge en un baño de aceite lubricante. El aceite queda retenido dentro de la porosidad del cojinete. Una vez que se pone a trabajar el cojinete, se calienta por fricción, esto hace que el aceite pueda salir y lubricar. Cuando el cojinete deja de trabajar, se vuelve a enfriar y el aceite vuelve a entrar Fuente: elaboración propia. en los poros por capitalidad. El aceite aporta constantemente lubricación entre el cojinete y el eje, por lo tanto, el sistema no necesita aportación adicional de lubricante exterior. La autolubricación permite que este tipo de cojinetes funcione en régimen hidrodinámico, con un coeficiente de fricción muy bajo. EJEMPLO 1. Fabricación de filtros En la imagen se muestran filtros con distintas formas, pero básicamente el proceso de fabricación es similar para todos ellos. Suelen realizarse en bronce o acero inoxidable. Solución Se parte de un material con forma de esfera, pero con un tamaño bastante superior al utilizado en la tecnología de polvos convencional, ya que no se busca que los poros se cierren, sino únicamente que se produzca la soldadura de las partículas. El conformado se realiza por prensado uniaxial que, posteriormente, pasa a sinterizarse, pero únicamente el tiempo necesario para que se produzca la soldadura entre las partículas, de forma que queden huecos entre las partículas que permitan el paso de fluidos y la retención de sólidos en suspensión y, por tanto, el filtrado. www.udima.es 237 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales 8. Cerámica tradicional (alfarería) La alfarería es uno de los oficios más antiguos de la humanidad. A lo largo de los siglos se han desarrollado diferentes estilos y técnicas en distintas partes del mundo. Floreciente en Europa durante el siglo XVIII, estuvo fuertemente influenciada por la importación de una excelente porcelana muy decorada procedente del Lejano Oriente, donde Japón había aprendido de China el arte de la cerámica unos cuatrocientos años antes. Con la Revolución Industrial y el cambio de las condiciones generales de vida en Europa occidental, la producción creció rápidamente. En la actualidad, casi todos los países fabrican algún tipo de vajilla para uso doméstico, y la exportacion de cerámica es importante para alguno de estos países. Estos productos se manufacturan en muchas partes del mundo a escala industrial. Aunque los principios básicos de fabricación no han cambiado, sí ha progresado considerablemente la forma en que esta fabricación se lleva a cabo. Las innovaciones han afectado de manera especial a la formación o moldeo de la pieza, a la cocción y a la decoración. La generalización del uso de microprocesadores y robots se ha materializado en la fuerte automatización de la producción. Pese a ello, todavía quedan en muchos lugares del mundo alfarerías artesanales que trabajan a pequeña escala. 8.1. Métodos de conformado La técnica de alfarería más primitiva es la fabricación manual. Consiste en enrollar tiras de arcilla que se apilan unas sobre otras y se unen presionando con las manos. La pasta se reblandece trabajándola con agua y, a continuación, una vez unidos los cordones de arcilla, se modela el objeto con las manos. Desde el descubrimiento de la rueda, el torno de alfarero se convirtió en uno de los instrumentos de creación alfarera por excelencia, para fabricar objetos con simetría de revolución. La técnica consiste en depositar una pella de arcilla en el centro de un plato circular giratorio para modelarla con las manos mojadas. El agua impide que el barro se pegue a las manos y, al mismo tiempo, lo mantiene húmedo y maleable. Las asas, pitorros y otras protuberancias de la arcilla torneada se colocan antes de cocer el objeto. n Figura 13. Proceso de elaboración de cerámica tradicional en Totana (Murcia) Conformado mediante torno manual Horno de cocción Decoración Fuente: elaboración propia. Para la cerámica tradicional también puede usarse el colado en barbotina (slip casting) que como ya se detalló en el epígrafe 4.2.1 se utiliza con frecuencia para conformar objetos de gran calidad, y siempre que las paredes de la vasija sean muy finas. En un molde de escayola se vierte la barbotina que es una mezcla de arcilla y agua. El molde absorbe el agua de 238 www.udima.es "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". L. Castro Martínez Capítulo 6. Procesado de cerámicos la pasta, que forma una capa delgada en su cara interna. Cuando el depósito de arcilla es lo suficientemente grueso como para formar las paredes del recipiente, se vacía el resto de la barbotina, manteniendo la pieza húmeda en el interior del molde hasta que se seque y contraiga lo suficiente para poder extraerla del mismo. El molde se construye de forma que sea desmontable. Una vez completamente seca, la pieza se pule y se prepara para la cocción. Se coloca en una caja de tierra refractaria llamada gaceta, que la protege de las llamaradas y de los gases que se emiten durante el proceso, de la misma forma que un horno casero protege la hogaza de pan. Las gacetas se apilan unas sobre otras en un horno. El horno es una gran estructura de ladrillo refractario y rodeada de conductos por los que penetra el fuego sin que las llamas entren nunca en contacto con la cerámica. El humo podría manchar las piezas si no estuvieran protegidas de esta forma. La mayoría de las piezas se cuecen al menos dos veces. La primera cochura es la de bizcochar, y la pieza así obtenida es la bizcochada o bizcocho. Después de la cocción, la pieza bizcochada se esmalta. El esmalte es un recubrimiento vítreo y brillante que hace la pieza más resistente y atractiva. Los esmaltes contienen sílice, un fundente para bajar la temperatura de fusión (como plomo, bario, etc.) y óxidos metálicos que actúan como colorantes. Este preparado se aplica al objeto y, cuando está completamente seco, se coloca de nuevo en el horno y se cuece a una temperatura lo suficientemente elevada para que se funda y cubra por entero la superficie de la pieza, cubriendo además los poros superficiales. 8.2. Tipos de cerámica Existen varios tipos de cerámica: • Gres. Es una cerámica hecha con arcilla blanca o roja. Se esmalta sobre el soporte crudo antes de entrar en el horno o mediante el procedimiento de «salado» durante la cocción, que produce un material denso y duro. • Porcelana. Es un material cerámico blanco, vitrificado y translúcido. El soporte y el esmalte se llevan a maduración final en una única cocción conjunta para ambos (monococción), que tiene lugar a temperatura muy elevada. • Porcelana china. Es un material cerámico muy similar al anterior. El soporte y el esmalte se cuecen a la vez a temperaturas extremadamente altas. • Porcelana de huesos. Es una variedad de porcelana fabricada con una pasta formada que incorpora huesos calcinados en una proporción de aproximadamente el 40 %. • Loza. Tiene una masa blanca o casi blanca. Se produce por bicocción, como la porcelana china, pero la masa resultante es porosa. El esmalte es similar al de la porcelana, pero obtenido con materiales más baratos. • Mayólica. Es una loza delicadamente esmaltada que se utiliza con fines decorativos u ornamentales. Por lo general, no se intenta obtener una pasta blanca y los esmaltes suelen colorearse. www.udima.es 239 "Todos los derechos reservados. 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Fabricación de ladrillos y baldosas El material básico es la arcilla de diversas clases, con mezclas de margas, esquistos y arena, de acuerdo con las necesidades y normalmente con las materias primas locales, para obtener las propiedades requeridas de textura, plasticidad, regularidad, contracción y color. En la actualidad, la extracción de arcilla suele estar totalmente mecanizada. En general, la fabricación se lleva a cabo junto al lugar de extracción, pero en las empresas grandes la arcilla a veces se transporta con cintas o teleféricos. El tratamiento ulterior de la arcilla varía de acuerdo con su constitución y el acabado del producto, pero en general comprende trituración, molturación, tamizado y mezclado. La figura 14 muestra la cadena de operaciones típicas de la fabricación de ladrillos. La arcilla destinada a la producción de ladrillos cortados con alambre se desmenuza con rodillos y a continuación se le incorpora agua en una mezcladora. Se amasa de nuevo y se carga en una amasadora y extrusora horizontal. A continuación, la arcilla plástica extruida se corta a la medida con un cortador de alambres. Se obtiene material plástico semiseco y rígido por laminación, tamizado y prensado mecánico. Algunos ladrillos siguen hoy en día moldeándose a mano. Cuando se utiliza un material plástico, los ladrillos hay que secarlos al sol y al aire o, cada vez con mayor frecuencia, en hornos regulados, antes de cocerlos. Los de material plástico semiseco o rígido se cuecen de inmediato. La cocción tiene lugar en hornos circulares, a menudo alimentados a mano, o de túnel, alimentados mecánicamente. Los combustibles empleados varían en función de la disponibilidad local. A algunos ladrillos decorativos se les aplica un barniz de acabado. 240 www.udima.es "Todos los derechos reservados. 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Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales Ejercicios voluntarios 1. En la imagen se representa un aislante para sujetar los cables de tensión a los postes. En la actualidad son de vidrio, pero hace varias décadas estos eran de cerámica. La pieza está formada por un cuerpo de cerámica, recubierto por una capa vitrificada (para que sea impermeable), excepto el fondo del agujero interior, que está roscado y sirve de acoplamiento al soporte. Indicar el proceso de fabricación del aislante de cerámica: a) Pasos del proceso (desde el cerámico en polvo hasta la pieza final). b) Esquemas y forma de la pieza obtenida en cada paso del proceso. 2. En la imagen se representa una taza cerámica coloreada e impermeable. La pieza está formada por un cuerpo de cerámica, recubierto por una capa vitrificada (para que sea impermeable), con asa de sección constante. Indicar el proceso de fabricación: a) Pasos del proceso (desde el cerámico en polvo hasta la pieza final). b) Esquemas y forma de la pieza obtenida en cada paso del proceso. 3. En la imagen se representa una polea para rueda de cadena, con tres detalles en la parte superior (señalados en la imagen), mientras que la parte inferior es lisa. Indicar el proceso completo de fabricación, sabiendo que se trata de una serie grande y el material es una aleación metálica. Detalle de elemento con forma de chaveta (longitud, la mitad del espesor de la pieza) Agujeros pasantes Marca para posicionar en el montaje 242 www.udima.es "Todos los derechos reservados. 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Puede ayudarse de la tabla siguiente: Cerámica técnica Al2O3, SiC, ZrO2, Al2TiO5, Si3N4, etc. Arcilla, sílice Consolidación Conformado Materias primas Cerámica tradicional Hornos de sinterización Hornos de cocción Productos Piezas de motores Alabes de turbina Alfarería Sanitarios Piezas para alta temperatura Ladrillos Estructura Hueso artificial Esmalte Poros Microscopia óptica (× 100) www.udima.es Microscopia electrónica (× 50000) 243 "Todos los derechos reservados. Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta Unidad sólo puede ser realizada con la autorización de la Universidad a Distancia de Madrid, UDIMA, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70 / 93 272 04 47)". Procesos industriales Bibliografía Angelo, P. C. y Subramanian, R. (2009). 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