Cerámicas.
Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería.
En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica.
Estructuras de los Cerámicos Sencillos:
Algunos compuestos cerámicos con estructuras cristalinas relativamente sencillas están recogidos en la tabla 10.1 con sus puntos de fusión.
Tabla 10.1
| Compuesto cerámico | Punto de Fusión,°C | Compuesto cerámico | Punto de Fusión,°C |
| Carburo de afnio, HfC | 4150 | Carburo de boro, B4C | 2450 |
| Carburo de titanio, TiC | 3120 | Oxido de aluminio, Al2O3 | 2050 |
| Carburo de wolframio, WC | 2850 | Dióxido de silicio, SiO2 | 1715 |
| Oxido de magnesio. MgO | 2798 | Nitruro de silicio, Si3N4 | 1900 |
| Carburo de silicio, SiC | 2500 | Dióxido de titanio, TiO2 | 1605 |
En los compuestos cerámicos listados, el enlace atómico es una mezcla de los tipos iónico y covalente para los enlaces entre átomos en estos compuestos se pueden obtener considerando las diferencias de electronegatividad entre los diferentes tipos de átomos en los compuestos y utilizando la ecuación de Pauling para el porcentaje de carácter iónico. La cantidad de enlace iónico o covalente entre los átomos de estos compuestos es importante porque determina en alguna medida que tipo de estructura cristalina se formara en el compuesto cerámico.
Los sólidos (cerámicos) iónicos el empaquetamiento de los iones esta determinado principalmente por los siguientes factores:
1- El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (considerando los iones como esferas compactas de radio definido).
2- La necesidad de balancear las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el sólido iónico.
Limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso de iones en un sólido iónico: los sólidos iónicos están formados por cationes y aniones. En el enlace iónico algunos átomos pierden sus electrones más externos para convertirse en cationes y otros ganan electrones para convertirse en aniones. Por tanto, los cationes son normalmente mas pequeños que los aniones enlazados con ellos.
Cuanto mayor sea el numero de aniones que rodean al catión central, mas estable es el sólido. Sin embargo, los aniones deben estar en contacto con el catión central y deben mantener la neutralidad de carga.
ROCESAMIENTO DE CERÁMICAS:
Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí.
Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: preparación de material; moldeado o fundido; tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
Preparación de materiales:
La mayoría de los 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 constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy «criticas» tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos.
Técnicas de conformado:
Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbonita y extrusión son los métodos de modelado de cerámica que se utilizan más comúnmente.
Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados.
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 los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades micro estructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.
Compactación isostatica: 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 a presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterizarían) para obtener las propiedades micro estructurales requeridas.
Productos cerámicos de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes.
Compresión en caliente. En este proceso se consiguen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión unidireccional como la isostática.
Extrusión. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este proceso es de aplicación común en la producción.
Tratamientos térmicos;
El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado, verificación.
Secado y eliminación de aglutinantes. El propósito del secado de cerámicas es eliminar el agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometida a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24hs. para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los aglutinantes orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por calentamiento en el rango de 200 a 300ºC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas.
Sinterizacion. El proceso por el cual se consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de cerámicas este tratamiento térmico se basa en la transformación de un producto poroso en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de, por ejemplo, alúmina, berilia, ferrita y titanatos.
En el proceso de sinterizado las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sinterizar. En la sinterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas.
Verificación. Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase vítrea. Esta fase vítrea sirve como medio de reacción para que la difusión puede tener lugar a menor temperatura que en el resto de los materiales sólidos cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado verificación por medio del cual la fase vítrea se licúa y rellena los poros del material. Esta fase vítrea liquida puede también reaccionar con algunos de los restantes sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase liquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido.
APLICACIONES
Feldespato
Mercados y Aplicaciones
El feldespato sódico se emplea como fundente en el sector de la cerámica y, en particular, en la fabricación de gres porcelánico, artefactos sanitarios y esmaltes. El mercado cerámico italiano es el consumidor más importante de albita, en sus distintos segmentos productivos. El rápido crecimiento de dicho mercado, a lo largo de esta última década, en parte, se debe a la gran disponibilidad de recursos minerales que tiene Italia y, en parte, a la constancia de los productos de Maffei, en términos cualitativos, cuantitativos y de diversificación de los productos. Los artículos de Maffei abastecen una cuota importante de feldespato sódico, en el sector de la industria de la baldosa y cubren la casi totalidad del consumo italiano, destinado a la fabricación de artefactos sanitarios. A nivel europeo, cabe mencionar que grupos importantes del ramo de la cerámica utilizan tradicionalmente el feldespato sódico de Maffei, porque la firma es una garantía de la buena calidad del producto, siempre conforme a los estándares internacionales.
Fundiendo la pasta a unas temperaturas inferiores a las de los demás componentes, la albita permite bajar su punto de fusión. En los productos vitrificados agrede a los demás componentes y hace que pasen a formar una disolución, en una cantidad que depende de la temperatura y del intervalo de cocción.
Gran parte de las características finales de las distintas manufacturas de cerámica depende de la calidad y de la constancia cualitativa del feldespato utilizado. En función del porcentaje empleado, de los ciclos de cocción y de la composición de los demás componentes de la pasta, la albita favorece la solubilización de las materias primas y hace que se formen fases líquidas alrededor de las partículas sólidas.
La albita también se aplica en la fabricación del vidrio. Actúa como aportador de Al2O3 y Na2O, merced a lo cual reduce el uso de soda y de alúmina, que se añade bajo otras formas.
Por otra parte, las albititas cloríticas de Maffei Sarda satisfacen a la perfección las necesidades de una demanda creciente de fundentes enérgicos, que otorguen a las pastas la capacidad de gresificarse a unas temperaturas más bajas. En un sector, como el de las baldosas y azulejos, en que los tiempos de cocción son cada vez más breves, el aporte de magnesio en los feldespatos otorga al producto acabado unas características antihielo, iguales o superiores a la de los productos que se obtienen con ciclos más largos y utilizando feldespatos tradicionales.
Cuarzo
Mercados y Aplicaciones
El cuarzo es un mineral que se utiliza abundantemente, en distintos procesos productivos, en virtud de sus características refractarias y de dureza. Se emplea en gran cantidad en la industria de la cerámica y, en particular, para los esmaltes cerámicos, en la siderurgia, en las industrias del vidrio, de la pintura y los barnices, de los abrasivos, de los materiales refractarios, de la filtración, de la mecánica de precisión y en muchas otras más, debido a sus propiedades piezoeléctricas, de polarización giratoria y de permeabilidad a los rayos ultravioleta. Además es la materia prima con la que se prepara el carburo de silicio, un abrasivo de prima calidad.
Maffei SpA extrae y comercializa el cuarzo, desde sus albores. Y los productos de Maffei desempeñan un papel clave, en el sector de la cerámica, tanto en el de los esmaltes como en el de los artefactos sanitarios y la siderurgia. En particular, en el ramo de los esmaltes cerámicos, el cuarzo es de una importancia fundamental, pues es el ingrediente estructural de los denominados esmaltes crudos para ciclos de cocción muy largos, o bien, de fritas, para los ciclos más rápidos.
Los distintos tipos de productos del Grupo Teknoquarz se han hecho con una cuota de mercado destacada, en todos los demás sectores industriales donde el cuarzo se emplea como materia prima -artículos refractarios, arenado, fábricas de pinturas y pastas cerámicas, pisos industriales, filtraciones, abrasivos, colas, mezclas de cemento, pasta lavamanos, pinturas a base de cuarzo, enlucidos plásticos, revestimientos bituminosos, pinturas al agua, antiparasitarios, placas de fibrocemento, adhesivos, antiácidos, anticorrosivos, chips abrasivos, etc.
