Los materiales cerámicos
son materiales inorgánicos compuestos por elementos metálicos y no metálicos
vinculados químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mixtura
de ambos.
Poseen una alta dureza y resistencia al
calentamiento, pero tienden a la fractura frágil. Se caracterizan
principalmente por su bajo peso, alta rigidez y baja tenacidad, alta
resistencia al calor y
al desgaste, poca fricción y buenas propiedades aislantes.
Los materiales cerámicos son baratos, pero su
procesado hasta producto terminado
es normalmente lento y laborioso. Además, la mayoría de estos materiales se
daña fácilmente por impacto a causa de su baja o nula ductilidad.
Históricamente, los cerámicos se cuentan entre los
materiales más antiguos hechos por el Hombre.
Si bien su invención data del Neolítico, el primer pueblo que desarrolló técnicas para
elaborar la cerámica fue
el Chino, pasando el conocimiento a Japón,
la India,
Medio Oriente, Egipto, Grecia y
finalmente Europa.
Estas civilizaciones, en contraposición a las culturas prehistóricas que
simplemente dejaban secar las piezas de cerámicas al sol o junto a una fogata,
fueron desarrollando métodos de cocción en
hornos, lo que mejoró las prestaciones del
material y sus bondades estéticas.
Estructura
Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla
de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy
simples a las más complejasmezclas de
fases. Su abundancia en la naturaleza y
las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los
convierte en materiales sumamente importantes.
Según su estructura,
los cerámicos pueden clasificarse en dos grandes grupos,
los cristalinos o cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. A su vez, los
cristalinos pueden ser monocristalinos o policristalinos. (ver Cuadro 1)
Cuadro 1. Clasificación
de los cerámicos según su estructura.
Los que presentan estructura policristalina o no
cristalina pueden a su vez ser monofásicos o polifásicos.
Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres
grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad estructural
fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales
refractarios. Los cerámicos de óxido sin silicatos son
compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las cerámicas
sin óxidos, como el ZnS, SiC y TiC,
se utilizan como material para elementos calefactores de horno, así como
material abrasivo.
Cuadro 2. Cerámicas
cristalinas.
Estructura no cristalina. Los átomos se acomodan en conjuntos irregulares
y aleatorios. Los sólidos no cristalinos con una composición comparable a la de
las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. La mayor parte de
los vidrios que se comercializan son silicatos.
Estructura
Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla
de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a
las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las
diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los
convierte en materiales sumamente importantes.
Cristales cerámicos
Hay dos características de los iones que componen
los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina:
v El valor de
la carga eléctrica de los iones componentes.
v Los tamaños relativos de los cationes y aniones.
Con respecto a la primera, el cristal debe ser
eléctricamente neutro; es decir debe haber igual número de cargas positivas (
de los cationes) que de cargas negativas (de los aniones). La fórmula química de un
compuesto indica la proporción que debe haber entre cationes y aniones para que
se mantenga la neutralidad. El segundo aspecto comprende el tamaño de los
radios iónicos de los cationes y aniones RC y RA . Puesto que los elementos
proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son generalmente menores
que los aniones por lo tanto RC/RA es menor que uno. Cada catión de rodeará de
tantos aniones vecinos más próximos como le sea posible. Los aniones también se
rodearán del máximo número de cationes posibles como vecinos más próximos.
Las estructuras cristalinas se vuelven más estables
mientras mayor sea el número de aniones que rodean al catión central.
Carbono
El carbono es
un elemento que existe en varias formas polimórficas, así como en estado amorfo.
Este grupo de
materiales no cae dentro de ninguna de las clases tradicionales en que se
clasifican los materiales: metales, cerámicas y polímeros. Sin embargo hemos
decidido nombrar estos materiales puesto que el grafito (una de las formas
polimórficas) se clasifica a veces como una cerámica; y también porque la
estructura cristalina del diamante (otro polimorfo) es similar a la de la
blenda ( ZnS), un compuesto cerámico.
Diamante
El diamante es un polimorfo metaestable de carbono
a temperatura ambiente y presión atmosférica.
Cada átomo de
carbono está unido con otros cuatro átomos de carbono mediante enlaces
totalmente covalentes.
Se caracteriza por ser extremadamente duro (el
material más duro conocido) y por su poca conductividad eléctrica.
Grafito
El grafito
es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta por
capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente: en cada capa cada átomo
de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el
cuarto electrón de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de van der waals
entre las capas. Como consecuencia de estos enlaces interplanares débiles, la
separación interplanar es considerable y el deslizamiento entre planos fácil.
Sus propiedades: Alta conductividad eléctrica, alta resistencia y buena
estabilidad química a temperaturas elevadas.
Estructuras cerámicas de silicatos
Muchos
materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y
oxígenos enlazados entre sí en varias distribuciones. También un número de
formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas
son silicatos; ya que el silicio y el oxígeno son los
dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre.
Se
caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades especiales. Las
estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento Portland,
ladrillos y aislantes eléctricos.
Imperfecciones
en las estructuras cerámicas cristalinas
Defectos
atómicos puntuales
En los
materiales cristalinos cerámicos los átomos existen como iones cargados. Esto
hace que la estructura de defectos debe cumplir las condiciones de
electroneutralidad . Por consiguiente los defectos en las cerámicas no ocurren
de forma aislada. Un tipo de defecto está formado por una vacante catiónica
y3un catión intersticial. Esto se denomina un defecto Frenkel. Puede verse como
un catión que abandona su posición normal y se mueve a una posición
intersticial manteniendo su contribución de carga positiva, lo que asegura la
neutralidad.
Otro tipo de
defecto encontrado en materiales AX es un par vacante catiónica- vacante
aniónica conocido como defecto Schottky, creado por la eliminación de un catión
y un anión desde el interior de un cristal. El hecho de que para cada vacante
aniónica exista una vacante catiónica asegura que la neutralidad de la carga
del cristal se mantenga.
Estos dos
defectos, por otra parte, no alteran las proporciones de aniones y cationes
manteniendo la estequiometría en
el material.
Impurezas en
cerámicas
Los átomos
de impurezas pueden formar soluciones sólidas
en los materiales cerámicos tanto intersticiales como sustitucionales
En el caso de las intersticiales, los radios iónicos de las
impurezas deben ser pequeños en comparación con los del anión. Una impureza
sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en el comportamiento eléctrico.
Para que en el estado sólido haya una solubilidad apreciable de los átomos de
impurezas sustitucionales, los tamaños iónicos y la carga deben ser casi
iguales a los de los inoes disolventes. Si una impureza tiene una carga
distinta a la del ión al cual sustituye red como los anteriormente descriptos.
Dislocaciones
En algunos
materiales cerámicos incluyendo el lif, el zafiro (Al2O3) y el MgO se observan
dislocaciones. Sin embargo estas no se mueven con facilidad debido a un vector
de Burguers grande a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamientos y a la necesidad de
romper enlaces iónicos fuertes para después obligar a los iones a deslizarse a
los de carga opuesta. Como consecuencia las grietas no se redondean por la
deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta y su
propagación continúa. Eso es lo que hace de los cerámicos, materiales frágiles.
Defectos
superficiales
Los límites de grano y las superficies de las
partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. Un cerámico
con grano de tamaño fino tiene mayor resistencia que uno de grano más grueso.
Los granos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus
bordes debido a la expansión y a la contracción anisotrópica, Normalmente se
produce un tamaño de grano fino utilizando desde el principio materias primas
cerámicas de partículas más finas (en el caso de sinterizado).
Las
superficies de las partículas que representan planos de uniones covalentes o
iónicas rotas y no satisfechas, son reactivas. Distintas moléculas pueden ser
absorbidas en la superficie para reducir la energía superficial, alterando su
composición, sus propiedades y su conformabilidad.
Porosidad
En un
material cerámico los poros pueden estar interconectados o bien, cerrados. La
porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad
(facilidad con la cual pasan gases y otros
fluidos a través del cerámico). Se determina pesando el material cerámico seco
(WD) después de vuelve a pesar cuando está suspendido en agua (WS) y
después de que ha sido retirado el agua (WW).
Ejemplos de materiales cerámicos
Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.
Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos de microondas, en abrasivos y como material
refractario.
Óxido de cinc (ZnO), semiconductor.
Magnetita (Fe3O4),
es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos
de memorias magnéticas.
Esteatita,
utilizada como un aislante eléctrico.
Ladrillos,
utilizados en construcción.
Propiedades eléctricas de los cerámicos:
Los materiales cerámicos se usan ampliamente en la industria eléctrica y electrónica. Principalmente como aislantes
(dieléctricos) eléctricos o encapacitores.
Otra aplicación difundida es derivada de las
propiedades piezoeléctricas de ciertos tipos de cerámicas.
Propiedades de los componentes dieléctricos:
La unión iónica y covalente en materiales cerámicos
restringe la movilidad de los iones y de los electrones (los cales se comporten
entre dos átomos o son cedidos de un átomo a otro) y esto determina que estos
materiales sean buenos aislantes eléctricos
Existen 3 propiedades básicas de los componentes
dieléctricos.
Constante dieléctrica Ruptura dieléctrica Factores
de perdida
Comportamiento dieléctrico:
Este tipo de material cerámico presenta una
estructura bipolar (entidades de cargas (+) y (-) a nivel atómico o molecular
separadas) por lo en presencia de un campo eléctrico estos se orientan y es
posible usarlos en capacitores.
Constante dieléctrica:
La constante dieléctrica de un
medio continuo es una propiedad macroscópica.
El efecto de la constante dieléctrica se manifiesta
en la capacidad total de un condensador eléctrico o capacitor. Cuando entre los
conductores cargados o paredes que lo forman se inserta un material dieléctrico
diferente del aire la capacidad de almacenamiento de la carga del
condensador aumenta. De hecho la relación entre la capacidad inicial Ci y
la final Cf vienen dada por la constante eléctrica:
La alta constante dieléctrica de ciertos tipos de
cerámicos permite la miniaturización de capacitores.
La alta constante dieléctrica de
ciertos tipos de cerámicos permite la miniaturización de capacitores.
C = (E. k .
A) / d
C: capacidad
E: Permeabilidad en el vacío (ctte)
k: constante dieléctrica d: distancia entre placas
Rigidez dieléctrica:
Entendemos por rigidez dieléctrica el valor límite de la
intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad
aisladora y pasa a ser conductor (ruptura eléctrica). También podemos definirla
como la máxima tensión que puede soportar un aislante sin perforarse. A esta
tensión se la denomina tensión de rotura.
Si el dieléctrico es sometido a una diferencia de voltaje
suficientemente alta, el esfuerzo de los electrones y los iones en su intento
por pasar a través del dieléctrico puede superar la rigidez dieléctrica
ocasionando que el material empiece a fallar y finalmente se produzca el paso
de electrones.
La tabla 10.7 muestra valores de rigidez dieléctrica de algunos
materiales aislantes cerámicos.
Factor de pérdida:
Es una medida de la energía eléctrica perdida (en forma de
calor) por un capacitor en un circuito de corriente
alterna.
La tabla 10.7 muestra valores de factor de pérdida de algunos
materiales aislantes cerámicos.
Comportamiento piezoeléctrico:
Efecto electromecánico por el cual una fuerza mecánica en un
material ferro eléctrico produce una respuesta eléctrica o fuerzas eléctricas
una respuestamecánica.
Algunos pocos materiales cerámicos como el titanato de bario los
cuales son cerámicos denominados ferro eléctricos que se caracterizan por ser
cerámicos iónicos cristalinos cuyas celdas unidad no poseen centro de simetría
y por ende contienen pequeños momentos dipolares que en su sumatoria darán un
momento dipolar total.
En la figura superior vemos un esquema ilustrativo de dipolos
dentro de un material piezoeléctrico.
Veamos primero que si sometemos la pieza a esfuerzos compresivos
se reducirá la distancia entre dipolos y por ende el momento bipolar total por
unidad de volumen del material, lo cual modifica la
densidad de carga en las caras de la muestra y así cambia la ddp.
En segundo lugar veamos que si aplicamos un campo eléctrico la
densidad de carga en los extremos de la muestra cambia lo que implica variación
en las dimensiones de la muestra
Semiconductores
cerámicos:
Mediante
soluciones sólidas de óxidos metálicos sintetizados de Mn, Ni, Fe, Co y Cu con
alta diferencia de resistividad se pueden crear semiconductorescon
una conductividad intermedia por combinación de óxidos metálicos.
EJ: El compuesto cerámico magnetita Fe3O4 tiene una resistividad
de 10-5 O.m
La mayoría de los óxidos metálicos de transición tienen una
resistividad de 10 8 O .m
Si a la magnetita Fe3O4 de alta conductividad le aditamos
cantidades crecientes de MgCr2O4 de alta resistividad lograremos reducir
gradualmente la conductividad de la solución sólida.
Aplicaciones:
Circuitos integrados, transistores,
microprocesadores
Propiedades térmicas de los
cerámicos:
En general la mayoría de los materiales cerámicos tiene baja
conductividad térmica debido a sus fuertes enlaces iónicos covalentes y son
buenos aislantes térmicos. La figura 10.49 compara conductividades térmicas de
distintos materiales cerámicos en función de la temperatura. Debido a la
resistencia al calentamiento son usados como refractarios.
Conductividad térmica:
La conducción térmica es un fenómeno por el cual el calor se transporte de
una región de alta temperatura del material a otra de baja temperatura. La
conductividad térmica caracteriza la capacidad de un material de transferir
calor
Los materiales que no poseen electrones libres son aislantes
térmicos y solo existe transporte de calor por vibraciones de la red.
El vidrio y otras cerámicas amorfas tienen
conductividades menores que las cerámicas cristalinas por su estructura atómica
altamente desordenada e irregular.
Esfuerzos térmicos ó tensiones:
Las tensiones térmicas son tensiones inducidas en un cuerpo como
resultado de
Cambios en la Temperatura.
Tensiones resultantes de la expansión y contracción térmicas
confinadas.
Lo cual puede producir fracturas y agrietamiento, lo cual se da
por lo general en los procesos de
secado.
Choque térmico de un material frágil:
El enfriamiento rápido de un material introduce en las tensiones
superficiales de reacción, contribuyendo a la formación de grietas y su
propagación a partir de defectos superficiales y pudiendo producir rotura. La
capacidad de un material de soportar esta clase de falla
se llama resistencia al choque térmico. Para un cuerpo cerámico que es
rápidamente enfriado, la resistencia al choque térmico depende no solo de la
magnitud del cambio de la
Temperatura sino también de las propiedades mecánicas y térmicas del material.
La resistencia al choque térmico es mejor para cerámicos que tienen alta
resistencia a la fractura así como bajo modulo de elasticidad y bajo coeficiente de expansión
térmica.
Porosidad:
Los poros
cumplen una función importante, al permitir soportar shocks térmicos
(quebraduras como resultado del rápido cambio de temperatura). Cuando la
porosidad es más baja se produce una pérdida de la capacidad aislante y de la
resistencia al shock.
En general, los cerámicos tienen alto punto de fusión,
debido a sus uniones iónico – covalentes.
Propiedades mecánicas de los cerámicos:
Considerando a los cerámicos como una clase de material, podemos
decir que estos son relativamente frágiles, en estos la resistencia a la
tracción (o tensión) que soportan los materiales cerámicos varía enormemente
pero en ningún caso soporta los 172 Mpa
Mientras que la resistencia a la compresión es de 5 a 10 veces
superior.
Por lo general los materiales cerámicos son duros y tienen baja
resistencia al impacto debido a sus uniones iónico – covalentes.
Mecanismos para la deformación en cerámicos:
Con enlaces covalentes entre capas de átomos: en esta situación cuando
el material es sometido a una tracción lo suficientemente alta se separan las
uniones de pares de electrones sin que se vuelvan a formar luego y se produce
una fractura quebradiza.
Es por eso que los cerámicos enlazados covalententemente son
frágiles tango para estructuras monocristalinas como
policristalinas.
Con enlace Iónico:
Monocristalinos: muestran
deformación plástica bajo fuerzas compresoras a temperatura ambiente. Ej.:
oxido de magnesio y cloruro de sodio (sin embargo los cerámicos policristalinos
son los mas usados en la industria); en estos los deslizamientos se producen
sobre las filas. de planos {110} donde los iones son de igual carga.
Policristalinos: En regiones
donde predominan los enlaces iónicos, la rotura se produce por repulsión de
iones de igual carga al querer producir deslizamiento sobre la flia. de planos
{100}.
Cerámicos tradicionales y cerámicos de ingeniería
Otra clasificación de los cerámicos los divide en
cerámicos tradicionales y de ingeniería.
Cerámicos tradicionales. Los cerámicos tradicionales son
silicoaluminados derivados de materias primas minerales. Se constituyen de tres componentes
básicos: la arcilla (SiO2Al2O3OH), sílice o silex (SiO2, arena) y feldespato
(SiAlO2K o SiAlO2Na).
La arcilla, a su vez, está compuesta
principalmente por silicatos de aluminio hidratados con pequeñas
cantidades de otros óxidos. Antes que el material endurezca por el fuego, las
arcillas se pueden trabajar, y constituyen el cuerpo principal del material.
Por su lado, el sílice (SiO2, silex, arena o cuarzo) funde a
altas temperaturas y constituye el componente refractario de los cerámicos
tradicionales. El feldespato potásico funde a baja
temperatura, transformándose en vidrio, formando una fase líquida que une los
componentes refractarios y facilita la sinterización.
Las aplicaciones estructurales de
la arcilla, como los ladrillos para la construcción, las tuberías de desagüe,
las tejas y las losetas para pisos, están fabricadas a partir de "arcillas
brutas" o naturales, las cuales contienen los tres componentes básicos.
Cerámicos de ingeniería. Las cerámicas técnicas o de ingeniería son
fabricados con compuestos sintéticos puros o casi puros; principalmente óxidos,
carburos, nitruros. Algunas de las más importantes cerámicas de ingeniería son: alúmina (Al2O3) en industrias microelectrónicas, nitruro de
silicio (Si3N4) se usa para herramientas de corte como el torno, carburo de silicio (SiC) se utiliza
como abrasivos y circonia (ZrO2) combinados con algunos otros óxidos
refractarios, para recubrimiento de las superaleaciones de los álabes de las
turbinas.
Procesamiento de cerámicos tradicionales
Las etapas básicas para el procesado de cerámicos
son tres:
1. Preparación del material
2. Moldeado (en
seco o en húmedo)
3. Tratamiento térmico por secado y horneado por
calentamiento de la pieza de cerámica.
Conformado, procesamiento de materiales cerámicos
Los materiales cerámicos tiene dos propiedades que
son determinantes de sus métodos de conformado y procesado. Poseen un alto
punto de fusión y casi nula deformación térmica hasta a altas temperaturas.
Estos factores hacen que la fusión de los cerámicos para conformarlos y
trabajarlos como líquidos sea inviable. Es por ello que se le da forma al polvo
o mezcla de polvo, agua y aditivos sin previa cocción y luego se produce la
liga cerámica por calentamiento.
El esquema de la figura muestra los distintos tipos
de materiales cerámicos:
Las materias primas de cada producto varían de
acuerdo a las propiedades requeridas por la pieza terminada. En las cerámicas
tradicionales, las que se emplean con mayor frecuencia son los barros o arcillas.
Productos de la arcilla
Las arcillas contienen muchas fases, pero la más
importante es la arcilla mineral, como la caolinita, que le confiere la
plasticidad. La cantidad y tipo de minerales en una arcilla varían
considerablemente; sin embargo, las características comunes de todos los
materiales arcillosos son una estructura lam inar y la capacidad de absorber
agua en la superficie y entre esas placas.
Muchos de los procesos hoy en día se producen a
partir de estas materias primas, las cuales primero son sometidas por una
operación de molienda para reducir su tamaño de partícula mediante un molino de
bolas. El polvo obtenido tiene una buena plasticidad y su humedad varía según
el método de conformado a usar, pero su
resistencia es baja debido a que el conformado se hace en verde. También se
utilizan sílice y feldespatos (usados como fundentes); estos últimos para
formar una fase vítrea en las pastas, a fin de promover la vitrificación y
translucidez.
La arcilla es un ingrediente barato que se
encuentra en abundancia y son fáciles de conformar se clasifica en productos
estructurales de arcilla(ladrillos, baldosas, tuberías) y las porcelas (alfarería,
sanitarios y vajillas). La mezcla de los ingredientes con agua es una práctica
común. El agua hace que la arcilla sea maleable, y en consecuencia, fácil de
trabajar en ese estado luego para retirar la humedad es después cocida a
temperaturas elevadas y además conferirles buena resistencia mecánica.
Las arcillas son alumiosilicatos formadas por
aluminia y sílice que contienen agua enlazada químicamente,
Los minerales de arcilla desempeñan un papel
fundamental en las piezas cerámicas, estos cuando se añade agua, se hacen muy plásticos, (propiedad que se denomina
hidroplasticidad) las moléculas de agua del liquido encajan entre las capas
formando una película delgada alrededor de las partículas de arcilla
permitiéndoles moverse libremente una respecto de las otras, lo cual resulta
una mezcla de arcilla-agua
Técnicas de conformado
Existen diversas técnicas, y la que se elija
depende del material y de la forma, el tamaño y las propiedades que se deseen
para el componente terminado. Las principales clasificaciones de las técnicas
de conformado son en seco y en húmedo.
Moldeos en húmedo
Moldeo en barbotina o colado. En un molde de escayola (yeso) se vierte una
mezcla de arcilla y agua llamada barbotina; el molde absorbe el agua de 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 poderextraerla del mismo. Las piezas pueden
alcanzar un 9% de humedad, necesitando un secado previo a la
cocción. El molde se construye de forma que sea desmontable. Con este proceso se fabrican los sanitarios.
Figura 4. Tiempo que permanece la barbotina en el
molde, según espesor de la pieza.
Como se ve en la Figura 4, el espesor
es función del tiempo en que se deja la barbotina en el molde de yeso. En la Figura
5 se observa el proceso para una pieza maciza (a) y
otra hueca (b).
Figura 5. Proceso
de moldeo en barbotina para piezas macizas y huecas.
Moldeo por presión. Se utiliza una pasta líquida a presión para
aumentar la velocidad de formación de las piezas. No
se utilizan moldes de escayola, ya que carecen de la resistencia y estabilidad
necesarias a estas temperaturas y presiones. Las piezas suelen salir con
aproximadamente 7% de humedad, por lo que es fundamental el secado de las
mismas previa a la cocción. Mediante este proceso no es posible la obtención de
piezas de gran tamaño debido a los alabeos que se producen en la pieza húmeda
por acción de la gravedad. Un ejemplo que
utiliza esta técnica es la vajilla.
Extrusión. Una
máquina de extrusión fuerza una masa plástica bastante rígida a través de una
boquilla para formar una barra de sección constanteque puede
recortarse en tramos. La arcilla se comprime en el cilindro, por medio de un
pistón. Los tubos, tejas, ladrillos y algunos aislantes eléctricos se fabrican
por extrusión.
Moldeos en seco
Prensado en seco. Consiste
en compactar polvos secos o ligeramente húmedos a una presión lo suficientemente
alta como para formar un artículo relativamente denso y resistente que se pueda
manejar. La pasta líquida se seca por atomización. La mezcla se da
forma a alta presión en una matriz deacero.
En general se emplean dos tipos de prensa,
la hidráulica y la mecánica. Es importante que la pieza se prense, de manera
que adquiera una densidad lo más homogénea posible, de lo contrario se corre el
peligro de que se alabe o que se contraiga irregularmente al cocerla. Cuanto
mejor fluya la mezcla durante el prensado, más fácil será conseguir una
densidad uniforme. El prensado por ambos extremos confiere
mayor homogeneidad que la que se conseguiría si solo se actuara por arriba. Con
la lubricación de las paredes se acaba de perfeccionar la
operación.
Este método se usa con frecuencia para fabricar
materiales refractarios, componentes cerámicos electrónicos y algunas baldosas,
las cuales actualmente se pueden fabricar con mayores tamaños.
Luego del moldeo, se le da un acabado a la pieza,
que, dependiendo de cada caso, constará de recorte y desbarbado, eliminación de
aletas, costuras y sobrantes (ya sea de forma automática o manual), acabado superficial, acabado en seco
(con papel de lija o cepillo) o acabado en húmedo (con esponja o pincel suave).
Secado y cocido
Una pieza cerámica que ha sido conformada
hidroplásticamente o por moldeo en barbotina retiene mucha porosidad, y su
resistencia es insuficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas.
Además, puede contener aún algo del líquido (agua, por ejemplo) añadido para
ayudar a la operación de conformado. Este líquido es eliminado en un proceso de
secado; la densidad y la resistencia aumentan como resultado del tratamiento a
alta temperatura o por el proceso de cocción. Las técnicas de secado y cocción
son críticas, ya que una contracción no uniforme durante estas operaciones puede originar tensiones que
introduzcan muchos defectos, como grietas o distorsiones, que hacen que la
pieza se vuelva inútil.
Secado
Durante el secado, el control de la velocidad de eliminación de
agua es crítico. A medida que un cuerpo cerámico de arcilla se seca, también
experimenta contracción. En las primeras etapas de secado, las partículas de
arcilla están rodeadas por una película muy fina de agua. A medida que el
secado progresa y se elimina agua, la distancia entre partículas disminuye, lo
cual se pone de manifiesto en forma de una contracción. El secado en la parte
interna de un cuerpo se realiza por difusión de moléculas de agua hasta la
superficie, donde ocurre la evaporación. Si la velocidad de evaporación es
mayor que la velocidad de difusión, la superficie se secará, y por lo tanto se
encogerá más rápidamente que en el interior, con una alta probabilidad de formación de los defectos
antes mencionados. La velocidad de evaporación superficial debe ser, como
máximo, igual a la velocidad de difusión del agua, y puede ser controlada
mediante la temperatura, humedad y velocidad del flujo de aire.
Otros factores también influyen en la contracción.
Uno de ellos es el espesor del cuerpo; la contracción no uniforme y la
formación de defectos son más pronunciados en las piezas de gran espesor que en
las delgadas. El contenido de agua del cuerpo conformado también es crítico:
cuanto mayor sea, mayor resultará la contracción, y por eso se busca mantenerlo
tan bajo como sea posible. El tamaño de las partículas de arcilla también
influye en la contracción: ésta aumenta cuanto menor es el tamaño de partícula.
Para minimizar este efecto, el tamaño de las partículas puede aumentarse, o
bien se pueden adicionar materiales no plásticos con partículas relativamente
grandes.
Secado por atomización. Una boquilla atomizadora en la parte superior
de una gran cámara divide la pasta líquida en pequeñísimas gotas que caen a
través de gases calentados, de forma que cuando llegan al fondo de la cámara lo
hacen en forma de pequeñas esferas, a menudo huecas. Dichas esferas son
barridas por un rascador giratorio hacia un transportador.
Secado de cámara. La
cerámica se coloca en una cámara y el ciclo se completa sin movimiento de la misma. Unos ventiladores
de poca velocidad impulsan el aire a través de serpentines de vapor, que luego
llega a las piezas mediante aletas graduables.
Secadores continuos. Las piezas de cerámica avanzan sobre
carretillas o bandas transportadoras, dispuestas en línea recta o en capas, y
van siendo sometidas a una secuencia de condiciones definidas.
Cocción.
La cocción de los productos cerámicos es una de las etapas
más importantes del proceso de fabricación, ya que de ella dependen gran parte
de las características del producto cerámico: resistencia mecánica, estabilidad
dimensional, resistencia a los agentes químicos, facilidad de limpieza,
resistencia al fuego, etcétera. Las variables fundamentales a considerar en
la etapa de cocción son el ciclo térmico (temperatura-tiempo,
ver Figura 8), y laatmósfera del horno, que deben adaptarse a cada
composición y tecnología de fabricación, dependiendo
del producto cerámico que se desee obtene,
