Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología de polvos

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1 Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología de polvos Procesado de cerámicos en forma de partícula Introducción: Definición Esquema principal del proceso de obtención Obtención de polvos Granulación Zircona PE Ejemplos: Procesado del SiC Procesado de Si3N 4 1

2 Introducción: Propiedades de los materiales cerámicos MATERIALES CERÁMICOS La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere de forma general a la arcilla. Sin embargo, el uso actual de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos. Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por enlaces iónicos y/o covalentes. 2

3 Introducción: Clasificación Vidrios Basados en SiO 2 + aditivos para T f TRANSPARENTES DUROS A T amb RESISTENTES A CORROSIÓN Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla) Cerámica porosa (Ladrillos, alfarería, loza) Cerámica compacta (porcelana, gres) Cerámica refractaria (Magnesitas, cromitas) Arcilla, Sílice y Feldespatos Arcillas Porcelanas Corideritas Alfarería, ladrillos, tejas Aislantes eléctricos (Al 2 O 3 -SiO 2 -K 2 O) elementos calefactores (Al 2 O 3 -SiO 2 -MgO) Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones: Oxídicas No Oxídicas 3

4 Introducción: Clasificación Según composición: Oxídica Al 2 O 3 ZrO 2 Según aplicaciones: Refractarios: Al 2 O 3, MgO, ZrO 2 Molde fundido de metales, hornos Cerámica Estructural NO Oxídica Mullita Carburos Nitruros Siliciuros Boruros Abrasivos: SiC, Al 2 O 3,diamante Esmeriladoras, polvos pulido, herramientas de corte Eléctricos y magnéticos: BeO, Al 2 O 3, AlN, ZnO, ferritas Semiconductores, substratos, imanes, varistores.. Diamante Nucleares: UO 2 Combustible nucleas Biológicos: SiC, Al 2 O 3,ZrO 2 Prótesis, componentes dentales 4

5 Esquema general de procesado de los materiales cerámicos 1. Obtención de materia prima en forma de polvo Reacción en estado sólido Precipitación a partir de soluciones Precipitación a partir de fundidos Precipitación a partir de fase vapor Precipitación a partir de intermedios vítreos 2. Preparación de materia prima 3. Conformado 4. Tratamiento térmico 5

6 Esquema general de procesado de los materiales cerámicos 2.Preparación de materia prima Natural (molienda-purificación) Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda) 3.Conformado A partir de pulpas Colada en molde permeable Colada en cinta Extrusión A partir de polvos Sin calor Compactación uniaxial Compactación isostática (CIP) Con calor Compresión en caliente Compactación isostática en caliente (HIP) Moldeo por inyección (PIM) 4.Tratamiento térmico Secado Cocción (sinterizado) 6

7 Esquema del proceso de obtención mediante tecnología de polvos Polvos Molienda Mezcla Húmedo /seco Granulado Granulación Globulización Spray Drying Conformado Compactación Uniaxial Isostática Extrusión PIM Casting Rapid Prototyping Sinterización Atmósfera Vacío SPS HIP Acabado Rectificado Recubrimientos Afilado 7

8 Procesado: HIP Prensado isostático en caliente (HIP) Fluido = gas inerte 8 Etapas: -polvo en molde (metálico o vidrio) -vacío en molde -molde en autoclave de P Ventajas: -Buena distribución de P en el compacto uniformidad de prop. -Obtención de formas más complicadas -Para piezas de dureza Desventajas: - precio de equipo -Poco control dimensional sobre producto -Discontinuidad del proceso. "Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

9 Procesado: Tape Casting 9

10 Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si 3 N 4 2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonal Se descompone a temperaturas altas (1700ºC, N 2 +Si fundido) (1880ºC en 1 bar N 2 ) Propiedades: Dureza Resistencia desgaste Resistencia a flexión conductividad térmica Resistencia a alta T. Densidad 3-3,3 g/cm 3 Enlace covalente, dónde el Si presenta hibridación sp 3 y el N sp 2. Aplicaciones Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de corte, camisas de pistones 10

11 Cerámicas estructurales: Si 3 N 4 Componentes para turbinas de Si 3 N 4 : permiten la entreada de gases más caliente, aumentan la eficiencia en un 40% Si 3 N 4 rotores 11

12 Cerámicas estructurales: Si 3 N 4 Fabricación de los polvos a) Nitruración de polvos de Si 3Si+2N 2 Si 3 N 4 b) Reducción carbotérmica de la sílice 3SiO 2 +6 C +2N 2 Si 3 N 4 + 6CO c) Reacción fase vapor 3SiCl 4 +4NH 3 Si 3 N 4 12 HCl Exotérmica: arde, contaminación con elementos de molienda Ligera contaminación con grafito 3SiCl 4 +4NH 3 Si 3 N 4 12 H 2 d) Precipitación y descomposición térmica a) 3SiCl 4 + 6NH 3 Si(NH) NH 4 Cl b) Si(NH) Si 3 N HH 3 Elevadas trazas de Cl Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales 12

13 Cerámicas estructurales: Si 3 N 4 Principales rutas de procesado Si Si +aditivos Si 3 N 4 + aditivos Aditivos: óxidos metálicos, Y 2 O 3, Al 2 O 3, MgO, ZrO 2 (3-15%mol) Conformado Nitruración Sinterización HIP Prensado Caliente Pieza Final RBSN Pieza Final SRBSN Pieza Final SSN Pieza Final Pieza Final mecanizado RBSN: Sinterización reactiva: Reaction bonded silicon nitride En presencia de atmósferas nitrurantes. Proceso largo a T: 1250º-1450ºC. Produce aumento de volumen, porosidad final 20%. SSN: Sinterización Si 3 N 4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T: 1700º-17850ºC 13

14 Cerámicas estructurales: Ejemplo: SiC Primer abrasivo artificial desarrollado a finales XIX (carbodurum). Material estructural para aplicaciones a elevada temperatura.elevada resistencia a T, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión. Enlace covalente (12% iónico) Estructura cristalina: polimorfos β y α. Presenta POLITIPISMO*: Estructura cúbica (β-sic) a = Ǻ 3C Estructuras hexagonal y romboédrica (α-sic): Hexagonal: (a = Ǻ; c = n x Ǻ) Romboédrico: (a = Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes politipos del SiC Secuencia No. hexagonal (h) No. cubic (k) 2H AB 1 0 3C ABC 0 1 4H ABCB 1 1 6H ABCACB R ABCACBCABACABCB 2 3 Densidad (3.21 g/cm 3 ) y propiedades mecánicas idénticas Aplicaciones Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste, válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas *Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas. 14 Bastidores espejos solares

15 Cerámicas estructurales: SiC Composite SiC/SiC para componentes de turbinas Tras h de ensayo se demuestra una dismunción de emisión de <15 ppm NOx y <10 ppm CO 15

16 Cerámicas estructurales: SiC Obtención del Polvo de SiC Reducción Carbotérmica Polvo irregular Proceso Acheson (Carborundum). A altas T (2300ºC): α-sic. Molienda SiO 2 + 3C SiC (α)+ 2CO A bajas T ( ºC): β-sic Tamaño fino SiO 2 + 3C SiO+ 2CO SiO + 2C SiC (β)+ CO Edward Goodrich Acheson (Washington, ), descubridor del carburo de silicio o carborundum Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico Estructura β-sic SiCl 4 +CH 4 SiC + 4 HCl SiH 4 +C 2 H 4 2 SiC + 6 H 2 Reacción Directa (T 1200ºC) Si +C SiC 16

17 Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado Sinterización por reacción (RBSC) Sinterización en estado sólido (SSC) Sinterización en fase líquida (LPSC) Material bifásico que contiene 10% Si. Se forma por reacción de una mezcla SiC-C en Si líquido (vapor) ºC Grafito 1650ºC SiC primario SiC primario Si 10% vol. Si SiC secundario β 17

18 Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado Sinterización por reacción (RBSC) Sinterización en estado sólido (SSC) Sinterización en fase líquida (LPSC) Sinterabilidad muy baja, Si 3 N 4 : Coeficiente de difusión muy bajos Energía superficial intergranular muy elevada coarsening Se necesitan polvos muy finos T superiores a 2000ºC Atmósferas inertes. Aditivos: C y BC 4 18

19 Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado Sinterización por reacción (RBSC) Sinterización en estado sólido (SSC) Sinterización en fase líquida (LPSC) Sinterización a temperaturas más bajas ( ºC) Mayor tenacidad (6-7 vs MPa m 1/2 ) Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO 2 19

20 Cerámicas estructurales: ZrO 2 La zircona en inyectores para motores diesel reducción emisiones. Excelente resistencia a la corrosión y desgaste, evita gripado. Aumenta la P de trabajo. 20