Universitat Politècnica de València

Transcripción

1 cerámicos. 1 El Procesado de los Cerámicos. Los materiales cerámicos constituyen un conjunto de materiales que se emplea tanto en aplicaciones tradicionales (construcción, cerámica, vidrio) como en aplicaciones tecnológicas de alto nivel (cermets, productos refractarios, de bajo desgaste), lo cual supone una dualidad muy acusada en el estudio de su procesado. Su importancia se debe a: La abundancia que existe en la naturaleza de las materias primas para su obtención. La gran diferencia existente con respecto a los otros tipos de materiales en lo que se refiere a propiedades físicas y mecánicas. cerámicos. 2 El Procesado de los Cerámicos. A efectos de la clasificación de los procesos de conformado, pueden distinguirse tres grandes grupos de materiales cerámicos: cerámicos tradicionales, basados en silicatos y que se aplican la fabricación de productos de alfarería, loza, ladrillos, abrasivos comunes y cemento. Nuevos materiales cerámicos, basados en compuestos de óxidos y carburos y cuyas mejores características físico-mecánicas permiten su aplicación como materiales refractarios, antidesgaste y abrasivos. Vidrios, basados en el sílice y que se diferencian por no presentar una estructura cristalina, lo que permite su aplicación en la fabricación de cristales, fibra óptica y aislamientos.

2 cerámicos. 3 El Procesado de los Cerámicos. No obstante, los procesos de conformado de los materiales cerámicos en general se resumen en el siguiente esquema. Fundición Conformado por eliminación de material cerámicos Procesado de polvos cerámicos. 4 Procesado de los materiales cerámicos tradicionales. Este tipo de materiales cerámicos se procesan tomando como materia prima minerales que se encuentran directamente en la naturaleza (arcillas). Las fases principales de este proceso son las siguientes: Preparación de polvos Moldeado Secado Cocción/Sinterizado

3 cerámicos. 5 Preparación de polvos. La fase de preparación de polvos se inicia con el triturado y pulverización de la materia prima con el objetivo de obtener un material en forma de polvo fino y granulometría controlada. El procedimiento de triturado se efectúa mediante trituradoras y molinos trituradores que actúan por impacto, compresión y rozamiento, cuyo objetivo es el de reducir el tamaño de los grandes bloques de partida. Esta operación se realiza a través de una serie de etapas, cada una de las cuales provoca una reducción de 3 a 6 en el tamaño de los bloques. cerámicos. 6 Preparación de polvos.

4 cerámicos. 7 Preparación de polvos. Articulación esférica Triturador de quijadas Quijada fija Quijada móvil Mecanismo Excéntrica Cono triturador giratorio Anillo triturador cónico Triturador giratorio Excéntrica Eje motor Soporte superior Triturador de rodillos Rodillos Alimentación Garganta de alimentación Quijadas Molino de martillos cerámicos. 8 Preparación de polvos. Tras la fase de trituración, el material en forma de pequeños bloques es pulverizado mediante molienda, que lo reduce a polvo fino. En esta fase los mecanismos predominantes son el impacto y la abrasión, que actúan por el movimiento de un medio duro y libre (bolas, piedras, barras) sobre el que interactúa el material. Durante esta fase se realiza el control del tamaño de las partículas, ya que de éste influye en las características físicas y mecánicas del producto final.

5 cerámicos. 9 Preparación de polvos. cerámicos. 10 Preparación de polvos. Los esquemas de los equipos de pulverizado se observan a continuación. Material Tambor Material Rodillos motrices Bolas Rodillos Aire Depósito Mesa giratoria Eje motor Molino de bolas Molino de rodillos Molino por impacto

6 cerámicos. 11 Preparación de polvos. Una vez pulverizado, el polvo es mezclado con agua para obtener una pasta plástica que permita el moldeado de la misma y la obtención de la forma del producto. No obstante, cuando se elimina el agua de la pasta para generar la pieza definitiva, existe el riesgo de agrietamiento del material, por lo que en esta fase se añaden aditivos cerámicos que evitan este defecto. También se añaden otros aditivos específicos para mejorar ciertas características del material: fundentes, que por vitrificación favorecen el sinterizado de la partículas, materias no plásticas (alúmina, sílice), que disminuyen la contracción de pieza, agentes humectantes, que mejoran la mezcla de los componentes. cerámicos. 12 Moldeado. Durante la fase de moldeado se da al material la forma adecuada para generar el producto definitivo. Para generar este moldeado se requiere una proporción adecuada de polvo y agua. Esto permite que la fluidez de la pasta sea la adecuada para que la misma fluya y rellene correctamente el interior del molde y no provoque defectos por falta de llenado. Por este motivo, los procesos de moldeado se clasifican en función de la consistencia o fluidez de la pasta empleada, considerando para ello el porcentaje de agua que se utiliza para obtener la pasta.

7 cerámicos. 13 Moldeado deslizante. Esta técnica de moldeado requiere de una elevada fluidez de la pasta. Para ello, el contenido de agua de la misma oscila entre un 20% y un 40% en peso, de forma que la mezcla se comporta como un fluido (suspensión). Suspensión Molde de yeso cerámicos. 14 Moldeado deslizante. Esta característica de fluidez de la suspensión permite que ésta pueda alcanzar sin problemas todos los detalles y resquicios del molde, pero debe limitarse el contenido en agua para que la velocidad de producción sea lo más elevada posible. La dos variantes de este proceso son: Moldeo con drenado, en la que parte de la suspensión se retira antes de que se solidifique por completo. Se obtienen así productos huecos. Moldeo sin drenado, en la que se permite que toda la suspensión adquiera solidez y produzca un elemento macizo. En ambos casos, debe aportarse durante el proceso la cantidad suficiente de suspensión para compensar la contracción por pérdida de agua.

8 cerámicos. 15 Moldeado plástico. Este tipo de moldeo se realiza con una mezcla plástica con un contenido en agua entre el 15% y 25%, de manera que puede efectuarse de forma manual (arcillas con alto contenido de agua y mayor fluidez) o automatizada (arcillas con bajo contenido de agua y menor fluidez). cerámicos. 16 Moldeado plástico. El moldeo automatizado se puede realizar de distintas formas: mediante molde de conformado, mediante terraja, por extrusión. Bloque de arcilla Molde inferior de yeso Molde superior de yeso Bloque preformado Terraja

9 cerámicos. 17 Moldeado semiseco. En este caso la mezcla plástica tiene un contenido en agua entre el 10% y 15%, lo que provoca que el material presente una baja fluidez y precise de un molde para generar el conformado en el que se aplica una elevada presión. Bloque de arcilla Rebaba cerámicos. 18 Moldeado seco. Este tipo de moldeo se realiza cuando la mezcla plástica tiene un contenido en agua inferior al 5%, lo que provoca que el material presente una baja fluidez y que se precisen aglutinantes a la mezcla para proporcionar la resistencia y cohesión suficientes para la manipulación de la pieza moldeada. Sólo es aplicable a geometrías sencillas, ya que el material no fluye con facilidad, y debe dosificarse correctamente la cantidad de material inicial. Las principales ventajas de este proceso son que la contracción por secado es prácticamente nula y no se generan rebabas en la forma obtenida.

10 cerámicos. 19 Secado. La humedad restante que presenta la mezcla moldeada debe ser retirada para evitar que durante el proceso de cocción/sinterizado se produzcan porosidades y grietas. La fase de secado elimina la humedad residual del material sin que se produzca un deterioro de la pieza, con el inconveniente de provocar una contracción de volumen que depende de la cantidad de agua. Este proceso se realiza en cámaras o estufas, con temperatura, humedad y velocidades de calentamiento controladas, y cuya duración es función del espesor de la pieza (15 min. para espesores pequeños, varios días para grandes grosores). cerámicos. 20 Secado. El ciclo de secado se realiza por etapas para evitar que la disminución brusca de humedad en pieza provoque una mayor tendencia al agrietamiento. Volumen agregado Progreso de secado Velocidad de secado Fase 2 Fase 1 Progreso de secado Contenido de humedad

11 cerámicos. 21 Cocción/sinterizado. Con el objeto de que el material adquiera la resistencia y cohesión definitivas, se somete a la pieza secada a un proceso de cocción en horno que provoca el sinterizado de los granos, el aumento de densidad del material y la disminución de su porosidad. Estos efectos generan una nueva contracción del volumen de la pieza. cerámicos. 22 Cocción/sinterizado. En el caso de los productos cerámicos no vidriados, sólo se efectúa una fase de cocción para generar el endurecimiento del material. Cuando se desea mejorar el aspecto del producto y la impermeabilidad del mismo, tras la fase de cocción inicial se aplica un recubrimiento cerámico que produce el vidriado de su superficie. En este último caso, se precisa de una segunda fase de cocción que provoca la vitrificación del recubrimiento.

12 cerámicos. 23 Procesado de los nuevos materiales cerámicos. Este tipo de materiales, a diferencia de los tradicionales, y dado que provienen de materias primas diferentes (óxidos, carburos, nitruros), no presentan la plasticidad y facilidad de moldeo de los tradicionales. Por este motivo, el conformado de estos materiales requiere de otros componentes adicionales que confieran a la mezcla la plasticidad y propiedades adecuadas. Por este motivo las fases principales de este proceso, aunque similares a las de los materiales tradicionales, difieren notablemente en cuanto a aspectos tecnológicos se refiere. En resumen las fases son las siguientes: Preparación de la materia prima Moldeado Sinterizado Acabado cerámicos. 24 Preparación de la materia prima. Dadas las características que se exigen a estos materiales (resistencia, dureza,...) son mayores que las exigidas a los tradicionales, los polvos de partida sufren un mayor control de tamaño y composición, dado que la resistencia del producto final es inversamente proporcional al tamaño de grano. El proceso de molido puede efectuarse por métodos mecánicos o métodos químicos. Los métodos mecánicos son similares a los de los materiales tradicionales, pero presentan el inconveniente de que el material puede verse contaminado por los elementos de molido y se generan microgrietas que disminuyen la resistencia del producto final.

13 cerámicos. 25 Preparación de la materia prima. Los métodos químicos proporcionan una mayor homogeneidad y calidad del polvo, a costa de una mayor complejidad de procesado. Los dos métodos que se emplean son: Secado por congelación Precipitación de una solución El secado por congelación se basa en la disolución en agua de las sales de la materia prima inicial. Esta disolución se pulveriza en pequeñas gotas de rocío que se congelan rápidamente, y que son desecadas en cámaras de vacío. La sal resultante se descompone posteriormente por calentamiento para generar las finas partículas de material cerámico. cerámicos. 26 Preparación de la materia prima. La precipitación de una solución consiste en la disolución de la materia prima en agua, para generar una solución acuosa que puede ser filtrada para eliminar las impurezas. Posteriormente se provoca la precipitación del material en forma de compuesto intermedio, que se convierte en el material definitivo por calentamiento. Tras la obtención de la materia particulada, se procede a la clasificación por tamaños y al mezclado posterior de los distintos componentes y aditivos que componen la materia prima a moldear.

14 cerámicos. 27 Preparación de la materia prima. Como aditivos más usuales se emplean: Plastificantes, que facilitan el moldeado. Aglutinantes, que permiten la unión entre partículas y dan cohesión y resistencia al producto final. Agentes humectantes, que mejoran el mezclado. Desfloculantes, que evitan la aglomeración y unión prematura de las partículas. Lubricantes, que mejoran la fluidez de las partículas durante el moldeado y favorecen el desmoldeo de la pieza preformada. cerámicos. 28 Moldeado. Las técnicas de moldeado son similares a las empleadas en pulvimetalurgia y con los materiales tradicionales, con algunas variantes. De los materiales tradicionales se emplean los siguientes: Prensado en seco Extrusión Moldeado deslizante De la pulvimetalurgia, los siguientes: Prensado en caliente Prensado isostático Inyección Laminado

15 cerámicos. 29 Sinterizado. El sinterizado es la operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la pieza moldeada para unir sus partículas e incrementar su resistencia mecánica, muy similar a la operación efectuada en pulvimetalurgia. La temperatura de sinterización oscila entre el 80% y el 90% de la de fusión del material en la escala absoluta, de forma que el tiempo de sinterización depende del material considerado. La mecanismo de sinterización depende la composición de la mezcla, ya que cuando el material es homogéneo predomina la difusión de masa entre partículas, mientras que en mezclas heterogéneas se puede producir la fusión de los componentes de bajo punto de fusión, así como se genera una fase vítrea entre granos que actúa de aglutinantes. cerámicos. 30 Acabado. La operación de acabado persigue la mejora del producto final, enfocada básicamente a los aspectos relacionados con la precisión dimensional de la pieza, la mejora de la calidad superficial y/o generar pequeños cambios de forma en la geometría definitiva. Este tipo de operaciones se efectúa mediante el uso de abrasivos, cuya principal característica se centra en el uso de materiales de elevada dureza (diamante) para permitir el arranque del material de elevada dureza.

16 cerámicos. 31 Procesado del vidrio. La fabricación de productos de vidrio es una de las técnicas más difundidas, aplicándose tanto a producciones a gran escala como a la obtención de elementos individuales. cerámicos. 32 Procesado del vidrio. El material de base del vidrio es el sílice, aunque éste se combina generalmente con otros óxidos para formar distintos tipos de productos con diferentes características. La secuencia típica de procesado de estos materiales sigue los siguientes pasos: Preparación de la materia prima Fusión Conformado Tratamiento térmico

17 cerámicos. 33 Preparación de la materia prima. La materia de partida del vidrio es, comúnmente, el cuarzo de la arena. Para garantizar que el material no presenta impurezas, la arena debe previamente lavada y clasificada por tamaño de grano. Aunque se pueden procesar todos los tamaños de grano, el tamaño más adecuado para la obtención del vidrio oscila entre 0,1 y 0,6 mm. Una vez preparada la arena, se añaden otros componentes (NaOH, CaCO3, Al2O3,...) para ajustar la composición del material, así como se reaprovecha el vidrio reciclado, que facilita la fusión del material. cerámicos. 34 Fusión. El proceso de fusión se efectúa en hornos especiales, preparados para dichos material, con rangos de temperatura entre los C. Dependiendo de ésta, se consigue una determinada fluidez del material para su posterior conformado.

18 cerámicos. 35 Conformado. La técnica de conformado está directamente relacionada con el volumen de producción que se desea y la forma geométrica del producto a obtener. La clasificación general de estos procesos se muestra a continuación: Moldeo por fundición Moldeo centrifugado Prensado Soplado Laminación Conformado de fibras cerámicos. 36 Moldeo por fundición. De forma similar al moldeo de materiales metálicos, cuando el vidrio fundido presenta una fluidez elevada, éste puede ser colado en el interior de un molde para que adquiera su forma. El enfriamiento de este tipo de piezas (p.e., lentes, espejos) debe realizarse con gran lentitud para evitar tensiones internas en el material, que provoquen el agrietamiento de la pieza. Este tipo de proceso requiere en la gran mayoría de casos de un postprocesado de acabado por esmerilado y pulido, lo que supone que no sea utilizado a gran escala.

19 cerámicos. 37 Moldeo por prensado. Este tipo de técnica es la más empleada en la fabricación en serie de productos de vidrio, generalmente con formas cuasiplanas. Este tipo de técnica permite la obtención de piezas de relativa sencillez de formas, así como piezas con grandes detalles superficiales. cerámicos. 38 Moldeo centrifugado. El moldeo centrifugado de vidrio es una técnica similar a la fundición semicentrífuga de los metales, con la que se obtienen productos de forma cónica (tubos de rayos catódicos). Masa de vidrio fundida Molde

20 cerámicos. 39 Soplado. El soplado del vidrio puede realizarse de forma manual o automática, en función del volumen de producción y de la complejidad de formas de la pieza final. cerámicos. 40 Soplado. El proceso automatizado se realiza normalmente en dos etapas: una primera en la que se obtiene una preforma, y que puede ser realizada por la técnica de prensado o soplado, en función del tamaño de la boca y cuello de la pieza. La segunda fase es de soplado estrictamente, en la que se genera la pieza definitiva por introducción en el molde de soplado de la preforma obtenida en la fase anterior.

21 cerámicos. 41 Soplado. Aire Cuello Punta Aire Aire cerámicos. 42 Laminado. El laminado de placas de vidrio se realiza mediante una operación combinada de estirado y laminación, tomando, en cualquier caso, la masa fundida mediante unos rodillos y enfriándola rápidamente para que adquiera la forma plana deseada. Lámina Rodillo de guiado Rodillos laminadores Escudo térmico Masa fundida Lámina Rodillos de soporte Horno Masa fundida

22 cerámicos. 43 Conformado de tubos. Esta operación se asemeja al proceso de laminación, con la diferencia del empleo de un mandril giratorio que produce el ahuecado del perfil y la generación del tubo. Masa fundida Mandril giratorio Tubo Rodillos de soporte cerámicos. 44 Tratamiento térmico. Los productos de vidrio requieren en ciertas ocasiones un tratamiento térmico posterior para mejorar sus características. Los procesos básicos son el recocido y el templado. El proceso de recocido tiene por objetivo el reducir las tensiones internas en el material que reducen su resistencia mecánica. Este tratamiento se realiza a una temperatura elevada (500 C), manteniéndose durante un periodo de tiempo suficiente para eliminar los esfuerzos y los gradientes de temperatura. El enfriamiento se realiza en dos etapas, una primera lenta que evita las tensiones y una posterior más rápida hasta la temperatura ambiente. El parámetro fundamental que condiciona el proceso (velocidades, tiempos) es el espesor del material.

23 cerámicos. 45 Tratamiento térmico. El tratamiento de templado se realiza cuando se desea introducir un estado de tensiones internas controlado en el material con el objetivo de incrementar la tenacidad del material. El calentamiento se realiza a una temperatura superior a la de recocido, con un enfriamiento rápido posterior al aire. Con este tratamiento se genera una capa superficial comprimida, con una elevada resistencia al rayado y a la rotura. cerámicos. 46 Acabado. Ciertos productos de vidrio precisan de operaciones de acabado, para la mejora de ciertos aspectos geométricos. Las operaciones básicas de acabado son las de esmerilado, pulido y corte, siendo las dos primeras las empleadas en la mejora de la calidad superficial (brillo, eliminación de ralladuras), mientras que la última se emplea para ajustar las dimensiones principales del producto. Otras operaciones de acabado son el ataque con chorro de arena y el ataque químico, con el objetivo de dar ciertas características superficiales al vidrio.