TEMA 2. CERAMICAS TRADICIONALES

Transcripción

1 TEMA 2. CERAMICAS TRADICIONALES ESQUEMA: - Porcelanas - Esteatitas y Cordieritas 1

2 Porcelanas. Fabricación Barros como la kaolinita, silicato de aluminio hidratado: Al 2.2SiO 2.2H 2 O A 600ºC se pierde el agua y se forma meta-kaolinita: Al 2.2SiO 2 A 1000ºC se produce la descomposición de la meta-kaolinita formándose mullita (1830ºC) y sílice (1724ºC) Tª (ºC) 1724 LIQUIDO L+M (Al 2.2SiO 2 ) = (3Al 2.2SiO 2 ) + 4SiO 2 A+L 1830 A+M 2050 A DIFERENCIA DE LA ARCILLA CONTAMINADA CON OXIDOS DE FE, LA PORCELANA ES BLANCA Por encima de 1595ºC la kaolinita produce un líquido. Sin embargo los hornos antiguos no tenían semejante capacidad SiO Al 2 M %MOLAR FUNDENTES 2

3 Porcelanas. Fabricación El feldespato es un aditivo que permite la formación de fase líquida a más baja temperatura (vitrea), lo que además permite la vitrificación de la pieza sinterizada (mejor acabado) K 2 O.Al 2.6SiO 2 El feldespato tiene una reacción eutéctica a 1150ºC ( formándose leucita (K 2 O.Al 2.4SiO 2 ) y líquido. Mejor aún, en presencia de SiO 2 forma líquido a 990ºC. L LEUC + L 1150ºC SiO2 + L LEUC + F F+L 990ºC LEUC F SiO2 3

4 Porcelanas. Fabricación Las porcelanas comerciales tienen composiciones que combinan estos tres elementos: K 2 O.Al 2.SiO 2 El feldespato tiene una reacción eutéctica a 1150ºC ( formándose leucita (K 2 O.Al 2.4SiO 2 ) y líquido. Mejor aún, en presencia de SiO 2 forma líquido a 990ºC. Masa % molar Masa mol. Kaolinita Feldespato A la temperatura de sinterizado: mullita + liquido. En las siguientes proporciones: Frac. molar K 2 O: 0.05 Al 2 : 0.25 SiO 2 : 0.70 T(ºC) M/L : : : :63 4

5 Porcelanas. Fabricación Esta fracción de líquido es muy elevada y aparece rapidamente a temperaturas alrededor de 1000ºC. INESTABILIDAD MECÁNICA: DISTORSIÓN. (Baja viscosidad) SiO 2 60 η = A = 1000B AT exp T exp ( 0. 27B 11. 7) %SiO2 MO o M 2 O Al 2 Log η 2 70%SiO T (ºC) 5

6 Porcelanas. Fabricación En la práctica se añade un tercer aditivo: cuarzo < 10 micras. COMPOSICION: Kaolinita Feldespato Silice Masa Frac. molar K 2 O: 0.03 Al 2 : 0.18 SiO 2 : 0.79 η = η SiO 2 M: mullita 3Al 2.2SiO 2 L: leucita K 2 O.Al 2.4SiO 2 F F: feldespato K 2 O.Al 2.6SiO 2 L M En la práctica, el silicato líquido es muy lento de cristalizar por lo que al final se obtiene un 40-60% de fase vitrea 25ºC K 2 O Al 2 6

7 Porcelanas. Fabricación Durante el calentamiento se pueden distinguir los siguientes procesos: 1- Descomposición de la meta-caolinita a mullita y silice (en la práctica se forma un silicato vitreo por la presencia de un 2-3% de impurezas en el polvo) 2- Formación de más líquido por reacción del feldespato con la silice 3- Disolución de la meta-caolinita residual en el líquido 4- Cristalización de la mullita 5- Densificación en fase líquida (distribución del líquido entre las partículas sólidas de mullita) REAGRUPAMIENTO Y DISOLUCIÓN- PRECIPITACION. VITRIFICACIÓN 7

8 Porcelanas. Propiedades Las propiedades dependen de la composición y la microestructura: COMPOSICION: Mullita, vidrio, porosidad (1-5% inaccesible) cuarzo residual (si el polvo de partida es grueso) Densidad (g/cc) Porosidad (%) Bloating Descomposición de sulfatos o C ( bp) = 60 MPa σ = σ exp Resistencia teórica del enlace Si O = 20 GPa = E/ T(ºC) Sinterizado σ Eγ c Granos cuarzo: DEFECTOS (α) GRIETAS 35e-6 vs. 5.7 e-6 K -1 8

9 Porcelanas. Propiedades. Retención de resistencia 100% T Shock térmico C ( 1 ) σ f ν = 2. 5 αe T c = ºC T Cambios rápidos de temperatura inducen pérdidas de resistencia por microagrietamiento. MEJORAS: -ELIMINAR POROS -AUMENTAR γ (+Al2O3) -ELIMINAR EL CUARZO RESIDUAL -CREAR ESTADOS SUPERF. COMPRESIVOS (GLAZING) ( a = 0.5e-6 K -1 ) 9

10 Porcelanas. Otras Propiedades. Aplicaciones Densidad: g/cc (91-96%D.T.) Densidad teórica: g/cc BUEN AISLANTE T<300ºC Funden a 1000ºC Aplicaciones: -HV LOW FREQ. AISLAMIENTO -CONTAINERS PROD. QUIMICOS -NO MUY REFRACTARIO: gran cantidad de aluminosilicato K (punto de reblandecimiento bajo) -Baja RESISTENCIA al SHOCK TERMICO 10

11 Esteatitas y Cordieritas. Generalidades Estos materiales tienen composiciones en el sistema: Materiales base: Talco: MgO.Al 2.SiO 2 Mas refractarios que la porcelana Caolinita: 0.1 Alumina: 0.05 Generación más gradual de la fase líquida Al 2 S: sapphirine 4MgO.5Al 2.2SiO 2 C: cordierita 2MgO.2Al 2.5SiO 2 Talco 3MgO.H 2 O.4SiO 2 El talco ayuda a la compactación (LUBRICANTE). (contiene 63% silice) S C 100% liquido 1400ºC El talco no es estable, como la caolinita pierde el agua a unos pocos cientos de grados. Funde bruscamente a 1543ºC (Eutect. MgO-SiO2 MgO F Talco SiO 2 Dentro zona roja: 2 eutécticos: ºC 11

12 Esteatitas Materiales base: Talco: Caolinita: 0.1 Feldespato: 0.05 Sinterización: ºC (bajo costo). Formación 30%vol. Líquido (1345ºC) El feldespato ayuda a aumentar la ventana de sinterización % liquido cordierita Esteatita Talco MgO.Al 2.SiO 2 T(ºC) Sinterizado Se puede controlar mejor la cantidad de líquido en el sistema Mediante la temperatura de sinterización Resistencia: 150 MPa Coef. Dilat: 8.5e-6 K-1 Max. Temperatura uso: 600ºC Aplicaciones: Conectores electricos baratos (cuidado impurezas Na, K) 12

13 Cordieritas Al 2 Mayor contenido de Al 2 (más kaolinita) S C 100% liquido 1400ºC cordierita 2MgO.2Al 2.5SiO 2 PUNTO FUSION. 1460ºC Muy REFRACTARIO MAS: FUSIÓN + TRAT. CRISTALIZACIÓN MgO Kaolinita Talco Alumina F Talco Moles Al2O3 SiO2 MgO SiO 2 % molar Resistencia: 100 MPa Coef. Dilat BAJO: 1.6 e-6 K-1 (anisotropo: crack on cooling) Buena resistencia al choque térmico Temp fusión: 1540ºC Aplicaciones: Ladrillo refractario Soportes elementos calefactores Extruido: celda abeja catalizadores Tubo escape 13

14 RESUMEN MATERIAL Porcelana Esteatita Cordierita Alumina FASE MAYORITARIA vidrio Enstatita (20% vidrio) Cordierita Alumina PROPIEDAD 1000ºC ablandamiento 1557ºC 1540ºC 2054ºC 14