Esquema general de procesado de los materiales cerámicos

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

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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”.
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Vidrios
Introducción: Clasificación
Basados en SiO SiO2 + aditivos para ↓ Tf TRANSPARENTES ⊕ DUROS A T amb ⊕ RESISTENTES A CORROSIÓN
Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla)
Cerámica Cerámica porosa (Ladrillos, alfarería, loza)
Cerámica
Cerámica Cerámica compacta (porcelana, gres)
Cerámica Cerámica refractaria (Magnesitas
Magnesitas, , cromitas) cromitas
Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones:
Oxídicas Oxídicas
No No Oxídicas
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Arcilla, Sílice y
Feldespatos
Arcillas Alfarería, ladrillos, tejas… tejas
Porcelanas
Corideritas
Aislantes eléctricos (Al 2O3-SiO SiO2-K2O) O)
elementos calefactores (Al 2O3-SiO SiO2-MgO) MgO)

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

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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
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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
4.Tratamiento térmico
Secado
Cocción (sinterizado)
A partir de polvos
Sin calor
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Compactación
uniaxial
Compactación
isostática (CIP)
Con calor
Compresión en caliente
Compactación isostática
en caliente (HIP)
Moldeo por inyección
(PIM)

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

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Etapas:
Procesado: HIP
Prensado isostático en caliente
(HIP)
Fluido = gas inerte
-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
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applications", European Commission's Leonardo ds Vinci
Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC

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Procesado: ‘Tape Casting’
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Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si 3N 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
Aplicaciones
Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de
corte, camisas de pistones…
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Enlace covalente, dónde el
Si presenta hibridación sp 3
y el N sp 2 .

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Cerámicas estructurales: Si 3N 4
Componentes para turbinas de Si 3N 4: permiten la
entreada de gases más caliente, aumentan la
eficiencia en un 40%
Si 3N4 rotores
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Cerámicas estructurales: Si 3N 4
Fabricación de los polvos
a) Nitruración de polvos de Si
3Si+2N 2→Si 3N 4
b) Reducción carbotérmica de la sílice
3SiO 2 +6 C +2N 2 →Si 3N 4 + 6CO
c) Reacción fase vapor
3SiCl 4 +4NH 3 →Si 3N 4 12 HCl
3SiCl 4 +4NH 3 →Si 3N 4 12 H 2
d) Precipitación y descomposición térmica
a) 3SiCl 4 + 6NH 3 →Si(NH) 2 + 4 NH 4Cl
b) Si(NH) →Si 3N 4 + 2 HH 3
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Exotérmica: arde, contaminación
con elementos de molienda
Ligera contaminación con
grafito
Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales
Elevadas trazas de Cl

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Pieza Final
RBSN
Cerámicas estructurales: Si 3N 4 Principales rutas de procesado
Nitruración
Si
Pieza Final
SRBSN
Si
+aditivos
Conformado
Sinterización
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Si 3N 4 +
aditivos
Pieza Final
SSN
Aditivos: óxidos metálicos,
Y 2O 3, Al 2O 3, MgO, ZrO 2…
(3-15%mol)
HIP
Prensado Caliente
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 3N 4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T:
1700º-17850ºC

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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 = 4.3596 Ǻ 3C
Estructuras hexagonal y romboédrica (α-SiC):
Hexagonal: (a = 3.078 Ǻ; c = n x 5.518 Ǻ)
Romboédrico: (a = 3.073 Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R
Densidad (3.21 g/cm 3 ) y propiedades mecánicas idénticas
Aplicaciones
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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 1 2
15R ABCACBCABACABCB 2 3
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.
Bastidores espejos solares

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Cerámicas estructurales: SiC
Composite SiC/SiC para componentes de turbinas
Tras 75000 h de ensayo se
demuestra una dismunción de
emisión de

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Cerámicas estructurales: SiC
Obtención del Polvo de SiC
Reducción Carbotérmica Polvo irregular
Proceso Acheson (Carborundum).
A altas T (2300ºC): α-SiC. Molienda
SiO2 + 3C ⇒
SiC (α)+ 2CO
A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño fino
SiO 2 + 3C ⇒ SiO+ 2CO
SiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO
Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico
Estructura β-SiC
SiCl 4 +CH 4 → SiC + 4 HCl
SiH 4 +C 2H 4 →2 SiC + 6 H 2
Reacción Directa (T 1200ºC)
Si +C→ SiC
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Edward Goodrich Acheson (Washington, 1856-
1931), descubridor del carburo de silicio o
carborundum

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Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado
Sinterización por reacción (RBSC)
Sinterización en estado sólido (SSC)
Sinterización en fase líquida (LPSC)
Grafito
SiC primario
Si
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Material bifásico que contiene 10% Si.
Se forma por reacción de una mezcla
SiC-C en Si líquido (vapor). 1550-
1650ºC
1650ºC
SiC primario
Si ∼ 10% vol.
SiC
secundario β

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Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
Sinterización por reacción (RBSC)
Sinterización en estado sólido (SSC)
Sinterización en fase líquida (LPSC)
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Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4: 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

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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 (1800-2000ºC)
Mayor tenacidad (6-7 vs. 3-3.5 MPa·m1/2 )
Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema
SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO 2
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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.
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