1.1 CERAMICOS

Los productos cerámicos tienen una enorme variedad de aplicaciones, comenzando con el ladrillo comun para la construcción, pasando por la porcelana delicadas y llegando al vidrio optico especializado.

Debemos estudiar con mallor detalle el metodo de preparación de los productos cerámicos que el de los productos metalicos, ya que en general los productos no se pueden forjar a partir de barras o laminas para obtener una pieza terminada. En la mayoria de los caos debemos manejar la materia prima, prensarla para darle forma de ladrillo o de plancha o de magneto y, luego, desarrollar la estructura en la forma deseada calentándola.

1.2 OBTENCIÓN DE CERÁMICOS

En este primer grupo de los métodos del procesamiento de los cerámicos se da forma empleando diversos métodos y luego se hornea para darle resistencia.

La fundición por revestimiento es un método interesante y casi único en cuento una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. Generalmente el molde se hace de yeso, con porosidad controlada, de modo que parte de agua de la suspensión entre en la pared del molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se forma un sólido suave. El liquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla- agua.

La conformación plástica en húmedo se efectúa por medios diversos. En unos de los casos se apisona un refractario húmedo en un molde y luego se lo destruye para que salga en una forma determinada. La masa plástica se fuerza a trabes de un troquel para producir una forma alargada que luego se corta a longitud deseada. Por otra parte, cuando se desea formar figuras circulares tales como platos, se coloca una masa de arcilla húmeda en una rueda rotativa, y se la conforma con una herramienta.

Prensado con polvo seco. Esto se consigue rellenando un troquel con polvo y luego prensándolo. Generalmente el polvo contiene algún lubricante, tal como ácido, esteárico o cera. Después de haberse llevado a cabo cualquiera de los procesos anteriores, la pieza fresca o verde se somete al horneado. Mientras se calienta, se elimina el agua y los gigantes volátiles.

El prensado en caliente. Involucra simultáneamente las operaciones de prensado y sinterización. Las ventajas que se obtienen sobre el prensado en seco son: mayor densidad y tamaño mas fino del grano. El problema es obtener una duración adecuada del troquel a temperaturas elevadas, para lo cual muchas veces se emplean atmósferas de protección.

La compactación isostatica. Es una manera muy especial de prensar polvos en un fluido comprensible para evitar la compactación no uniforme que a veces se observa en los troqueles. El polvo se encapsula en un recipiente que se pueda comprimir y se sumerge en un fluido presurizado. Las formas del recipiente y de los corazones removibles determinan la forma del prensado. El prensado puede ser en caliente o en frió.

1.3 CAMPOS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL Y DOMESTICOS.

Teniendo estos procedimientos en mente, podemos ahora describir las características especiales de los productos cerámicos, comenzando con el ladrillo y productos de barro cosido para la construcción. Como base de estos se emplea la arcilla de bajo costo y de fácil fusión, la cual contiene un alto contenido de sílice, álcalis, alto FeO, materiales arenosos que se encuentran en depósitos materiales.

MATERIALES REFRACTARIOS Y AISLANTES.

Para los hornos y para las cucharas se emplean recubrimientos ya sean de ladrillo o monolíticos. Para manejar metales líquidos y escoria esencial distinguir entre refractarios ácidos, neutros y básicos . las características de estos ladrillos son la resistencia a la escoria. Resistencia a los efectos de temperatura y capacidad aislante.

Los ladrillos ácidos son menos costosos, pero en muchos hornos se emplean escorias para refinar el metal .

El ladrillo aislante contiene mucho espacio poroso y en consecuencia, no es tan resistente a la escoria como el recubrimiento interior del recipiente.---INDUSTRIAL O DOMESTICA.

Loza de barro. Se hace de arcilla, aunque en algunos casos están presentes el sílice y feldespato, como el K. La característica importante es que se la somete al fuego a baja temperatura, comparada con la de otros productos de este grupo. Ello produce una fractura terrosa relativamente porosa.-------DOMESTICA

Losa semivitre, se fabrica empleando mezclas de arcilla-sílice-feldespato, las cuales se denominan triaxiales, por la presencia de estos tres ingredientes. La temperatura de cocido es mayor , dando por resultado la formación de vidrio, menor porosidad y mayor resistencia.----- DOMESTICO.

Loza de piedra. Difiere de la loza de barro , en que se emplea una mayor temperatura de cocido lo cual produce una porosidad menor del 5% comparado con el 5 a 20 % de la loza de barro. Por lo general la composición se controla mas cuidadosamente que la loza de barro y el producto no lustroso tiene el acabado mate de la piedra fina. Este es un excelente material para loza de hornear, tanques de sustancias químicas y erpentines.----INDUSTRIAL

Loza china. Se obtiene cociendo la mezcla triaxial antes mencionada u otras mezclas a alta temperatura para obtener un objeto traslucido.---DOMESTICO

La porcelana. Es la que se cuece a las mas altas temperaturas del grupo y esta muy relacionada con la loza china que acabamos de describir.

En general la no utilización de fundentes y las temperaturas mas altas dan como resultado un producto denso y muy duro.----INDUSTRIAL Y DOMESTICO

Clasificación de Materiales Cerámicos:

Los materiales cerámicos se clasifican según su capacidad de absorción de agua en cuatro tipos: porcelana, gres cerámico, semigres cerámico, y loza porosa. Dicha característica física se relaciona con tres aspectos fundamentales de su proceso productivo:

Temperatura de Cocción

Presión de Moldeo

Granulometría de la Mezcla Base.

Así, los cuatro tipos cerámicos básicos y su capacidad de absorción de agua se relacionan con la temperatura de cocción según la siguiente tabla:

Clasificación Absorción De Agua Temperatura De CocciónPorcelana 0 % > 1200 º C

Gres Cerámico 0,50 % a 3,00% 1200 ºC a 1050 ºCSemi Gres Cerámico 3,00% a 6,00% 1200 ºC a 1050 ºC

Loza Porosa > 6,0% 1050 ºC a 890 ºC

Según la clasificación anterior, los productos fabricados por ZANON S.A. (junto con las restantes características asociadas) quedan encuadrados del siguiente modo:

Producto ZANON Uso ó Destino

Tipo de Material

Presión de Moldeo

(Manométrica)

Absorción de Agua

Temp. De Cocción

Residuo

(en tamiz #230)

Porcellanato Piso / Pared

Gres Apor- celanado 500 kg./cm2 < 0,05% >1200 ºC <1%

Monococción Piso Semi Gres 205/240 kg./cm2 4 a 6% 1200 ºC a

1050 ºC 8% a 10%

Monoporosa Pared Loza Porosa 150/180 kg./cm2 13 a 14% 1050 ºC a

890 ºC 6% a 8%

La formulación de la Mezcla Base difiere según el producto. La menor presencia de hierro en los empastes de porcellanato se evidencia en la ausencia de un color característico. Ciertas adiciones tienen por objeto adecuarse a la temperatura y tipo de cocción perseguida. Por ejemplo, el empaste utilizado para las piezas Monoporosas es el mismo que el empleado en Monococción, mas la adición de Carbonato de Calcio a los efectos de lograr una mayor estabilidad dimensional dentro del horno. Esta mayor estabilidad dimensional se ve reflejada en la ausencia de necesidad de clasificar en calibres los revestimientos.

1.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS POR LAS CUALES SE UTILIZAN LOS CERÁMICOS.

Las propiedades físicas de los materiales cerámicos pueden ser medidas y cuantificadas a través de ensayos y pruebas de laboratorio. Es más, muchas de estas pruebas se hallan normalizadas y cuentan con protocolos exactos que describen la forma de desarrollarlas y llevarlas a cabo.

Los procedimientos y mediciones realizados habitualmente (entre muchos otros) son:

Absorción de Agua: este ensayo es fundamental a los efectos de clasificar los distintos tipos de materiales cerámicos y influye sobre otras características de los mismos (resistencia al congelamiento, entre otros). Consiste en la inmersión de la pieza en un recipiente con agua, con una presión estipulada, y llevar a punto de ebullición por un tiempo predeterminado. La pieza es luego escurrida y secada superficialmente a los efectos de ser pesada, y medir así el % de variación de peso sufrido contra el peso de la misma pieza totalmente seca.

Indice PEI (Porcelain Enamel Institute): Se rigen por la norma ISO 10545-7 y es un ensayo diseñado específicamente para comprobar la resistencia al desgaste de los esmaltes que recubren a la cerámica tanto monoporosa o monococción, clasificando al material ensayado en 5 grupos o grados, desde GRADO I (No recomendado para uso en pisos) hasta GRADO V (Tránsito Extra Pesado) según el siguiente cuadro:

Grado P.E.I. Situación de Uso Definición del Tipo de Uso

GRADO I Tránsito Liviano

Ambientes con transito liviano con calzados normales, sin contacto con el exterior, poco expuesto a la acción de calzado con polvillo. Ej.: Dormitorios

GRADO II Tránsito Moderado

Ambientes con transito liviano con calzados normales, sin contacto con el exterior. Ej.: Baños, locales interiores

en viviendas unifamiliares, con excepción de escaleras cocinas y

pasillos.

GRADO III Tránsito Normal

Ambientes donde pueda darse desgaste por rozamiento con el polvillo

que se arrastran con el calzado normal. Locales interiores de vivienda unifamiliar en contacto con el exterior.

Ej.: escaleras, cocinas, estares, balcones y pasillos.

GRADO IV Tránsito Elevado

Ambientes con solicitaciones relativamente fuertes, con movimiento constante y grandes posibilidades de

polvillo que se arrastran con el calzado normal. Locales comunes de vivienda

colectiva, externos de vivienda en contacto con el exterior, con excepción

de locales con gran afluencia de publico. Ej.: oficinas privadas,

terrazas, salas de hospitales, etc. GRADO V Tránsito Severo Ambientes con solicitaciones fuertes,

con gran movimiento constante y

presencia de polvillo que se arrastran con el calzado. Bancos, peluquerías,

bares, ingreso a hoteles, etc. con excepción de locales con tránsito de

elementos fuera de lo común: zapatos de golf, ruedas de carritos de supermercado sin adecuada

protección, etc.

El ensayo consiste en la apreciación visual del desgaste producido en probetas del material sometidas a distintos grados de agresión superficial. En general, para esmaltes de colores lisos y muy oscuros o claros, con brillo, se obtienen clasificaciones más bajas que para esmaltes con combinación de colores o matices neutros y poco o nada de brillo. Por ser un ensayo especifico para materiales con superficies con terminación esmaltada, este ensayo no es aplicable a los Porcellanatos.

Es altamente recomendado el empleo de felpudos, alfombras o esteras en el ingreso a las viviendas, para mantener alejado de los pisos cerámicos el polvillo ambiental y su acción abrasiva.

Escala Mohs de Dureza Superficial: Otro ensayo habitual es la comprobación de la dureza de la superficie del material. Se rige por la norma UNI EN 101 y el ensayo consiste en la utilización de punzones con distintos tipos de puntas, graduadas según su dureza, determinando cuales son capaces de dejar su impronta en el material y cuales no, siendo las superficies más duras clasificadas con el grado #10, y en forma decreciente las más blandas, hasta el grado #1. La escala completa de referencia es la siguiente:

Talco #1 Ortosa #6Yeso #2 Cuarzo #7

Calcita #3 Topacio #8Fluorita #4 Corindon #9Apatita #5 Diamante #10

Resistencia a Agentes Químicos: este ensayo permite cuantificar la resistencia a la agresión de ácidos y bases, utilizando respectivamente ácido clorhídrico y hidróxido de potasio para esta prueba. Para la prueba se aplican en superficie, y al cabo de una semana (normas europeas EN 106/122) se observa el estado de la probeta. Los resultados a esta prueba se clasifican en:

Grado Resultado ObservadoGRADO AA No se observa alteración alguna.GRADO A Leve variación en el aspecto.GRADO B Se nota claramente la acción del químico.GRADO C Perdida parcial de la superficie.GRADO D Perdida total de la superficie.

Tanto las cerámicas esmaltadas (Monoporosas y Monococción) como los Porcellanatos califican con el grado AA. Pero cabe destacar que en el caso de las cerámicas esmaltadas, solamente el esmalte es el que es ensayado, y que cualquier fisura en él permitiría al ácido atacar la base, variando su clasificación.

En el caso del Porcellanato, además de cumplir con este ensayo normalizado, se lo somete al ataque de ácido láctico al 5% y ácido sulfúrico al 100%, ambos casos por inmersión total, resultando totalmente inmune al ataque de los mismos.

Cuando se considera la necesidad de contar con pisos o recubrimientos antiácidos, no debe olvidarse que tanto la junta como el mortero adhesivo a utilizar también deben tener probada resistencia a los ácidos (generalmente se utilizan productos de formulación epoxídica).

o Resistencia a la Abrasión Profunda: Consiste en someter a una probeta de material a la acción abrasiva conjunta de una rueda metálica con polvo de corindón.

Luego de un tiempo determinado (200 revoluciones) se procede a medir el hueco dejado en el material, en mm3. A menor volumen de material removido, mayor resistencia del material

ensayado. Este ensayo de abrasión profunda busca reproducir en condiciones de laboratorio la respuesta que puede esperarse de un producto dado, luego de varios años de uso.

Este es un ensayo específico para los Porcellanatos, por ser un material de constitución homogénea en toda su masa. Este ensayo carece de sentido tanto con material monoporoso como monococción, dado que la capa superficial esmaltada solo tiene un espesor de décimas de milímetro.

La comparación entre los distintos tipos de materiales cerámicos es posible solo en algunas instancias. Este es el caso de la dureza superficial de la pieza (escala Mohs), donde la comparación sería la siguiente:

Producto Clasif. Zanon Normas Europeas Resultados ZanonGres Aporcelanado Porcellanato 6 min. (CEN EN 101) 7 a 8Semi Gres Cerám. Monococción 5 a 7 (CEN EN 101) 5 a 9

Loza porosa Monoporosa No tiene una rutina de ensayo habitual

Las restantes características medidas habitualmente (resistencia superficial del acabado y resistencia a la abrasión profunda) no pueden comparase por ser ensayos específicos para cada tipo de material (cerámicas esmaltadas y Porcellanatos respectivamente).

1.5 MATERIALES COMPUESTOS.

Los Materiales Compuestos, constituidos por fibras de refuerzo embebidas en una matriz de resina, presentan una serie de ventajas que los hacen altamente competitivos frente a los materiales tradicionalmente empleados en la construcción. A continuación se resumen las más importantes.

 

Ventajas

» Baja densidad» Excelente comportamiento frente a la corrosión

» Altas características mecánicas» Libertad de diseño

    Integración de funciones    Acabados diversos    Reproducción fácil    Color en la masa

» Mantenimiento mínimo» Materiales "a la carta"

    Autoextinguibles    Translúcidos

    Resistentes a impacto    Resistentes a abrasión

    etc.» Durabilidad elevada

» Uso en medios químicamente agresivos» Aislante térmico

» Aislante eléctrico (excepto con refuerzos de carbono)» Posibilidad de ser translúcidos

» Numerosos procedimientos de fabricación» Permeable a las ondas electromagnéticas

 

 

Comparación materiales tradicionales/compuestos

 

MATERIALES COMPUESTOS PVC MADERA ALUMINIO ACERO HORMIGÓN

ARMADODENSIDAD 1,5 - 2 1,35 - 1,45 0,6 - 1,2 2,7 7,8 2,2 -2,5

 

PROPIEDADES MECÁNICAS

ESPECÍFICAS

POLIÉSTER 40% F.V Cortas

POLIÉSTER 80% F.V Unid. PVC MADERA HORMIGÓN

ARMADO ACERO

σ R/ ρ  (1) 93 700 41 80 - 92 1 38 - 77

E11/ ρ   (2) 6500 24.000 2.100 10.000 12.000 17.000 27.000

(1)  Resistencia a la rotura específica(2)  Módulo de elasticidad específica

 

 

Diversas aplicaciones

Nuevas construcciones, rehabilitación y reparación en:

» Estructuras» Domos» Armazones» Fachadas» Cúpulas» Cubiertas» Mobiliario» Sanitarios» etc.

 

Resumen gráfico

 

Inalterable Ligereza de piezas Gran variedad de aspecto, color, diseño

   FIBRAS    » Vidrio

   RESINA    » Poliéster

    » Carbono    » Aramida

    » Vinilester    » Fenolica

    » Kewlar     » Epoxy

Anticorrosivos Mantenimientoreducido

ImpermeabilidadTranslúcidos

Resistenciamecánica

Inversión limitada deproducción paraalgunas técnicas

Aislamiento térmicoy eléctrico

Rápido montaje Resistencia a losagentes químicos

 

 

Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza , los ailantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto electrica como termica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad , conformabilidad y resistencia al impacto..

ConclusionesEs sin duda impresionante la manera en la que han evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino también a otro nivel como bien podría ser a nivel atómico ya que de esto depende en buena parte el comprender como habrá de comportarse un material en ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su resistencia a algunos esfuerzos, la verdad este curso de Materiales ha resultado de mucho provecho para cada uno de nosotros los alumnos de ingenieria, hemos aprendido como conocer a los materiales por sus propiedades asi como por su tipo, sus estructuras internas y externas, que nos llevamos del curso?, conocimiento provechoso y una mayor conciencia de los materiales y su aprovechamiento a lo largo de este curso y a lo largo de la historia, conocer nuestro entorno es sumamente importante y poder aprovecharlo y modificarlo nos dara mayor comodidad y tambien una mayor economia en base al aprovechaniento que de el obtengamos, podemos sin lugar a dudas decir que los materiales forman una parte importante de la sociedad actual, a donde usted mire encontrara diversos materiales en sus miles de formas y modificaciones que el hombre, el ingeniero ha hecho con el unico propósito de sacar mayor ventaja y poder adaptar su medio a las circunstancias requeridas en su momento4. MATERIALES CERÁMICOSLos productos cerámicos son materiales sólidos inorgánicos no metálicos que pueden ser cristalinos o no cristalinos. Los materiales cerámicos no cristalinos incluyen el vidrio y unos cuantos materiales más con estructuras amorfas.Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Los materiales cerámicos son muy resistentes al calor, la corrosión y el desgaste, no se deforman fácilmente cuando se someten a esfuerzos y son menos densos que algunos metales empleados en aplicaciones de alta temperatura. Algunos materiales ceramicos que se usan en aviones, proyectiles y vehículos espaciales pesan sólo el 40% de lo que pesarían los componentes metálicos a los que sustituyen.A pesar de tantas ventajas, el empleo de productos cerámicos como materiales de ingeniería ha estado limitado por su naturaleza extremadamente quebradiza. En tanto que un componente metálico podría abollarse si se le golpea, una pieza cerámica por lo regular se hace pedazos porque los enlaces impiden que los átomos se deslicen unos sobre otros. Además, es difícil fabricar componentes cerámicos sin defectos. Efectivamente, los elevados costos de fabricación y la incierta confiabilidad de los componentes son barreras que deberán vencerse antes de que los materiales cerámicos se utilicen más ampliamente para sustituir a los metales y a otros materiales estructurales. Es por ello que la atención en años recientes se ha

enfocado en el procesamiento de los materiales cerámicos, así como en la formación de materiales cerámicos compuestos y el desarrollo de recubrimientos cerámicos delgados sobre materiales convencionales.

 Materiales cerámicos compuestosLos objetos cerámicos son mucho más fuertes cuando se forman a partir de una mezcla compleja de dos o más materiales. Semejantes mezclas se denominan materiales compuestos o composites. Los materiales compuestos más eficaces se forman por la adición de fibras cerámicas a un material cerámico.Así, el material compuesto consiste en una matriz cerámica que contiene fibras embebidas de un material cerámico, que podría o no tener la misma composición química que la matriz. Por definición, una fibra tiene una longitud de por lo menos 100 veces su diámetro. Las fibras suelen tener una resistencia elevada cuando se someten a cargas aplicadas a lo largo de su eje longitudinal. Si las fibras están embebidas en una matriz, la fortalecen porque resisten deformaciones que ejercen un esfuerzo sobre la fibra a lo largo de su eje longitudinal.La formación de fibras cerámicas se ilustra con el caso del carburo de silicio, SiC, o carborúndum. El primer paso de la producción de fibras de SiC es la síntesis de un polimero, polidimetilsilano:

Si este polímero se calienta a cerca de 400ºC, se convierte en un material que tiene atomos de carbono y silicio alternantes a lo largo de la cadena:

Las fibras formadas a partir de este polímero se calientan entonces lentamente a cerca de 1200° C en una atmósfera de nitrógeno para expulsar todo el hidrógeno y todos los átomos de carbono excepto los que enlazan directamente los átomos de silicio. El producto final es un material cerámico con composición SiC, en forma de fibras cuyo diámetro varía entre 10 y 15 um. Mediante procedimientos similares, partiendo de un polímero orgánico apropiado, es posible fabricar fibras cerámicas con otras composiciones, como el nitruro de boro, BN. Si las fibras cerámicas se agregan a un material cerámico procesado como se explicó antes, el producto resultante tiene una resistencia mucho más alta a las fallas catastróficas por agrietamiento.Aplicaciones de los materiales cerámicosLos productos cerámicos, sobre todo los nuevos "composites" cerámicos, se utilizar ampliamente en la industria de las herramientas para cortar. Por ejemplo, la alúmina reforzada con fibras extremadamente finas de carburo de silicio se usa para cortar y maquinar hierro colado y aleaciones más duras a base de níquel. También si utilizan materiales cerámicos en las ruedas de amolar y otros abrasivos a causa de si excepcional dureza (Tabla 12.4). El carburo de silicio es el abrasivo más ampliamente utilizado.Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

 Los materiales cerámicos desempeñan un papel importante en la industria electrónica. Los circuitos integrados semiconductores generalmente se montan en un sustrato de cerámica, por lo regular alúmina. Algunos materiales cerámicos, notablemente el cuarzo (Si O2 cristalino), son piezoeléctricos, lo que significa que generan un potencial eléctrico cuando se les somete a un esfuerzo mecánico. Esta propiedad hace posible el empleo de materiales piezoeléctricos para controlar las frecuencias en los circuitos electrónicos, como en los relojes de cuarzo y los generadores ultrasónicos.Se usan materiales cerámicos para fabricar placas cerámicas que cubren las superficies de los transbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la atmósfera terrestre. Las placas se fabrican con fibras de sílice cortas de alta pureza reforzadas con fibras de boro silicato de aluminio. El material se moldea en bloques, se sinteriza a más de 1300° C luego

se corta en placas. Las placas tienen una densidad de apenas 0.2 g/cnr, pero pueden mantener la piel de aluminio del trasbordador por debajo de los 180º C cuando la temperatura superficial es de hasta 1250ºC.