PRINCIPALES RECUBRIMIENROS CERAMICOS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ1. Principales caractersticasLos materiales cermicos son materiales inorgnicos no metlicos, constituidos por elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces inicos y/o covalentes. Las composiciones qumicas de los materiales cermicos varan considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.En general, los materiales cermicos son tpicamente duros y frgiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cermicos se comportan usualmente como buenos aislantes elctricos y trmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusin relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayora de los medios ms agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cermicos son indispensables para muchos de los diseos en ingeniera.Un extenso grupo de cermicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus nicas propiedades magnticas, electrnicas y pticas, su buena resistencia a la corrosin a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la deteccin de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prtesis y otros componentes de repuesto para el ser humano. [1]

2. Clasificacin de los recubrimientos cermicos y materiales utilizadosEn general, los recubrimientos cermicos pueden clasificarse en dos grupos: recubrimientos tradicionales y recubrimientos cermicos de uso especfico en ingeniera.

a. Materiales cermicos tradicionales.Estn constituidos por tres componentes bsicos: arcilla, slice (pedernal) y feldespato. Ejemplos de cermicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construccin y las porcelanas elctricas de uso en la industria elctrica.

b. Materiales cermicos de uso especfico en ingeniera

Las cermicas ingenieriles usadas en la industria automotriz, por el contrario, estn constituidas, tpicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplos de aplicacin de las cermicas ingenieriles en tecnologa punta son el carburo de silicio en las reas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el xido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un mdulo de conduccin trmica. Los cermicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los xidos. Generalmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades mecnicas como fsicas a altas temperaturas. [1] Materia prima: En el precio de la materia prima influyen los siguientes factores:La disponibilidad del material de partida, el lugar y la situacin de la zona de explotacin, el proceso de depuracin, la pureza exigida del material base, la composicin qumica del material en polvo de partida y muchos ms. El precio de la materia prima depurada y preparada para su procesamiento oscila en funcin de la pureza y la finura del grano. Incluso dentro de un grupo de materiales las diferencias de precio son enormes. Estos costes de la materia prima, sobre todo en caso de materiales de partida extremadamente caros, resultan decisivos para lograr una utilizacin econmica del producto final. [2]

Los principales compuestos usados como materia prima para la elaboracin de recubrimientos cermicos son:

- La Almina (Al2O3): Se utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia. Bujas- El Nitruro De Aluminio (AIN): Proporciona un buen aislante elctrico, pero tiene alta conductividad trmica. Dado que su coeficiente de expansin trmica es similar al del silicio, el AIN es un sustituto adecuado del Al2O3 como material de sustrato para circuitos integrados.- El Carburo De Boro (B4C): Es muy duro y an as extraordinariamente ligero. Adems de su utilizacin como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasin, como parte en placas blindadas.- El Carburo De Silicio (SiC): tiene una resistencia a la oxidacin extraordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusin del acero. A menudo el SiC se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cermicos a temperaturas extremas.- El Nitruro De Silicio (Si3N4): Son candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operacin ms elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales.- El Sialn: Se forma cuando el aluminio y el oxgeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrgeno en el nitruro de silicio. Es relativamente ligero, con un coeficiente de expansin trmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los dems cermicos avanzados comunes. El sialn puede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste.- El Boruro De Titanio (TiB2): Es un buen conductor de la electricidad y del calor. Adems tiene excelente tenacidad. El TiB2, junto con el carburo de silicio y la almina, son aplicaciones en la produccin de blindajes. [1]

3. Propiedades mecnicas de las cermicasSon duros y frgiles a temperatura ambiente debido a su enlace inico/covalente (al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace), este hecho supone una gran limitacin en su nmero de aplicaciones. Esta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones.Son deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes del grano. [3]La respuesta de los materiales a las fuerzas aplicadas depende de: 1.- Tipo de enlace. 2.- Disposicin estructural de los tomos o molculas. 3.-Tipo y nmero de imperfecciones, que estn siempre presentes en los slidos, excepto en raras circunstancias. As, fijada la solicitacin exterior es evidente que la deformacin que se origina y, en consecuencia, la tensin creada en el slido dependen de las fuerzas de atraccin molecular, es decir, de la estructura cristalina del material. A pesar de la considerable complejidad de los materiales ingenieriles todos los materiales sometidos a cargas se pueden clasificar en tres grupos principales de acuerdo con el mecanismo que ocurre durante su deformacin bajo las fuerzas aplicadas [3]TensinLos elementos de un cuerpo tienden a dilatarse o contraerse cuando se calientan o se enfran respectivamente, y las deformaciones que se presentan se denominan deformaciones unitarias trmicas. Si los elementos se pueden deformar libremente, las deformaciones unitarias trmicas no vienen acompaadas de tensiones, pero si se restringe la deformacin aparecen tensiones trmicas

Esfuerzo y deformacinSi una fuerza o carga es esttica o bien cambia de forma relativamente lenta con el tiempo y es aplicada uniformemente sobre una seccin o superficie de una pieza, el comportamiento mecnico del material puede ser estimado mediante un simple ensayo esfuerzo - deformacin. Por tanto, para obtener la relacin entre tensin y deformacin tendremos que proceder necesariamente por va experimental mediante ensayos 4 realizados en el laboratorio, en donde se comprueba, en efecto, que para dos piezas de distintos materiales, de iguales dimensiones y sometidas al mismo estado de cargas, las deformaciones son distintas. Curvas tensin deformacinLas curvas tensin - deformacin, usualmente, se obtienen mediante ensayos de laboratorio realizados mediante normas estandarizadas y utilizando probetas tambin estandarizadas. Se fijan la velocidad de carga y la temperatura. Los ensayos se pueden realizar con cargas de compresin, traccin, flexin y cortadura, que a su vez pueden ser estticas o dinmicas. Los ensayos de compresin, traccin y flexin con cargas estticas son los que ms se suelen realizar.Las curvas tensin - deformacin nos permiten determinar las principales caractersticas mecnicas de los materiales, As, se pueden estimar una serie de importantes propiedades tales como: [4]

1.- RESISTENCIA. 2.- RIGIDEZ 3.- DUCTILIDAD. 4.- RESILIENCIA. 5.- TENACIDAD.

Figura 3.2 la de un material refractario con un 70 % de Al2O3 en funcin de la temperatura y ensayado a compresin.El fallo mecnico de los materiales cermicos se da principalmente por defectos estructurales. Las causas principales de la fractura en cermicos poli cristalinos han de buscarse en las grietas superficiales producidas durante los procesos de conformacin y acabado, poros, inclusiones y estructuras de granos grandes formados durante el proceso de coccin, que actan como concentradores de tensiones fragilizando al material.Cuando la tensin alrededor de un poro alcanza un valor crtico, se forma un inicio de grieta que se propaga rpidamente en los materiales cermicos al no haber en los mismos procesos o mecanismos que absorban mucha energa como los que se dan en los metales dctiles durante la deformacin, ya que sus estructuras cristalinas no son propicias al deslizamiento ni a la deformacin por maclado. De esta manera, una vez iniciada la grieta, sta contina su crecimiento hasta llegar a la rotura.Los poros tambin actan, al igual que las inclusiones, mermando la resistencia del material al disminuir la seccin til del mismo y por tanto disminuye la tensin que es capaz de soportar ste. As, el tamao y la fraccin en volumen de los poros en las cermicas son factores importantes que afectan grandemente a su resistencia. La figura 14.21 muestra como un incremento de la fraccin en volumen de poros disminuye la resistencia a traccin transversal de la almina. [4](http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm14/pfcm14_4_1.html)

Figura 14.21. Efecto de la porosidad sobre la resistencia transversal de la almina pura.

En los materiales cermicos totalmente densos, en los que no hay grandes, el tamao de las grietas est normalmente relacionado con el tamao del grano. Para cermicas sin poros la resistencia es funcin del tamao del grano, siendo las cermicas de tamao de grano ms fino las que tienen grietas de tamao ms pequeo en los lmites de grano. Por consiguiente, su resistencia ser mayor que las que presentan un mayor tamao de grano,

Figura 14.22. Efecto del tamao de grano de almina en su resistencia.

4. Estructura y microestructuraMicroestructura y textura. La estructura cristalina es fundamental para entender las propiedades fsicas y qumicas de los compuestos. De la misma forma conocer la microestructura y textura de los materiales es muy importante para comprender sus prestaciones. [5] La microestructura de un material es el conjunto de propiedades que se derivan de la cristalizacin real del material e incluye el conocimiento de sus imperfecciones (defectos puntuales, lineales, planos y 3D). En los materiales policristalinos adems se debe conocer la forma y tamao de los granos (que pueden variar en tamao desde unos pocos nanmetros para catalizadores dispersos de alta superficie especfica hasta decenas de micrmetros en aleaciones bien sinterizadas).En contraste con aquellas propiedades que dependen de los enlaces interatmicos y, por tanto, son intrnsecas al material, tales como por ejemplo el punto de fusin, la dureza y la expansin trmica, tenemos que la resistencia mecnica, as como las propiedades elctricas o magnticas, varan notablemente con su microestructura (textura) entendiendo por tal la naturaleza fsico - qumica, tamao y distribucin de las fases que lo constituyen. La textura representa, pues, una caracterstica importante en la ciencia y tecnologa de los materiales cermicos, que une el proceso de fabricacin y las propiedades. [5]En la figura 1.3 puede verse una comparacin entre las microestructuras de una almina densa convencional con una densidad igual al 98 % de la terica y una almina transparente pticamente con densidad igual al 99.9 % de la terica.

Tambin la forma puede cambiar y afectar a las prestaciones (desde formas esfricas y cbicas, hasta otras ms irregulares). Hay un conjunto de tcnicas para la caracterizacin de la microestructura y textura de los materiales que incluye la M.E. (TEM, SEM, etc.), difraccin de rayos-X, adsorcin de gases; etc. Una parte muy importante de la caracterizacin de la microestructura de un material es el estudio de sus imperfecciones dentro de un grano microscpico del material, lo que se conoce como imperfecciones cristalinas. Las escalas a las que se pueden estudiar los materiales se dan en la figura siguiente: [5]

5. Proceso de fabricacin o deposicinLos materiales cermicos tradicionales estn fabricados con materias primas de yacimientos naturales, con o sin proceso de beneficiacin para eliminar impurezas al objeto de aumentar su pureza, tales como los materiales arcillosos. El conformado puede ser manual y el proceso de coccin se realiza en hornos tradicionales (horno tnel, hornos ascendentes, etc). En cuanto a la microestructura la mayora de los materiales cermicos tradicionales presentan un tamao de grano grueso y una alta porosidad, visible al microscopio ptico de no muchos aumentos (La microestructura se puede estudiar u observar a niveles de microscopa ptica). La densidad llega nicamente a alcanzar valores del orden del 10 al 20 % menor que la densidad terica del material. Las cermicas tradicionales pueden definirse como aquellas que comprenden las industrias que tienen como base a los silicatos, principalmente los materiales arcillosos, los cementos y los vidrios de silicatos. Entre las cermicas tradicionales pueden citarse: las vasijas de barro cocido, la porcelana, los ladrillos, las tejas, los vidrios, etc.

Por su parte, los materiales cermicos avanzados estn fabricados con materias primas artificiales que han sufrido un importante procesado qumico para conseguir una pureza alta y una mejora de sus caractersticas fsicas. El proceso de conformado se realiza con equipos sofisticados, que incluyen la utilizacin de alta temperatura y presin, por ejemplo, prensado isosttico en caliente. La microestructura es de grano fino y se tiene que resolver o estudiar por medio de la microscopa electrnica. La densidad llega a alcanzar valores del orden del 99 o 100 % de la densidad terica del material.As, los materiales cermicos avanzados o los nuevos materiales cermicos son aquellos productos de los cuales se espera que, dependiendo de las materias primas y composiciones utilizadas, posean: excelentes propiedades mecnicas bajo condiciones extremas de tensin, altas resistencias al desgaste o excelentes propiedades elctricas, magnticas u pticas o bien excepcional resistencia altas temperaturas y ambientes corrosivos (altas resistencias al ataque qumico). [6]Los materiales cermicos avanzados se han desarrollado en los ltimos 60 aos y son de gran inters debido a las propiedades nicas que poseen. As, han sido desarrolladas cermicas para aplicaciones donde se requiere una gran resistencia a la temperatura (Refractariedad elevada Tuso > 1000 C), propiedades mecnicas ms elevadas, especiales propiedades elctricas, mayor resistencia qumica (Gran estabilidad qumica), etc. Otras han sido descubiertas ms o menos accidentalmente y posteriormente han llegado a tener un importante papel en alguna rama industrial. El hecho es que las cermicas avanzadas han tenido y tiene un notable desarrollo, mano a mano con otras industrias, y han encontrado un amplio campo de aplicaciones como materiales industriales, debido a la gran variedad y nicas propiedades que pueden tener. Estas propiedades nicas explican el inters actual por las cermicas avanzadas o finas. Propiedades que interesan son las termomecnicas (HORNOS, etc.) que incluyen: refractariedad importante (Tuso > 1000 C), buenas propiedades mecnicas a altas temperaturas, resistencia a la abrasin, resistencia al choque trmico y gran estabilidad qumica (resistencia al ataque qumico). En la figura 1.5 puede verse la resistencia a la rotura para varios materiales y su evolucin en funcin de la temperatura. Puede observarse que los materiales cermicos y los materiales compuestos de matriz cermica (CMCs) son los nicos que se pueden utilizar a temperaturas superiores a los 1400 C.

En resumen, los materiales cermicos avanzados pueden definirse por las tres caractersticas siguientes: 1.- Para su fabricacin se usan materia primas de alta pureza (99.99 %), con composicin qumica y propiedades morfolgicas controladas. Granulometra submicrnica (< 1 m). 2.-El procesado est sujeto a un control preciso, tanto en el conformado como en la coccin. 3.-Los productos tienen una microestructura bien controlada, que asegura su alta fiabilidad o respuesta a la utilizacin para la cual ha sido diseada. [6]Proceso de fabricacin de los materiales para recubrimientos cermicos1. Extraccin2. Preparacin de la pasta3. Amasado4. Moldeo5. Secado6. Coccin

ExtraccinLas canteras de arcilla, tambin llamadas barreros, suelen estar cerca de las fbricas, son explotaciones a cielo abierto y la extraccin se realiza por medios mecnicos. Es necesario quitar una capa de material no apto para la fabricacin de ladrillos. Preparacin de la pastaLa arcilla extrada en la cantera hay que convertirla en una masa adecuada para la operacin de moldeo en forma de ladrillos, tejas, tubos, bloques. Para proceder al moldeo tiene que cumplir ciertas condiciones:-Depuracin: es indispensable que la pasta no tenga guijarros, mdulos de cal, sales solubles que puedan producir perturbaciones en los tratamientos posteriores-Estado de divisin: reduccin a pequeos fragmentos-Homogeneidad de la pasta: las distintas clases de arcillas y desengrasantes han de mezclarse ntimamente-La cantidad de agua: ser la elegida segn el mtodo de moldeo empleado Para que las pastas renan las condiciones necesarias de trabajabilidad y calidad, se les puede someter a uno o varios de los procesos siguientes:-Meteorizacin: consiste en someter a las arcillas a la accin de los elementos atmosfricos. Se dispone en capas de pequeo espesor adicionando en esta fase los desengrasantes. La meteorizacin mejora las condiciones de moldeo. El agua disuelve y elimina las sales solubles y la helada desintegra los terrones. [7]-Maduracin: consiste en un reposo. Se realiza en naves y tiene por objeto la reparticin de la humedad-Podrido: consiste en conservar la pasta en naves fras, sin circulacin de aire y con poca luz, procurando que la arcilla tenga una humedad constante. Este proceso produce una fermentacin que aumenta la plasticidad y reduce la tendencia al agrietamiento y el alabeo.-Levigacin: colocacin en balsas de las arcillas donde se deslen en agua para que sedimenten los componentes de mayor densidad eliminando la cal-Tamizado: aumenta el valor cermico. Se eliminan partculas sueltas e impurezas. Suele usarse una criba rotativa o tromel (cilindro de paredes de chapa con perforaciones; entra el material por un extremo y sale por el otro como consecuencia del giro y la inclinacin)-Lavado: se hace pasar el agua por la criba rotativa o tromel a la vez que se le aade agua-Preparacin mecnica: maquinas que hacen la preparacin de la pasta con menor costo y mayor rapidez

Mezclado y AmasadoConsiste en conseguir una perfecta homogeneizacin de la materia prima, es decir, de las diversas arcillas que se vayan a utilizar, de stas con los desgrasantes y de todos estos elementos slidos con el agua .Para ello disponemos de diversa maquinaria:-Mezcladoras amasadoras-Amasadoras de doble eje: puede aumentarse la energa de amasado construyendo la amasadora con dos ejes paralelos en lugar de uno que gira en sentido contrario

-Raspadores-Molino de rulos: se usa si la arcilla tiene piedras. Son dos cilindros que giran en un eje horizontal.-Laminadores MoldeoLo que se consigue con el moldeo es dar al producto una configuracin externa. El moldeo tiene repercusin en los procesos subsiguientes por lo que debe cuidarse y controlar su correccin. El moldeo se puede realizar de diversas maneras: [7]Moldeo a manoMtodo rudimentario til para producciones a pequea escala o peridica. Su aspecto es ms rugoso y ms esttico. La tierra se prepara en fosas mediante la adicin de agua y un amasado con palas hasta que se suficientemente homognea. En estado muy plstico y con mucho lquido se comprime en una gradilla. [7] PrensadoSe utiliza para obtener un producto de apariencia impecable. Tiene la ventaja de que no necesita pasar por el secadero, pero tiene el inconveniente de la posible falta de homogeneidad debido a la dificultad de conseguirla cuanto ms seca sea la tierra.

SecadoLas piezas recin moldeadas si se cocieran se romperan por la que hay que someterlas al proceso de secado. Consiste en la eliminacin de la pasta de amasado, hasta reducirla a un 5%.Se realiza de forma lenta y gradual, para evitar alabeos y resquebrajamientos. Industrialmente se utilizan cmaras secaderas, que consisten en unos locales en los que se hace pasar aire caliente procedente del calor de recuperacin de los hornos. CoccinCuando se cuecen las arcillas a altas temperaturas, se producen unas reacciones que provocan en el material una consistencia ptrea y una durabilidad que las hacen adecuadas para el fin que se las destina. Existen distintos tipos de hornos (hornos hormigueros, hornos continuos, etc).La temperatura en los hornos y el tipo de estos es variable en funcin de producto: [7]-Azulejos y tejera. 900 1000 C-Loza y gres cermico. 1000 1300 C-Porcelana. 1300 1500 C

6. Elementos reales que emplean recubrimientos cermicos.

a) Bujas de precalentamiento en motores disel

b) Catalizadores

c) Sonda lambda

d) Cmara de combustin

El hecho de recubrir el cielo de la cmara de combustin con un compuesto cermico de barrera trmica genera menos perdidas de calor (termodinmicamente hablando el proceso se acerca ms a uno adiabtico) lo que se transmite en una mayor fuerza aplicada al pistn. Adems la distribucin de la temperatura ms uniforme evita la detonacin pudiendo hasta incluso aumentar la relacin de compresin.

e) VlvulasSe utilizan recubrimientos cermicos de barrera trmica en toda la vlvula exceptuando el asiento, y el vstago en el que se aplica recubrimiento antifriccin

f) Pistones: Se pueden aplicar barreras trmicas con recubrimientos cermicos en la corona del pistn para que beneficie el escurrimiento del aceite.

La foto muestra el recubrimiento cermico anticorrosivo para correr con nitro metano.

Bibliografa

[1] Q. fundamental, Quimica fundamental, [En lnea]. Available: quimicafundamental1d.blogspot.com/p/ceramicaprincipales-materiales.html. [ltimo acceso: 08 06 2015].[2] FRIATEC, Las cermicas tcnicas como material para ingeniera, FRIALIT, Madrid, 2013.[3] M. ceramicos, Materiales ceramicos, [En lnea]. Available: sites.google.com/site/materialesceramicoseq6/Home/propiedades-mecnicas-de-las-cermicas. [ltimo acceso: 08 06 2015].[4] M. CERAMICOS, Propiedades mecnicas de recubrimientos cermicos, de Materiales cermicos, 2002. [5] webdeptos.uma.es, webdeptos.uma.es, [En lnea]. Available: http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema1_CM.pdf. [ltimo acceso: 08 06 2015].[6] www6.uniovi.es, uniovi, [En lnea]. Available: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.Ceramicos.Generalidades2.pdf. [ltimo acceso: 08 06 2015].[7] ciencia-y-tecnologia-de-los-materiales, ocw.usal.es, [En lnea]. Available: http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-los-materiales. [ltimo acceso: 08 06 2015].