17 PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS Y CERMETSCONTENIDO DEL CAPÍTULO

17.1 Procesamiento de cerámicas tradicionales17.1.1 Preparación de las materias primas17.1.2 Procesos de formado17.1.3 Secado17.1.4 Cocimiento (sinterizado)

17.2 Procesamiento de cerámicas nuevas17.2.1 Preparación de materiales iniciales17.2.2 Formado17.2.3 Sinterizado17.2.4 Acabado

17.3 Procesamiento de cermets17.3.1 Carburos cementados17.3.2 Otros cermets y compuestos en matriz cerámica

17.4 Consideraciones para el diseño de productos

En el capítulo 7 se analizó que las cerámicas se dividen en tres categorías: 1) cerámicas tradicionales, 2) nuevos productos de cerámica y 3) vidrios. El procesamiento del vidrio involucra principalmente solidificación y se estudió en el capítulo 12. En este capítulo se considerarán los métodos de procesamiento particulado que se usan para las cerámicas nuevas y las tradicionales. También se estudiarán el procesamiento de los compuestos ma-triciales metálicos y los cerámicos.

Las cerámicas tradicionales se hacen a partir de minerales que se encuentran en la naturaleza e incluyen alfarería, porcelana, ladrillos y cemento. Las nuevas cerámicas se hacen a partir de materias primas producidas sintéticamente y cubren un amplio espec-tro de productos, como herramientas de corte, huesos artificiales, combustibles nucleares y sustratos de circuitos electrónicos. El material inicial para todos estos artículos es polvo. En el caso de las cerámicas tradicionales, los polvos se mezclan usualmente con agua para aglutinar temporalmente las partículas y lograr una consistencia adecuada para darles for-ma. En las nuevas cerámicas se usan otras sustancias aglutinantes durante el formado. Las piezas frescas se sinterizan después de ser formadas. En cerámica se llama cocimiento, pero su función es la misma que en metalurgia de polvos: efectuar una reacción de estado sólido que una los materiales en una masa sólida y dura.

Los métodos de procesamiento que se revisarán en este capítulo son importantes tecnológica y comercialmente porque en la práctica todos los productos cerámicos se for-

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man por estos métodos (excepto, por supuesto, los productos de vidrio). La secuencia de manufactura es muy similar entre las cerámicas tradicionales y las nuevas cerámicas, de-bido a que la forma del material inicial es la misma: polvo. Sin embargo, los métodos de procesamiento para las dos categorías son bastante diferentes, por lo que se analizarán en forma individual.

17.1 PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS TRADICIONALES

En esta sección se revisará la tecnología de producción de cerámicas tradicionales, como alfarería, gres y otras lozas de mesa, ladrillos, azulejos y cerámica refractaria. Las ruedas de esmeril se producen también por los mismos métodos básicos. Lo que estos productos tienen en común es que sus materias primas consisten en silicatos cerámicos (arcillas). La secuencia de procesamiento de la mayoría de las cerámicas tradicionales incluye los pasos ilustrados en la figura 17.1.

17.1.1 Preparación de las materias primas

Los procesos de formado de los productos cerámicos tradicionales requieren que el material inicial tenga la forma de una pasta plástica, compuesta de finos polvos cerámicos mezclados con agua; su consistencia determina la facilidad para formar el material y la calidad del producto final. Las materias primas cerámicas se encuentran generalmente en la naturaleza como terrones rocosos, y su reducción a polvo es el propósito de los pasos de preparación en el procesamiento cerámico.

Las técnicas para reducir el tamaño de las partículas en el procesamiento de las cerámicas aportan varias formas de energía mecánica, como impacto, compresión y frotamiento. El término pulverización se usa para estas técnicas, las cuales son más efectivas en materiales frágiles, incluidos el cemento, las menas metálicas y los metales frágiles. Se distinguen dos tipos generales de operaciones de pulverización: el triturado y la molienda.

El triturado se refiere a la ruptura de grandes trozos provenientes de la mina en tamaños más pequeños para su reducción posterior. Se puede requerir varias etapas (por ejemplo, triturado primario y triturado secundario), y la relación de reducción en cada etapa

Sección 17.1/Procesamiento de cerámicas tradicionales 363

FIGURA 17.1 Pasos usuales en el procesamiento tradicional de las cerámicas: 1) preparación de materias primas, 2) formado, 3) secado y 4) cocimiento. El inciso a) muestra la pieza de trabajo durante la secuencia, mientras que el inciso b) muestra la condición de los polvos.

Preparación de polvos Formado de barro húmedo Secado Cocido

Polvos sueltos

Aire Agua

Poros de aire

Arcilla y agua Arcilla seca Arcilla cocida

a)

b)

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puede ser del orden de 3 a 6. El triturado de minerales se realiza por compresión contra superficies rígidas o por impacto contra superficies rígidas con movimiento restringido [1]. El equipo que se usa para realizar el triturado es de varios tipos. En la figura 17.2 se muestran algunos equipos utilizados para llevarlo a cabo: a) trituradores de quijadas, en los cuales una quijada grande se mueve hacia delante y hacia atrás para triturar los terrones contra una superficie dura y rígida; b) trituradores giratorios, que usan un cono giratorio para comprimir los trozos contra una superficie dura y rígida, c) trituradores de rodillos, en los cuales los trozos de cerámica se aprietan entre tambores rotatorios; y d) molinos de martillos, que usan martillos rotatorios para golpear el material y romper los trozos.

La molienda, en este contexto, se refiere a la operación de reducir las piezas pequeñas después del triturado a polvos finos. La molienda se realiza por abrasión e impacto del mineral triturado por el libre movimiento de un medio duro y suelto, como bolas, piedras o barras [1]. En la figura 17.3 se ilustran algunos ejemplos de molienda: a) molino de balines, b) molino de rodillos y c) molienda por impacto.

Un molino de balines contiene esferas duras mezcladas con el material a pulverizar, que giran dentro de un recipiente cilíndrico grande. El movimiento arrastra a los balines y

364 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

FIGURA 17.2 Operaciones de trituración: a) triturador de quijadas, b) triturador giratorio, c) triturador de rodillos y d) molino de martillos.

Quijada basculante

Quijada fija

Excéntrico

Mecanismo de articulación doble

Junta de bola y cuenca

Soporte superior

Cono triturador giratorio

Anillo triturador cónico

Excéntrico

Flecha motriz

Alimentación

Alimentación

Rodillos

Quijadas

a) b)

c) d )

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el material hacia arriba en la pared del recipiente y los hace caer para realizar la molienda por una combinación de impacto y frotamiento. Estas operaciones frecuentemente añaden agua a la mezcla, de manera que se forme una pasta aguada. En un molino de rodillos, el material se comprime contra la mesa horizontal del molino mediante rodillos que giran sobre la superficie de la mesa. Aunque no se muestra claramente en el diagrama, la presión de los rodillos sobre la mesa se regula por resortes mecánicos o medios hidroneumáticos. En la molienda por impacto, que parece usarse poco, las partículas del material se pro-yectan contra una superficie plana dura, ya sea por corriente de aire a alta velocidad o mediante un chorro de una pasta muy fluida a alta velocidad. El impacto fractura las piezas en partículas más pequeñas.

La pasta plástica requerida para el formado consiste en polvos cerámicos y agua. La arcilla es el ingrediente principal de la pasta, ya que tiene características ideales de forma-do. Mientras más agua tenga la mezcla, la arcilla será más plástica y fácil de formar. Sin embargo, cuando se seca y se cuece la pieza formada, se presenta la contracción que puede causar grietas en el producto. Para evitar este problema se añaden a la pasta otras materias primas cerámicas que no se encogen al secarse y quemarse (o al cocerse), con frecuencia en cantidades significativas. También se pueden añadir otros componentes que tienen fun-ciones especiales. De esta manera, los ingredientes de la pasta cerámica se pueden dividir en las siguientes tres categorías [3]: 1) arcilla, que proporciona la consistencia y plasticidad requeridas para el formado, 2) materias primas no plásticas, tales como alúmina y sílice, que no se encogen durante el secado y el cocido, pero desafortunadamente reducen la plasticidad en la mezcla durante el formado y 3) otros ingredientes, tales como fundentes, que vitrifican durante el cocimiento y promueven la sinterización del material cerámico (feldespato) y agentes humectantes que mejoran la mezcla de los ingredientes.

Estos ingredientes se mezclan perfectamente por vía húmeda o seca. Además de su función de molienda, el molino de balines sirve para este propósito. También deben ajus-tarse las cantidades apropiadas de polvo y agua en la pasta, de manera que se pueda au-mentar o disminuir la humedad, dependiendo de la condición anterior de la pasta y de la consistencia final deseada.

17.1.2 Procesos de formado

Las proporciones óptimas de polvo y agua dependen del proceso de formado que se usa. Algunos procesos de formado requieren alta fluidez; otros actúan sobre una composición que tiene bajo contenido de agua. Con cerca de 50% de agua, la mezcla es una pasta aguada que fluye como un líquido. Al reducirse el contenido de agua, se hace necesario

Sección 17.1/Procesamiento de cerámicas tradicionales 365

FIGURA 17.3 Métodos mecánicos para producir polvos cerámicos: a) molino de balines, b) molino de rodillos y c) molienda por impacto.

Contenedor

Material

Rodillos de molino

Rodillos direccionales

Contenedor

Mesa giratoria

Flecha motriz

Material

Aire

Bolas

a) b) c)

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aumentar la presión sobre la pasta para producir un flujo similar. Por tanto, los procesos de formado pueden dividirse con base en la consistencia de la mezcla: 1) fundición o vaciado deslizante, en la cual la mezcla es ligera con 25 a 40% de agua; 2) métodos de formado plástico, en los cuales se forma la arcilla en condición plástica con 15 a 25% de agua; 3) prensado semiseco, en el cual la arcilla está húmeda (10 a 15% de agua), pero posee baja plasticidad; y 4) prensado seco, en el cual la arcilla está básicamente seca, contiene menos de 5% de agua. La arcilla seca no tiene plasticidad. Las cuatro categorías se representan en la gráfica de la figura 17.4, donde se comparan estas categorías con la condición de la arcilla que se usa como material inicial. Cada categoría incluye varios procesos diferentes de formado.

Fundición o vaciado deslizante El vaciado deslizante se usa en metalurgia de polvos, pero su aplicación en cerámica es mucho más común. En este método se vacía una suspen-sión de polvos cerámicos en agua, llamada pasta líquida, dentro de un molde poroso de yeso (CaSO4–2H2O) donde el agua de la mezcla es absorbida de manera gradual por el yeso y se forma una capa de arcilla firme en la superficie del molde. La composición de la pasta líquida es típicamente de 25 a 40% de agua, y el remanente es arcilla mezclada de manera frecuente con otros ingredientes. Debe ser lo suficientemente fluida para penetrar en los resquicios de la cavidad del molde, pero también es conveniente que el contenido de agua sea bajo para lograr mayores velocidades de producción. El vaciado deslizante tiene dos variantes principales: 1) vaciado drenado y 2) vaciado sólido. En el vaciado drenado, que es el proceso tradicional, el molde se invierte para drenar el exceso de pasta líquida después de que se ha formado la capa semisólida, dejando así una parte hueca en el mol-de; éste se abre después y se remueve la parte. La secuencia es muy similar a la fundición hueca de metales y se ilustra en la figura 17.5. Ésta se usa para hacer jarras de té, vasos,

366 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

Pre

sión

req

uerid

a

Prensado seco

Prensado semiseco

Formado plástico

Vaciado deslizante

Contenido de agua (%)

FIGURA 17.4 Cuatro categorías de procesos de formado para cerámicas tradicionales comparadas con el contenido de agua y la presión requerida para formar la arcilla.

Pasta líquida Molde de yeso

FIGURA 17.5 Secuencia de los pasos en el vaciado drenado, una forma de vaciado deslizante: 1)se vacía la pasta líquidaen la cavidad del molde, 2) elagua es absorbida por el molde de yeso para formar una capa firme, 3) el exceso de pasta líquida se vacía afuera y 4) se retira la parte del molde y se recorta.

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objetos de arte y otros productos huecos de servicio. En el vaciado sólido, que se usa para producir productos sólidos, se da el tiempo suficiente para que el cuerpo entero se vuelva firme. El molde debe llenarse periódicamente con pasta líquida adicional para compensar la contracción debida a la absorción de agua.

Formado plástico Esta categoría incluye varios métodos manuales y mecanizados. Todos ellos requieren que la mezcla inicial tenga consistencia plástica, lo cual se logra general-mente con un contenido de agua de 15 a 25%. Para los métodos manuales se usan gene-ralmente arcillas en el límite superior del rango, que constituyen un material más fácil de formar; sin embargo, esto viene acompañado de mayor contracción en el secado. Los métodos mecanizados emplean por lo general mezclas con menor contenido de agua y por tanto la arcilla inicial es más espesa.

Aunque los métodos manuales de formado se remontan a miles de años atrás, actual-mente los siguen usando hábiles artesanos ya sea para producción o para obras de arte. El modelado a mano involucra la creación del producto cerámico por manipulación de la masa de arcilla plástica a fin de darle la forma deseada. Además de las piezas de arte, se hacen por este método los patrones para los moldes de yeso en el vaciado deslizante. El vaciado o moldeado a mano es un método similar, pero se utiliza un molde o forma para determinar las partes de la configuración geométrica. El torneado a mano sobre un torno de alfarero es otro refinamiento de los métodos artesanales. El torno de alfarero es una mesa redonda que gira en una flecha vertical accionada por un motor o por un pedal. Los productos cerámicos de sección transversal circular pueden formarse en el torno de alfare-ro usando algunas veces un molde que proporciona la forma interna.

Estrictamente hablando, el uso del torno de alfarero accionado con motor es un mé-todo mecanizado. Sin embargo, la mayoría de los métodos mecanizados de formación de arcilla se caracterizan por mucha menor participación manual que el método de torneado manual descrito. Estos métodos más mecanizados incluyen el torneado ligero, el prensado plástico y la extrusión. El torneado ligero es una extensión del método del alfarero, en el cual el modelado a mano se remplaza por técnicas mecanizadas. Se usa para producir gran-des cantidades de artículos idénticos, como platos y tazones para uso doméstico. Aunque hay variantes en las herramientas y métodos usados, con diferentes niveles de automati-zación y refinamiento de los procesos básicos, en la figura 17.6 se describe la secuencia típica: 1) un pedazo de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo; 2) una herramienta de formado presiona contra el pedazo para generar la forma inicial aproximada. La opera-ción se llama tejuelado y la pieza de trabajo creada se llama tejuela; y 3) una herramienta plantilladora calentada imparte el contorno final en la superficie durante la rotación de la pieza de trabajo. La razón para calentar la herramienta es producir vapor de la arcilla húmeda, lo cual evita la adherencia. Estrictamente relacionado con el torneado ligero, es el moldeo al torno con estirado, por medio del cual la forma del molde básico es cóncava en vez de convexa [7]. En ambos procesos se usa algunas veces, en lugar de la plantilla, una herramienta rodante que forma la arcilla por rodamiento, evitando la necesidad de tejue-lear el pedazo inicial.

Sección 17.1/Procesamiento de cerámicas tradicionales 367

FIGURA 17.6 Secuencia del torneado ligero: 1) un pedazo de arcilla húmeda se coloca en un molde convexo, 2) tejueleado y 3) una plantilla imparte la forma final al producto. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente.

Formador de la tejuela

Pedazo de arcilla

Molde de yeso

TejuelaPlantilla

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El prensado plástico es un proceso de formación en el cual el pedazo de arcilla plástica se prensa entre un molde inferior y otro superior contenidos en un arillo metálico. Los moldes se hacen de un material poroso como yeso; así, al aplicar vacío detrás de los moldes se remueve la humedad de la arcilla. Las secciones del molde se abren entonces, usando presión de aire positiva para prevenir la adherencia de la pieza en el molde. El prensado plástico alcanza producciones más altas que el torneado y no se limita a piezas de simetría radial.

La extrusión se usa en el procesamiento cerámico para producir secciones largas de sección transversal uniforme que se cortan a la longitud de pieza requerida. El equipo de extrusión utiliza una acción tipo tornillo que ayuda a mezclar la arcilla y a empujar el material plástico a través de la abertura del troquel. Esta secuencia de producción se usa ampliamente para hacer tabiques huecos, losetas, tubos de drenado, tubería en general y aislantes. Se usa también para hacer pedazos de barro inicial para otros procesos cerámicos, como torneado ligero y prensado plástico.

Prensado semiseco En el prensado semiseco las proporciones de agua en la arcilla inicial están típicamente en el rango de 10 a 15%. Esta proporción produce una baja plasticidad que impide el uso de métodos de formado plástico, los cuales requieren una arcilla con mayor plasticidad. Los procesos semisecos usan alta presión para superar la baja plasticidad del material y forzado dentro de la cavidad de un troquel, tal como se muestra en la figura 17.7. Con frecuencia se forma rebaba debido al exceso de barro que se introduce entre las secciones del troquel.

Prensado seco La diferencia principal entre el prensado semiseco y el prensado seco es el contenido de humedad del material inicial. El contenido de humedad de la arcilla inicial en el prensado seco está típicamente por debajo de 5%. Generalmente se agregan aglutinantes a la mezcla de polvos para proporcionar suficiente resistencia a la pieza prensada para su manejo subsiguiente. También se añaden lubricantes para prevenir que la pieza se pegue al dado durante el prensado y la expulsión. Debido a que la arcilla seca no tiene plasticidad y es muy abrasiva, el diseño del troquel y los procedimientos de operación son diferentes al prensado semiseco. Los troqueles se hacen de acero para herramienta endurecido o carburo de tungsteno cementado para reducir el desgaste. Como la arcilla seca no fluye durante el prensado, la forma de la pieza es relativamente simple, por lo que se debe agregar y distribuir en el troquel la cantidad correcta de polvo inicial. No se forman rebabas en el prensado seco y no ocurre contracción de secado, así que el tiempo de

368 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

FIGURA 17.7 Prensado semiseco: 1) depósito de polvo húmedo en la cavidad del troquel, 2) prensado y 3) apertura del troquel y expulsión de la pieza. Los símbolos v y F indican movimiento (v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente. Polvos iniciales

Rebaba

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secado se elimina, lográndose una buena precisión en las dimensiones del producto final. La secuencia del proceso en el prensado seco es similar a la del prensado semiseco. Los productos típicos incluyen azulejos para baño, aisladores eléctricos y ladrillos refractarios.

17.1.3 Secado

El agua juega un papel importante en la mayoría de los procesos tradicionales de formado cerámico. Pero en adelante ya no tiene ningún objeto y debe removerse del cuerpo de la pieza antes de cocerla. La contracción es un problema durante este paso porque el agua aporta volumen a la pieza y cuando se retira, el volumen se reduce. El efecto se puede ver en la figura 17.8. Al añadir agua inicialmente a la arcilla seca, ésta remplaza simplemente al aire de los poros entre los granos cerámicos y no hay cambio de volumen. Al incrementarse el contenido de agua por arriba de cierto punto, los granos empiezan a separarse y el volumen aumenta, lo que da por resultado una arcilla húmeda que tiene plasticidad y facilidad de formado. Al aumentar el contenido de agua, la mezcla se convierte a la larga en una suspensión líquida de partículas de arcilla en agua.

El proceso inverso ocurre en el secado. Al remover agua de la arcilla húmeda, el volumen de la pieza se contrae. El proceso de secado ocurre en dos etapas, como se describe en la figura 17.9. En la primera etapa, la velocidad de secado es rápida y constante, debido a que el agua de la superficie de la arcilla se evapora en el aire circundante y el agua interior emigra, por acción capilar, hacia la superficie para remplazarla. Durante esta etapa ocurre la contracción, con el riesgo asociado de deformación y agrietamiento debido a las variaciones del secado en diferentes secciones de la pieza. En la segunda etapa de secado, el contenido de humedad se ha reducido hasta que los granos cerámicos han quedado en

Sección 17.1/Procesamiento de cerámicas tradicionales 369

FIGURA 17.8 Volumen de la arcilla como una función del contenido de agua. La relación que se muestra aquí es típica; varía para diferentes composiciones de la arcilla.

Vol

umen

ag

rega

doV

eloc

idad

de

seca

do

Volumen (contracción)

Progreso del secado

Etapa 1 de secado

Etapa 2 de secado

Contenido de humedad (volumen de agua)

Vol

umen

agr

egad

o

Volumen de la arcilla húmeda

Aire Agua

Arcilla sólida

Volumen de agua

FIGURA 17.9 Curva de velocidad de secado típica asociada a una reducción de volumen (contracción por secado) para un cuerpo cerámico. La velocidad de secado en la segunda etapa se muestra aquí como una línea recta (disminución constante de la velocidad en función del contenido de agua); la función se muestra en la literatura de varias formas, cóncava o convexa [3], [7].

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contacto, y ocurre poca o ninguna contracción. El proceso de secado se hace más lento, como se puede ver en la gráfica de la velocidad decreciente.

En producción, el secado se realiza de manera usual en cámaras donde se controla la temperatura y la humedad para lograr el programa apropiado de secado. Debe tenerse cuidado de no remover demasiado rápido el agua de la pieza, para evitar que se formen altos gradientes de humedad, haciendo el material más propenso a las grietas. El calentamiento se hace normalmente por una combinación de convección y radiación usando fuentes infrarrojas. Los tiempos típicos de secado van desde 15 minutos para secciones delgadas hasta varios días para secciones muy gruesas.

17.1.4 Cocimiento (sinterizado)

Después del formado, pero antes del cocimiento, se dice que la pieza cerámica está fresca (el mismo término que en la metalurgia de polvos), lo cual significa que no está completamente procesada o tratada. La pieza fresca carece de dureza y resistencia, debe cocerse para fijar la forma de la pieza y lograr dureza y resistencia en el producto final. El cocimiento es el proceso de tratamiento térmico que sinteriza al material cerámico y se realiza en un horno cerámico. En el sinterizado se desarrollan uniones entre los granos cerámicos y esto va acompañado de densificación y reducción de porosidad. Por tanto, ocurre una nueva contracción en el material policristalino, además de la que ya ha ocurrido en el secado. La sinterización en cerámica es básicamente el mismo mecanismo que en la metalurgia de polvos. En el cocimiento de la cerámica tradicional pueden ocurrir ciertas reacciones químicas entre los componentes de la mezcla y formarse también una fase vítrea entre los cristales, la cual actúa como aglutinante. Ambos fenómenos dependen de la composición química del material cerámico y de las temperaturas de cocimiento que se usan.

Las piezas de cerámica no glaseadas se cuecen solamente una vez; los productos glaseados se cuecen dos veces. El glaseado se refiere a la aplicación de un recubrimiento cerámico en la superficie para hacer las piezas más impermeables al agua y mejorar su apariencia (sección 7.2.2). La secuencia de procesamiento usual de los artículos glaseados es: 1) cocimiento de los artículos antes del glaseado para endurecer el cuerpo de la pieza, 2) aplicar el glaseado y 3) cocer la pieza una segunda vez para endurecer el glaseado.

17.2 PROCESAMIENTO DE CERÁMICAS NUEVAS

La mayoría de las cerámicas tradicionales se basa en la arcilla (barro), que posee la capacidad única de adquirir plasticidad cuando se mezcla con agua, y dureza cuando se seca y se cuece. La arcilla consta de varios compuestos de silicato hidratado de aluminio, mezclados usualmente con otros materiales cerámicos, para formar una composición química más bien compleja. Las cerámicas nuevas (sección 7.3) se basan en compuestos químicos más simples, como óxidos, carburos y nitruros. Estos materiales no poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas tradicionales cuando se mezclan con agua. Por consiguiente, los polvos deben combinarse con otros ingredientes para lograr la plasticidad y otras propiedades convenientes durante el formado y aplicar así los métodos convencionales. Las nuevas cerámicas se diseñan generalmente para aplicaciones que requieren alta resistencia, dureza y otras propiedades que no se encuentran en los materiales cerámicos tradicionales. Estos requerimientos motivaron la introducción de varias técnicas nuevas de procesamiento no usadas anteriormente en las cerámicas tradicionales.

La secuencia de manufactura para las nuevas cerámicas se puede resumir en los siguientes pasos: 1) preparación de materiales iniciales, 2) formado, 3) sinterizado y 4) acabado. Si bien la secuencia es casi la misma para las cerámicas tradicionales, los detalles son frecuentemente muy diferentes, como se verá a continuación.

370 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

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17.2.1 Preparación de materiales inicialesComo la resistencia que se especifica para estos materiales es generalmente mucho más grande que para las cerámicas tradicionales, los polvos iniciales deben ser más homogé-neos en tamaño y composición, y los tamaños de partícula deben ser menores (la resisten-cia de los productos cerámicos resultantes es inversamente proporcional al tamaño de los granos). Por tanto, se requiere un mayor control de polvos iniciales. La preparación de los polvos incluye métodos mecánicos y químicos. Los métodos mecánicos constan de las mis-mas operaciones de molienda que se llevan a cabo en el molino de balines utilizado con las cerámicas tradicionales. La dificultad con estos métodos es que las partículas cerámicas se contaminan con el material de los balines y paredes del molino. Esto compromete la pure-za de los polvos cerámicos y como resultado aparecen grietas microscópicas que reducen la resistencia del producto final.

Se usan dos métodos químicos para lograr mayor homogeneidad en los polvos de los nuevos cerámicos: 1) secado por congelación y 2) precipitación de una solución. En secado por congelación, las sales de un producto químico inicial apropiado se disuelven en agua y la solución se rocía para formar gotas pequeñas que son rápidamente congeladas. Después, se remueve la humedad de las gotas en una cámara de vacío; la sal resultante secada por congelación se descompone por calentamiento para formar polvos cerámicos. El secado por congelación no es aplicable a todos los cerámicos, debido a que en algunos casos no es posible identificar un material inicial soluble en agua.

La precipitación de una solución es otro método de preparación que se usa para las nuevas cerámicas. En el proceso típico, el compuesto cerámico deseado se disuelve a partir del mineral inicial, permitiendo filtrar las impurezas. Entonces se precipita un compuesto intermedio de la solución, que se convierte en el compuesto deseado por calentamiento. Un ejemplo del método de precipitación es el proceso Bayer para producir alúmina de alta pureza (se usa también en la producción de aluminio). En este proceso el óxido de aluminio se disuelve del material llamado bauxita, para remover los compuestos de hierro y otras impurezas. Luego se precipita el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) de la solución y se reduce a Al2O3 por calentamiento.

La preparación posterior de polvos incluye la clasificación por tamaños y el mezclado antes de darles forma. Se requieren polvos muy finos para las aplicaciones de las nuevas ce-rámicas, por lo que se deben separar los granos y clasificarlos de acuerdo con su tamaño. Se requiere también el mezclado total de las partículas para evitar segregación, especialmente cuando se combinan diferentes polvos cerámicos.

Frecuentemente se combinan varios aditivos con los polvos iniciales, por lo general en pequeñas cantidades. Estos aditivos incluyen 1) plastificantes, para mejorar la plasticidad y facilidad de trabajo; 2) aglutinantes, para unir las partículas cerámicas en una masa sólida en el producto final, 3) agentes humectantes, para mejorar el mezclado; 4) des floculantes, que ayudan a prevenir la aglomeración y la unión prematura de los polvos y 5) lubricantes, para reducir la fricción entre los granos cerámicos durante el formado y para reducir la adherencia cuando se retira la pieza del molde.

17.2.2 FormadoMuchos de los procesos de formado para las nuevas cerámicas han sido tomados de la me- talurgia de polvos y de la cerámica tradicional. Los métodos de prensado y sinterizado analizados en la sección 16.3 han sido adaptados para los nuevos materiales cerámicos. Se han usado algunas de las técnicas de formado de las cerámicas tradicionales (sección 17.1.2) para formar las nuevas cerámicas, incluido el vaciado deslizante, la extrusión y el prensado seco. Los procesos que describiremos a continuación no se relacionan normalmente con el formado de cerámicas tradicionales, aunque varios de ellos se asocian con la metalurgia de polvos.

Prensado caliente El prensado caliente es similar al prensado seco (sección 17.1.2), ex-cepto porque el proceso se lleva a cabo a temperaturas elevadas; así el sinterizado del pro-

Sección 17.2/Procesamiento de cerámicas nuevas 371

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ducto se realiza simultáneamente con el prensado. Esto elimina la necesidad de un paso de cocimiento adicional en la secuencia. Se obtienen densidades más altas y granos de tamaño más fino, pero la vida del troquel se reduce por la abrasión de las partículas calientes contra la superficie del troquel.

Prensado isostático El prensado isostático de las cerámicas es el mismo proceso que se usa en la metalurgia de polvos (sección 16.4.1). Usa presión hidrostática para compactar los polvos cerámicos en todas direcciones, evitando la falta de uniformidad del producto final, problema que se observa frecuentemente en los métodos de prensado uniaxial tra-dicional.

Procesos de bisturí Este proceso se usa para hacer láminas delgadas de material cerá-mico. Una aplicación común son las láminas que se usan en la industria electrónica como materiales de sustrato para los circuitos integrados. El proceso se muestra en el diagrama de la figura 17.10. Una pasta aguada cerámica se introduce en una película portadora móvil como el celofán. El espesor de la cerámica en la película portadora se determina por un limpiador llamado bisturí. Al moverse la pasta por debajo de la línea, se seca formando una cinta cerámica fresca flexible. Al final de la línea se enreda la cinta en un carrete para su procesado posterior. La cinta fresca se puede cortar o procesar antes de cocerse.

Moldeo por inyección de polvos (PIM, por sus siglas en inglés) Es el mismo proceso que se usa en metalurgia de polvos (sección 16.4.2), excepto porque los polvos son cerámicos en lugar de metálicos. Las partículas cerámicas se mezclan con un polímero termoplástico que actúa como portador y que proporciona las características apropiadas de flujo a las temperaturas de moldeo. La mezcla se calienta y se inyecta en la cavidad de un molde. Cuando el polímero se enfría y endurece, se abre el molde y se retira la pieza. Debido a que las temperaturas que se necesitan para plastificar el portador son mucho más bajas que las requeridas para efectuar el sinterizado del material cerámico, la pieza sigue fresca después del moldeo. Antes del sinterizado se debe remover el aglutinante plástico. Esto se llama desaglomeración y se realiza generalmente por una combinación de tratamientos térmicos con solventes.

Las aplicaciones del moldeo por inyección de polvos para los cerámicos son limitadas debido a las dificultades en la desaglomeración y el sintetizado. El cocimiento del polímero es relativamente lento, y su remoción debilita la resistencia de la parte moldeada. Con fre-cuencia se presentan torceduras y grietas durante el sinterizado. Los productos cerámicos hechos por PIM son especialmente vulnerables a grietas microestructurales que limitan su resistencia.

17.2.3 Sinterizado

Como la plasticidad que se necesita para formar las nuevas cerámicas no se basa en una mezcla con agua, se puede omitir el secado comúnmente requerido para remover el agua de las cerámicas frescas tradicionales en el procesamiento de la mayoría de los nuevos productos cerámicos. Sin embargo, el paso de sinterizado todavía es muy necesario para obtener las máximas resistencia y dureza posibles. Las funciones de sinterizado son las

372 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

FIGURA 17.10 Proceso de bisturí que se usa para fabricar láminas delgadas de cerámica. El símbolo v indica movimiento (v = velocidad).

Pasta aguada

Zona de secado

Cinta fresca

Estructura de soporte

Película portadora

Carrete de película portadora

Carrete de la cinta

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mismas que antes: 1) unir los granos individuales en una masa sólida, 2) incrementar la densidad y 3) reducir o eliminar la porosidad.

Para sinterizar el material cerámico se usan comúnmente temperaturas de 80 a 90% del punto de fusión. El mecanismo de sinterización es diferente entre las nuevas cerámicas, que se basan predominantemente en un solo compuesto químico (por ejemplo, Al2O3), y las cerámicas basadas en arcilla, las cuales comprenden a varios compuestos con diferentes puntos de fusión. En el caso de las nuevas cerámicas, el mecanismo de sinterizado es la difusión de masa a través de las superficies de contacto de las partículas, probablemente acompañada de algún flujo plástico. Este mecanismo ocasiona que los centros de las partículas se muevan para juntarse más; el efecto se traduce en una densificación del material final. En el sinterizado de cerámicas tradicionales, este mecanismo se complica por la fusión de algunos constituyentes y la formación de una fase glaseada que actúa como aglutinante entre los granos.

17.2.4 Acabado

Las piezas hechas con la nueva cerámica requieren algunas veces acabado. En general esta operación tiene uno o más de los siguientes propósitos: 1) incrementar la precisión dimensional, 2) mejorar el acabado de la superficie y 3) hacer cambios menores en la forma de la pieza. Las operaciones de acabado involucran generalmente esmerilado y otros procesos abrasivos (capítulo 25). Se necesita usar abrasivos de diamante para cortar los materiales cerámicos endurecidos.

17.3 PROCESAMIENTO DE CERMETS

Muchos compuestos en matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés) y compuestos en matriz cerámica (CMC) se procesan por métodos de procesamiento particulado. Los ejemplos más prominentes son los carburos cementados y otros cermets.

17.3.1 Carburos cementados

Los carburos cementados son una familia de los materiales compuestos que consisten en partículas de carburos cerámicos incorporadas en un metal aglutinante. Se clasifican como compuestos de matriz metálica debido a que el aglutinante metálico es la matriz que mantiene junta la masa del material; sin embargo, las partículas de carburo constituyen la proporción más grande del material compuesto y fluctúa normalmente entre 80 y 95% en volumen. Los carburos cementados se clasifican técnicamente como cermets, aunque con frecuencia se distinguen de otros materiales en esta clase.

El carburo cementado más importante es el carburo de tungsteno en un aglutinante de cobalto (WC-Co). En esta categoría se incluyen generalmente ciertas mezclas de WC, TiC y TaC en una matriz de Co en las cuales el carburo de tungsteno es el principal componente. Otros carburos cementados incluyen carburo de titanio en níquel (TiC-Ni) y carburo de cromo en níquel (Cr3C2-Ni). Estos compuestos se revisaron en la sección 9.2.1, y los ingredientes de carburo se describieron en la sección 7.3.2. Aquí interesa el procesamiento de carburos cementados que se basa en tecnologías particuladas.

Para proveer una pieza fuerte y libre de poros, los polvos de carburo deben sinterizarse con un aglutinante metálico. El cobalto es el que funciona mejor con WC, en lo que el níquel es mejor con TiC y Cr3C2. La proporción usual de un aglutinante metálico va de 4% hasta 20%. Los polvos de carburo y el aglutinante metálico se mezclan perfectamente en húmedo en un molino de balines (u otra máquina mezcladora apropiada) para formar un lodo homogéneo. La molienda sirve también para refinar el tamaño de partícula. El lodo se seca después en una atmósfera controlada o al vacío para prevenir oxidación en la preparación para la compactación.

Sección 17.3/Procesamiento de cermets 373

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Compactación Se usan varios métodos para formar la mezcla de polvos en un compac-tado fresco de forma deseada. El proceso más común es el prensado frío, descrito ante-riormente y usado para alta producción de piezas de carburo cementado, como insertos para herramientas de corte. Los troqueles que se usan en el prensado frío deben hacerse sobredimensionados para tomar en cuenta la contracción durante el sinterizado. La con-tracción lineal puede ser de 20% o más. Para alta producción, los troqueles se hacen con revestimiento de WC-Co para reducir el desgaste, debido a la naturaleza abrasiva de las partículas de carburo. Para cantidades más pequeñas, se prensan grandes secciones planas y luego se cortan en piezas más pequeñas de tamaño específico.

Se usan otros métodos de compactación para los productos de carburo cementado, entre los que se incluyen el prensado isostático y el prensado caliente para piezas grandes, como troqueles para estirado y balines para molinos, y extrusión para secciones transversa-les largas, formas circulares, rectangulares u otras. Cada uno de estos procesos se describió ya sea en este capítulo o en el anterior.

Sinterizado Aunque es posible sinterizar WC y TiC sin un metal aglutinante, el material resultante poseerá algo menos de 100% de la densidad real. La utilización de un aglutinante proporciona una estructura que virtualmente está libre de porosidad.

El sinterizado de WC-Co implica el sinterizado en fase líquida (sección 16.4.5). El proceso puede explicarse con el diagrama de fase binaria para estos constituyentes en la figura 17.11. En el diagrama se identifica el rango de composición típica para los productos comerciales de carburo cementado. Las temperaturas típicas de sinterizado para WC-Co se encuentran entre 1 370 ºC a 1 425 ºC (2 500 ºF a 2 600 ºF), las cuales están debajo del punto de fusión del cobalto, que es 1 495 ºC (2 716 ºF). Por consiguiente, el metal aglutinante puro no funde a la temperatura de sinterizado. Sin embargo, como muestra el diagrama de fase, el WC se disuelve en el Co en el estado sólido. Durante el tratamiento por calor, el WC se disuelve gradualmente dentro de la fase gamma y su punto de fusión se reduce, de tal forma que finalmente el metal se funde. A medida que se forma la fase líquida, ésta fluye y empapa las partículas de WC, y además disuelve el sólido. La presencia del metal fundido también sirve para remover gases de las regiones internas de la compactación. Estos mecanismos se combinan para efectuar un rearreglo entre las partículas remanentes de WC, lo cual produce un empaquetamiento más estrecho, y a su vez también una densificación y una contracción significativas de la masa del WC-Co. Posteriormente, durante el enfriado en el ciclo de sinterizado, el carburo disuelto se precipita y se deposita dentro de los cristales ya existentes, para formar una estructura consistente, la cual es empapada completamente por el aglutinante de Co.

374 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

FIGURA 17.11 Diagrama de fase WC-Co. Fuente: [6].

1800 3200

2800

2400

2000

1600

1600

1400

1200

1000

0WC

25 50Porcentaje en peso de cobalto

75 100Co

Tem

pera

tura

, °C

Tem

pera

tura

, °F

WC + líquido

WC + γ

γ

Líquido

γ + líquido

Rango típico de composición de productos de carburo cementado

1320°C (2408°F)

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Operaciones secundarias Se requieren procesamientos subsecuentes después del sinterizado para lograr un control dimensional adecuado de las piezas de carburo cementado. El esmerilado con ruedas abrasivas de diamante o de otro material muy duro es la operación secundaria más común desempeñada para este propósito. Otros procesos usados para formar los carburos cementados duros incluyen el maquinado con descarga eléctrica y el maquinado ultrasónico, dos procesos de remoción de material no tradicionales que se analizan en el capítulo 26.

17.3.2 Otros cermets y compuestos de matriz cerámica

Además de los carburos cementados, otros cermets se basan en óxidos cerámicos como el Al2O3 y MgO. El cromo es un aglutinante metálico común que se usa en estos materiales compuestos. Las proporciones de cerámica a metal cubren un rango más amplio que el de los carburos cementados; en algunos casos el metal es el principal ingrediente. Estos cermets se transforman en productos útiles mediante los mismos métodos de formado que se usan para los carburos cementados.

La tecnología común de los compuestos en matriz cerámica (sección 9.3) incluye materiales cerámicos (por ejemplo, Al2O3, BN, Si3N4 y vidrio) reforzados con fibras de carbono, SiC o Al2O3. Si las fibras son bigotillos (fibras que consisten en un monocristal), estos CMC pueden procesarse por métodos particulados que se usan para las nuevas cerámicas (sección 17.2).

17.4 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS

Si la aplicación es correcta, los materiales cerámicos tienen propiedades especiales que los hacen atractivos para los diseñadores. Las siguientes recomendaciones para el diseño, recopiladas por Bralla [2] y otras fuentes, se aplican a los materiales cerámicos tanto tra-dicionales como nuevos, aunque es más probable que los diseñadores encuentren oportu-nidades para los nuevos cerámicos en productos de ingeniería. En general, estos mismos lineamientos se aplican para carburos cementados.

Los materiales cerámicos son varias veces más fuertes a la compresión que a la tensión; los componentes deben diseñarse para soportar esfuerzos de compresión, mas no esfuerzos de tracción.

Las cerámicas son frágiles y casi no poseen ductilidad. Las piezas cerámicas no deben usarse en aplicaciones que impliquen cargas de impacto o altos esfuerzos que puedan causar fractura.

Aunque muchos procesos de formado de cerámicos permiten formas complejas, es de-seable mantener formas simples por razones económicas y técnicas. Debe evitarse per-foraciones profundas, canales y muescas, así como grandes proyecciones en voladizo.

Los bordes exteriores y las esquinas deben contener radios o chaflanes, y las esquinas inferiores deben ser redondeadas. Estos reglamentos se violan, por supuesto, en las aplicaciones para herramientas de corte, en los cuales los bordes cortantes deben ser agudos para que puedan funcionar. Los bordes de corte se fabrican frecuentemente con radios o chaflanes muy pequeños para protegerlos del desportillado microscópico que puede conducir a fallas.

La contracción de la pieza en el secado y cocimiento (para cerámicas tradicionales), y en sinterizado (para cerámicas nuevas) puede ser significativa y el diseñador debe tomarla en cuenta para establecer dimensiones y tolerancias. Esto es principalmente un problema para los ingenieros de manufactura que deben determinar las tolerancias apropiadas para que las dimensiones finales estén dentro de las tolerancias especi-ficadas.

Se debe evitar las roscas en las piezas cerámicas. Son difíciles de fabricar y no tienen la resistencia adecuada en el servicio después de su fabricación.

Sección 17.4/Consideraciones para el diseño de productos 375

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REFERENCIAS

376 Capítulo 17/Procesamiento de cerámicas y cermets

[1] Bhowmick, A. K., Bradley Pulverizer Company, Allentown, Pa., personal communication, febrero, 1992.

[2] Bralla, J. G. (editor-in-chief), Design for Manufacturing Han-dbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1999.

[3] Hlavac, J., The Technology of Glass and Ceramics, Elsevier Scientific Publishing Co., Nueva York, 1983.

[4] Kingery, W. D., Bowen, H. K. y Uhlmann, D. R., Introduction to Ceramics, 2a. ed., John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1995.

[5] Richerson, D. W., Modern Ceramic Engineering, 2a. ed., Mar-cel Dekker, Inc., Nueva York, 1992.

[6] Schwarzkopf, P. y Kieffer, R., Cemented Carbides, The Mac-millan Co., Nueva York, 1960.

[7] Singer, F. y Singer, S. S., Industrial Ceramics, Chemical Pu-blishing Co., Nueva York, 1963.

[8] Somiya, S., editor, Advanced Technical Ceramics, Academic Press, Inc., San Diego, Calif., 1989.

PREGUNTAS DE REPASO

17.1. ¿Cuál es la diferencia entre las cerámicas tradicionales y las nuevas cerámicas desde el punto de vista de las materias primas?

17.2. Mencione los pasos básicos en la secuencia de procesamien-to de las cerámicas tradicionales.

17.3. ¿Cuál es la diferencia técnica entre triturado y molienda en la preparación de materias primas para las cerámicas tradi-cionales?

17.4. Describa el proceso de vaciado deslizante en el procesa-miento de las cerámicas tradicionales.

17.5. Mencione y describa brevemente algunos de los métodos de formado plástico que se usan para formar los productos cerámicos tradicionales.

17.6. ¿En qué consiste el proceso de torneado ligero?17.7. ¿Cuál es la diferencia entre el prensado seco y el prensado

semiseco de las piezas de cerámica tradicional?17.8. ¿Qué le sucede a un material cerámico cuando se sinteriza?17.9. ¿Cuál es el nombre del horno que se usa para cocer artícu-

los cerámicos?

17.10. ¿Qué es el glaseado en el procesamiento de cerámicas tradi-cionales?

17.11. ¿Por qué es importante el secado en el procesamiento de las cerámicas tradicionales, no requerido usualmente en el procesamiento de las nuevas cerámicas?

17.12. ¿Por qué es más importante la preparación de las materias primas en el procesamiento de las nuevas cerámicas que para las cerámicas tradicionales?

17.13. ¿En qué consiste el proceso de secado por congelación que se usa para fabricar ciertos polvos de las nuevas cerámicas?

17.14. Describa el proceso del bisturí.17.15. El sinterizado en fase líquida se usa para compactados de

WC-Co, aun cuando las temperaturas de sinterizado están abajo del punto de fusión de WC y Co. ¿Cómo es posible esto?

17.16. Mencione algunas recomendaciones de diseño para piezas cerámicas.

CUESTIONARIO DE OPCIÓN MÚLTIPLE

En las siguientes preguntas de opción múltiple hay un total de 16 respuestas correctas (algunas preguntas tienen varias respuestas correctas). Para obtener una calificación perfecta hay que dar todas las respuestas correctas del cuestionario. Cada respuesta correcta vale un punto. Por cada respuesta omitida o errónea, la calificación se reduce en un punto, y cada respuesta adicional que sobrepase el número correcto de respuestas reduce la calificación en un punto. El porcentaje de calificación se basa en el número total de respuestas correctas.

17.1. El siguiente equipo se usa para triturar y moler minerales en la preparación de materias primas para cerámicas tra-dicionales. ¿Cuál de las piezas que se mencionan se usa para moler? a) molino de balines, b) molino de martillo, c) triturador de quijadas, d) triturador de rodillos o e) molino de rodillos.

17.2. ¿Cuál de los siguientes compuestos se vuelve un material plástico y fácil de formar cuando se mezcla con cantidades adecuadas de agua? a) óxido de aluminio, b) óxido de hi-drógeno, c) silicato hidratado de aluminio o d) bióxido de silicio.

17.3. ¿A qué porcentaje de agua se vuelve la arcilla un material plástico adecuado para los procesos de formación plástica de las cerámicas tradicionales? a) 5%, b) 10%, c) 20% o d) 40%.

17.4. ¿Cuál de los siguientes procesos no es un método de forma-do plástico que se usa para las cerámicas tradicionales? (hay tres respuestas correctas): a) prensado seco, b) extrusión, c) tejueleado, d) torneado ligero, e) moldeo al torno con esti-rado, f) vaciado deslizante o g) repujado.

17.5. El término pieza fresca se refiere en cerámica a una parte que ha sido formada, pero todavía no cocida: a) verdadero o b) falso.

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