FABRICACIÓN
DE PIEZAS CERÁMICAS
CONTENIDO
· INTRODUCCIÓN
· ÁREAS DE INVESTIGACIÓN
MATERIALES CERÁMICOS
FELDESPATO
CUARZO
· PROCESAMIENTO
· APLICACIONES
FABRICACIÓN DE PIEZAS CERÁMICAS
INTRODUCCIÓN:
Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas.
Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios mas agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería.
En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso especifico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica.
Estructuras de
los Cerámicos Sencillos:
Algunos compuestos cerámicos con estructuras cristalinas relativamente sencillas están recogidos en la tabla 10.1 con sus puntos de fusión.
Tabla 10.1
|
Compuesto
cerámico |
Punto de
Fusión,°C |
Compuesto
cerámico |
Punto de
Fusión,°C |
|
Carburo de afnio,
HfC |
4150 |
Carburo de boro, B4C |
2450 |
|
Carburo de titanio,
TiC |
3120 |
Oxido de aluminio,
Al2O3 |
2050 |
|
Carburo de
wolframio, WC |
2850 |
Dióxido de silicio,
SiO2 |
1715 |
|
Oxido de magnesio. MgO |
2798 |
Nitruro de silicio,
Si3N4 |
1900 |
|
Carburo de silicio,
SiC |
2500 |
Dióxido de titanio,
TiO2 |
1605 |
En los compuestos cerámicos listados, el enlace atómico es una mezcla de los tipos iónico y covalente para los enlaces entre átomos en estos compuestos se pueden obtener considerando las diferencias de electronegatividad entre los diferentes tipos de átomos en los compuestos y utilizando la ecuación de Pauling para el porcentaje de carácter iónico. La cantidad de enlace iónico o covalente entre los átomos de estos compuestos es importante porque determina en alguna medida que tipo de estructura cristalina se formara en el compuesto cerámico.
Los sólidos (cerámicos) iónicos el empaquetamiento de los iones esta determinado principalmente por los siguientes factores:
1- El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (considerando los iones como esferas compactas de radio definido).
2- La necesidad de balancear las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el sólido iónico.
Limitaciones de tamaño para el empaquetamiento denso de iones en un sólido iónico: los sólidos iónicos están formados por cationes y aniones. En el enlace iónico algunos átomos pierden sus electrones más externos para convertirse en cationes y otros ganan electrones para convertirse en aniones. Por tanto, los cationes son normalmente mas pequeños que los aniones enlazados con ellos.
Cuanto mayor sea el numero de aniones que rodean al catión central, mas estable es el sólido. Sin embargo, los aniones deben estar en contacto con el catión central y deben mantener la neutralidad de carga.
ÁREAS DE INVESTIGACIÓN
MATERIALES CERÁMICOS TIPO-PEROVSQUITA
Una
amplia gama en la investigación de titanatos conducida por Arvids
Stashans.
Particularmente al momento estamos
envueltos en la siguiente investigación:
(i) polarones libres en la estructura cúbica del BaTiO3.
Impurezas(donor y aceptor) dopando en BaTiO3. Estudios de polarones
atrapados por las impurezas de Al y Sc: estructura, distorsión de la red, energías de absorción. Estudios
del dopaje con La y Nb en el BaTiO3:
niveles de energía locales dentro de la banda de energías prohibidas, efectos
ocasionados por los defectos en el espectro de absorción (Henry Pinto y Edgar
Javier Patiño).
Maquina
para fabricación de cerámica
(ii) defectos inducidos por radiación
en SrTiO3: polarones libres y atrapados por las impurezas del tipo
aceptor, centros F+ y F en fases cúbica y tetragonal, su influencia sobre las
propiedades estructurales y ópticas del SrTiO3. (Arvids Stashans y
Luis Fernando Vargas)
(iii)dopaje con La en SrTiO3:
efectos de la impureza sobre las bandas de energías, la estructura atómica,
estudios de los efectos de la concentración de La en las propiedades de SrTiO3.
(Paul Sánchez).
(iv) parametrización del cristal PbTiO3
dentro del INDO modificado para cristales considerando las estructuras cúbica y
tetragonal. Estudios de la impureza de Zr en el PbTiO3: configuraciones del
equilibrio, distorsión de la red, posible influencia de impureza sobre las
propiedades electrónicas del material
(Arvids Stashans y Juanita Coloma).
(v) dopaje con Nb y La en CaTiO3:
ubicación de los niveles locales de energía de un electrón dentro del intervalo
de la banda de energías prohibidas, distorsiones de la red cristalina, efectos
de la transferencia del electrón a la banda de conducción del CaTiO3
y modelos analíticos. (Franklin Erazo)
(vi) las superficies de SrTiO3:
estructura de las bandas electrónicas y estabilidad de las siguientes
superficies: (001), (110) y (111) en las fases cúbica y tetragonal del SrTiO3.
Investigación de los defectos puntuales (vacancias de oxígeno, F+ y F centros)
en las superficies. Adsorción del agua sobre la superficie (001). Estudio de la
impureza de La en las superficies. (Arvids Stashans, Franklin Erazo, Juan Ortiz
y Sheyla Serrano).
(vii) interpretación teórica de la
superconductividad a altas temperaturas en los cupratos y titanatos. (Douglas
Moya).
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INVESTIGACIÓN
Feldespato
Presentación
del producto
Los feldespatos componen una familia de
minerales, que son silicatos alumínicos de potasio, sodio y calcio, los cuales
constituyen más del 50% de la composición mineral de las rocas eruptivas.
La albita se encuentra en un extremo de
la serie isomorfa de las plagioclasas, disoluciones sólidas feldespáticas, de
composición variable, que abrazan desde la albita sódica a la anortita cálcica.
La ortoclasa, el microclino y el sanidino son las formas polimorfas más comunes
del feldespato potásico (K-feldespato).
Feldespato
proceso
productivo
Las minas de feldespato del Grupo Maffei son a cielo abierto y cumplen
con todos los parámetros que garantizan la constancia cualitativa, solventando
la demanda cuantitativa del mercado y los criterios de optimización de los
recursos, gracias a lo cual respetan plenamente el patrimonio medioambiental.
El ciclo productivo se efectúa entre la mina y los establecimientos de
tratamiento, donde el material se tritura, se lava y se convierte en
granulometrías comerciales. En el marco de dichas fases de tratamiento, se dan
los procesos de mejora cualitativa, por medio de cribado óptico con perlas de
alúmina y de separación magnética. La molienda se efectúa en molinos con bolas
de alúmina que permiten obtener una producción de material molido muy fino, el
cual está destinado a los sectores cerámicos de las fábricas de pintura y de
artefactos sanitarios. El ciclo se completa con las operaciones de
almacenamiento en silos y ensacado.
El control de la calidad se planifica
minuciosamente y abarca todas las fases de producción. Su coordinación está a
cargo del Laboratorio Central Maffei de Trento, que periódicamente efectúa los
análisis químicos y de física cuantitativa por fluorescencia de rayos x (FRX),
con dispersión de la longitud de onda. Asimismo se emplean dilatómetros y otros
aparatos de análisis térmicos, así como hornos de gradientes. El Laboratorio de
Maffei Sarda periódicamente realiza los análisis químicos por fluorescencia de
rayos x (FRX), con dispersión de energía, la cocción de muestras y los análisis
granulométricos y de la humedad.
Feldespato
fichas
de los productos
feldespatos
ventilados
productos para artefactos sanitarios y
loza
productos para gres porcelánico
productos para monococción blanca, gres
esmaltado y monoporoso
Mina y establecimiento de Giustino (Provincia de Trento)
La mina de Giustino produce más de
50.000 ton/año de feldespato sódico (albita). El material bruto se somete a los
primeros tratamientos en la planta aneja, donde se realizan las operaciones de
trituración, cribado y lavado, secado, cribado óptico y separación magnética.
El producto final consiste en un grano, cuyas dimensiones oscilan entre los 0 y
los 6 mm, que está destinado a las instalaciones de Trento, Darzo y Mac Min de
Gallese donde se muele.
Cuarzo
presentación
del producto
El cuarzo es un mineral sumamente
común, que destaca por contener volúmenes elevados de sílice (más del 97%). Es
muy duro (es el término 7 en la escala de dureza de Mohs) y es estable hasta
los 573°C. Habitualmente es incoloro y transparente y tiene un brillo vidrioso.
Es acentuadamente piezoeléctrico y piro eléctrico.
Cuarzo
proceso
productivo
El cuarzo del Grupo Maffei, en parte, se extrae de la cantera de Sondalo
(Valtellina), que actualmente se desarrolla en socavones y está destinado,
principalmente, a la industria cerámica. Otra parte procede de otras regiones
de Italia y su tratamiento está a cargo de las subsidiarias Mac Min y Grupo Teknoquarz.
El cuarzo se tritura, se muele y se
criba, en función de las distintas tipologías. La molienda, en los
establecimientos del Grupo Maffei, se realiza mediante molinos con bolas de
alúmina que permiten obtener un producto de hasta 30 micras. El ciclo abarca
las operaciones de almacenamiento en silos y ensacado. El control de la calidad
se planifica a nivel local y abarca todas las fases del proceso productivo. La
coordinación está a cargo del Laboratorio Central de Maffei de Trento que,
periódicamente, efectúa los análisis químico-físicos.
Otros
El Grupo Maffei, con el objeto de completar y diversificar
su oferta de minerales y de cargas industriales, comercializa a través de
M.T.M. srl, una serie de productos de entre los cuales cabe mencionar la
barita, el carbonato cálcico, la dolomita, el SECUROC ( huntita ), FERROPHOS (
pigmento de fósforo e hierro ) y DELASPHERE (microesferas huecas de alúmina y
sílice).
El Grupo Teknoquarz, no sólo produce
cuarzos ventilados y cribados, sino que comercializa arenas de río italianas,
arenas esféricas de otros países y cuarzos provenientes de canteras domésticas.
Para más información, contacte
directamente con: commerciale@maffei.it
Mina de Tafraout (Marruecos)
En la misma se excava y se produce
feldespato potásico que luego es molido en las moliendas del Grupo Maffei.
Yacimiento
de Feldespato y Cuarzo
Esta mina, cuyas actividades empezaron
en 1999, para el año 2000, estima que su producción será de aproximadamente
10.000 ton.
PROCESAMIENTO DE
CERÁMICAS:
Los productos cerámicos mas tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si.
Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: (1) preparación de material; (2) moldeado o fundido; (3) tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
Preparación de
materiales:
La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materia primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy «criticas» tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una practica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos.
Técnicas de
conformado:
Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbonita y extrusión son los métodos de modelado de cerámica que se utilizan mas comúnmente.
Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco,
plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados.
Prensado en seco: este método se usa
frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia
térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir
como la compactación uniaxial simultanea y la conformación de los polvos
granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un
troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente
calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades
microestructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque
permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y
tolerancia pequeñas.
Compactación isostatica: en este proceso el polvo cerámico se carga en un
recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado cartucho) que
esta dentro de una cámara de fluido
hidráulico a la que se aplica a presión. La fuerza de la presión aplicada
compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto
la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostaticamente
en frío se ha de pasar por el fuego (sinterizacion) para obtener las
propiedades microestructurales requeridas.
Productos cerámicos
de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas,
crisoles, herramientas de carbono y cojinetes.
Compresión en caliente. En este proceso se consiguen piezas de alta
densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión
unidireccional como la isostatica.
Extrusión. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los
materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este
proceso es de aplicación común en la producción.
Tratamientos térmicos;
El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la
mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los
siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado, verificación.
Secado y eliminación de aglutinantes. El propósito del secado de cerámicas es eliminar el
agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometida a altas temperaturas.
Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede
tardar tanto como 24hs. para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los
aglutinantes orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por
calentamiento en el rango de 200 a 300ºC, aunque algunos residuos
hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas mas elevadas.
Sinterizacion. El proceso por el cual se
consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por
difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de
cerámicas este tratamiento térmico se basa en la transformación de un producto
poroso en otro compacto y coherente. La
sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas
de, por ejemplo, alúmina, berilia, ferrita y titanatos.
En el proceso de sinterizado las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sinterizar. En la sinterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas.
Verificación. Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos
arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase
vítrea. Esta fase vítrea sirve como medio de reacción para que la difusión
puede tener lugar a menor temperatura que en el resto de los materiales sólidos
cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de
materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado verificación por
medio del cual la fase vítrea se licúa y rellena los poros del material. Esta
fase vítrea liquida puede también reaccionar con algunos de los restantes
sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase liquida solidifica
para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido.
APLICACIONES
Feldespato
Mercados
y Aplicaciones
El feldespato sódico se emplea como fundente en el sector de la cerámica
y, en particular, en la fabricación de gres porcelánico, artefactos sanitarios
y esmaltes. El mercado cerámico italiano es el consumidor más importante de
albita, en sus distintos segmentos productivos. El rápido crecimiento de dicho
mercado, a lo largo de esta última década, en parte, se debe a la gran
disponibilidad de recursos minerales que tiene Italia y, en parte, a la constancia
de los productos de Maffei, en términos cualitativos, cuantitativos y de
diversificación de los productos. Los artículos de Maffei abastecen una cuota
importante de feldespato sódico, en el sector de la industria de la baldosa y
cubren la casi totalidad del consumo italiano, destinado a la fabricación de
artefactos sanitarios. A nivel europeo, cabe mencionar que grupos importantes
del ramo de la cerámica utilizan tradicionalmente el feldespato sódico de
Maffei, porque la firma es una garantía de la buena calidad del producto,
siempre conforme a los estándares internacionales.
Fundiendo la pasta a unas temperaturas
inferiores a las de los demás componentes, la albita permite bajar su punto de
fusión. En los productos vitrificados agrede a los demás componentes y hace que
pasen a formar una disolución, en una cantidad que depende de la temperatura y
del intervalo de cocción.
Gran parte de las características
finales de las distintas manufacturas de cerámica depende de la calidad y de la
constancia cualitativa del feldespato utilizado. En función del porcentaje
empleado, de los ciclos de cocción y de la composición de los demás componentes
de la pasta, la albita favorece la solubilización de las materias primas y hace
que se formen fases líquidas alrededor de las partículas sólidas.
La albita también se aplica en la
fabricación del vidrio. Actúa como aportador de Al2O3 y Na2O, merced a lo cual
reduce el uso de soda y de alúmina, que se añade bajo otras formas.
Por otra parte, las albititas cloríticas de Maffei Sarda satisfacen a la perfección las necesidades de una demanda creciente de fundentes enérgicos, que otorguen a las pastas la capacidad de gresificarse a unas temperaturas más bajas. En un sector, como el de las baldosas y azulejos, en que los tiempos de cocción son cada vez más breves, el aporte de magnesio en los feldespatos otorga al producto acabado unas características antihielo, iguales o superiores a la de los productos que se obtienen con ciclos más largos y utilizando feldespatos tradicionales.
Cuarzo
Mercados
y Aplicaciones
El cuarzo es un mineral que se utiliza abundantemente, en distintos
procesos productivos, en virtud de sus características refractarias y de
dureza. Se emplea en gran cantidad en la industria de la cerámica y, en particular,
para los esmaltes cerámicos, en la siderurgia, en las industrias del vidrio, de
la pintura y los barnices, de los abrasivos, de los materiales refractarios, de
la filtración, de la mecánica de precisión y en muchas otras más, debido a sus
propiedades piezoeléctricas, de polarización giratoria y de permeabilidad a los
rayos ultravioleta. Además es la materia prima con la que se prepara el carburo
de silicio, un abrasivo de prima calidad.
Maffei SpA extrae y comercializa el cuarzo, desde sus albores. Y los productos de Maffei desempeñan un papel clave, en el sector de la cerámica, tanto en el de los esmaltes como en el de los artefactos sanitarios y la siderurgia. En particular, en el ramo de los esmaltes cerámicos, el cuarzo es de una importancia fundamental, pues es el ingrediente estructural de los denominados esmaltes crudos para ciclos de cocción muy largos, o bien, de fritas, para los ciclos más rápidos.
Los distintos tipos de productos del
Grupo Teknoquarz se han hecho con una cuota de mercado destacada, en todos los
demás sectores industriales donde el cuarzo se emplea como materia prima
-artículos refractarios, arenado, fábricas de pinturas y pastas cerámicas,
pisos industriales, filtraciones, abrasivos, colas, mezclas de cemento, pasta
lavamanos, pinturas a base de cuarzo, enlucidos plásticos, revestimientos
bituminosos, pinturas al agua, antiparasitarios, placas de fibrocemento,
adhesivos, antiácidos, anticorrosivos, chips abrasivos, etc.
Otras Aplicaciones
Concluimos en que los materiales cerámicos, debido a sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánica, es de gran aplicación en muchos de los ámbitos industriales. Un ejemplo de tal aplicación, es el desarrollo del sistema de protección térmica para vehículos orbitales, como el transbordador espacial. Dado que el transbordador espacial ha de ser usado para almenos en 100 misiones, se hizo necesario el desarrollo de nuevos aislamientos cerámicos en losetas.
Alrededor del 70% de la superficie externa del vehículo orbital esta protegida del calor por aproximadamente 24000 losetas individuales de cerámica hechas en un compuesto de fibra de sílice.
Biografía:
La realización de esta obra se obtuvo de: Fundamentos
de la ciencia e ingeniería de materiales (autor: William F. Smith). Y de la
búsqueda realizada a través de Internet, de la dirección: www.maffei.com encontrado por el buscador: www.latam.msn.com , y en Ciencia y Tecnología que se encuentra dentro de dicho
buscador.