INTRODUCCIÓN CERÁMICOS
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7/26/2019 INTRODUCCIN CERMICOS
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CAPTULO I
INTRODUCCIN A LOS
MATERIALES CERMICOS
PROFESORA:
ELCY MARA CRDOBA TUTA
ASIGNATURA:
MATERIALES REFRACTARIOS
ESCUELA DE INGENIERA METALRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES
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Antigua
Trmino griego KERAMOS (Material quemado) Artculo slido formado por la accin del calor
sobre materias primas terrosas.
Moderna(incompleta)
Artculo slido compuesto en su mayor parte porsustancias inorgnicas no metlicas yendurecido por accin del calor.
Actualmenteaceptada
Slido inorgnico no metlico (Kingery, 1976).
1. DEFINICIN DE MATERIAL CERMICO
Slido inorgnico no metlico (Kingery, 1976).
Artculo slido compuesto en su mayor parte porsustancias inorgnicas no metlicas yendurecido por accin del calor.
Trmino griego KERAMOS (Material quemado) Artculo slido formado por la accin del calor
sobre materias primas terrosas.
El grafito y el diamante son cermicos?
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Compuesto orgnico:
Es aquel que tiene como componente principal alcarbono, en combinacin con otros elementoscomo oxgeno, nitrgenoe hidrgeno.
Grafito y diamante: Compuestos slo decarbono (no son orgnicos). Son materialescermicos.
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El trabajo de la arcilla fue una tcnica comn atodas las culturas primitivas.
La cermica fue uno de losprimeros materiales fabricadospor el hombre luego del
descubrimiento del fuego.
2. HISTORIA DE LA CERMICA
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Cermicas ms antiguas (hace diez mil aos):
recipientes encontrados en Siria, Mesopotamiainferior, noreste de Nigeria. Cocidos a fuegodirecto.
Tablillas de barro de los sumerios (5000 A.C.)para transmitir mensajes.
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Primeros hornos:Mesopotamia (ao 4500 A.C.).
Figuras con sentido religioso y urnas fnebres,fabricadas a mano.
Adobe:Mezcla debarro y paja. Secado
al sol. Sin coccin.
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Ladrillos de barro (4000A.C.), slo paraconstruccin de murallas,templos y palacios.
Tejas(800 A.C.) enGrecia
Torno alfarero (2500A.C.) en Egipto
http://ceramica.wikia.com/wiki/Archivo:C+B-Pottery-Fig7-EgyptianHandTurnedPottersWheel.PNG -
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Caoln: En el ao 2000 A.C. los chinos
descubrieron la arcilla de mayor calidad, en unacolina denominada Kao-Ling.
Al mezclarlo con feldespato y agua y cocerlo a altatemperatura (1200-1300C), obtuvieron un material
blanco y muy vitrificado PORCELANA.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/Kaolin.jpg -
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Culturas precolombinas: No tuvieron grandesarrollo en la alfarera, no se desarrollaron
hornos de gran temperatura (slo 500-600C).
En Amrica los materiales vidriados
se conocieron con la llegada de losconquistadores.
En Egipto desde el 1450 A.C. ya
exista toda una industria del vidrio.
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Cermicos modernos
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Hueftgelenk-Endoprothese.jpghttp://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://96.31.77.225/~globalyp/services_products/1171_500.jpg&imgrefurl=http://www.amarillaslatinas.net/productos_servicios/corporacion_industrial_ceramica_electrica_sac/imagen_1171.htm&usg=__ZPqS0VD_o_Kg2zdPbV42GuQrWTA=&h=375&w=500&sz=43&hl=es&start=24&zoom=1&tbnid=lUpAb9pUl-qZmM:&tbnh=98&tbnw=130&ei=t2QLTtLLJNKjtgec8exe&prev=/images?q=ceramicos+industriales&start=20&hl=es&sa=N&tbm=isch&itbs=1http://www.dentalvallarino.com/img/fija2combi.jpghttp://spanish.alibaba.com/product-free-img/ceramic-table-lamp-base-holder-427749298.html -
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3. CLASIFICACIN DE LOSCERMICOS
Formasde
clasifica-cin
Rpida
Composi-cin
EstructuraProductos
Funcin
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TRADICIONALES
A base de silicatos yaluminosilicatos (Ej.arcillas).
Baratos (materia primaabundante en la
corteza terrestre). Tejas, ladrillos, etc.
AVANZADOS
A partir de laconcentracin ypurificacin deminerales pocoabundantes.
Materiales sintticos. Costosos ZrO2, SiC, BaTiO3, etc.
DIVISIN RPIDA
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ELEMENTO % PESO
O 46.60
Si 27.72
Al 8.13
Fe 5.00Ca 3.63
Na 2.83
K 2.59
Mg 2.09Ti 0.44
H 0.14
Restoelementos
0.83
> 80%
COMPOSICIN DE LA CORTEZA
TERRESTRE
La corteza terrestre es el mayor
material cermico en la naturaleza
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COMPOSICIN (XIDOS Y NO XIDOS)
Componentesprincipales
Tipos Ejemplos
xidos
SilicatosPuros: SiO
2(cristalina, vtrea)
Parcialmente sustituidos:Aluminosilicatos (SiO2+ Al2O3+ otros)
No silicatos
Puros: Al2O3, MgO, ZrO2, TiO2, BaO,BeO, Cr2O3, UO2, GeO2, WO3, etc.Parcialmente sustituidos:
ferritas (NiFe2O4)Sales: yeso (CaSO4)
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No xidos
Mono-elementales
Grafito (C)Azufre (S)
Binarios
Carburos (SiC, B4C3, WC, etc.)Boruros (ZrB2, etc.)Nitruros (BN, Si3N4)Fosfuros (AlP)Silicluros (MoSi2)Calcogenuros (S + otro elemento)Halogenuros (F, Cl, Br, I + otro elemento)Arseniuros (GaAs)
Ternarios, etc.Los anteriores parcialmente sustituidosMezclas de xidos y no xidos (SIALON:Si3N4+Al2O3)
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ESTRUCTURA
Teniendo en cuenta el ordenamiento de largoalcance de los tomos:
1.Monocristalinos: naturales (cuarzo, rub,diamante), sintticos (diamante)
2.Policristalinos: obtenidos por sinterizacin(inmensa mayora de cermicos cristalinos)
3.No cristalinos: estructura amorfa (vidrios)
Diamante (C puro) Cuarzo (SiO2) Escapolita (silicato de Al)
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Modelo atmico en unmaterial ordenado
(cristalino)
Modelo atmico en unmaterial amorfo
(vidrio)
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Almina (Al2O3) Vidrio (con inmiscibilidadlquida)
IMGENES DE MISCROSCOPIAELECTRNICA DE BARRIDO
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VITROCERMICA
-Se agrega un agente nucleante (TiO2, ZrO2, P2O5, etc.).-Se induce la cristalizacin parcial del vidrio (grano pequeo: 0.1 a 1 m).
- Buena resistencia al choque trmico.
-Mayor resistencia mecnica que los vidrios normales.
-Los granos finos aportan resistencia al impacto.
-Transparencia a la luz.
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MICROESTRUCTURA DE UN
VITROCERMICO
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PRODUCTOS
DENOMINACIN DEFINICIN GENERAL Y EJEMPLOS
Cermica roja Productos de arcilla cocida, generalmente porosos: ladrillos,tejas, objetos artsticos, etc.
Cermica blanca Productos de caoln-feldespato-cuarzo, pueden ser porososo no: lozas, porcelana para vajillas, sanitarios, etc.
Refractarios Productos resistentes a altas temperaturas: Slico-aluminosos, de alta almina, bsicos, etc.
Vidrios Productos no cristalinos, generalmente transparentes:vidrios planos, envases, fibras, etc.
Cementos Productos que presentan caractersticas aglomerantes yadhesivas al ser mezclados con agua. Cemento Prtland,yeso, cal, etc.
Abrasivos Productos de alta dureza usados para cortar y pulir: carburode silicio, diamante, carburos metlicos, etc.
Cermicosespeciales
Los productos no comprendidos en los grupos anteriores
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FUNCIN
FUNCIN EJEMPLOS Y USOS
Elctrica yelectrnica
Aislantes: Porcelanas, Al2O3, etc. aisladoresFerroelctricos y piezoelctricos: BaTiO3, etc. capacitores, osciladores, transductores, etc.
Semiconductores: xidos de metales de transicin termistores, varistoresSuperconductores: Tl2Ba2Ca2Cu3OxConductores inicos: -Al2O3, ZrO2, etc. electrolitosslidos, sensores.
Magntica
Ferritas: memorias, sensoresptica Lentes, filtros pticos, etc.: vidrios
Qumica Sensores de gases: ZrO2, SnO2Soportes de catalizadores: Al2O3, vidrios, etc.Electrodos: grafito, etc.
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Trmica Refractarios: slico aluminosos, bsicos, etc.
Mecnica Materiales de construccin: cermica roja (ladrillos, etc)Abrasivos: Al2O3, diamante, TiC, SiC, etc.
Nuclear Combustibles nucleares: UO2, PuO2Proteccin: vidrios con PbO
Biolgica Prtesis seas y dentales: Al2O3, etcRecubrimientos: hidroxiapatitaHuesos artificiales: biovidrios
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MICROESTRUCTURA TPICA DELOS MATERIALES CERMICOS
En gran medida, lamicroestructuradefine laspropiedades delcermico
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Ejemplo distribucin de fases:
OBTENCIN DE UNA PORCELANA
MATERIAS PRIMAS
45% caolinita (Al2O32SiO22H2O)
25% cuarzo (SiO2)
25% feldespato (K2OAl2O36SiO2)5% comp. Minoritarios (Fe2O3, TiO2, etc.)
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20%20%20%20%20%20%20%20-%20porcelana.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20%20%20%20%20%20%20%20-%20porcelana.avi -
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Principales transformacionesdurante la coccin de la porcelana
Caolinita:
3(Al2O32SiO22H2O) 3Al2O32SiO2+ 4SiO2+ 6H2O
Caolinita mullita cristobalitaCuarzo:
SiO2 SiO2cuarzo cristobalita
(hexag., 2,65 g/cm3) (tetrag., 2,33 g/cm3)
Feldespato:
feldespato vdrio (silicato K)
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45% caolinita
(Al2O32SiO22H2O)25% cuarzo (SiO2)
25% feldespato
(K2OAl2O36SiO2)
5% comp. minoritarios(Fe2O3, TiO2, etc.)
40% mullita
(3Al2O32SiO2)
15% cristobalita (SiO2)
15% cuarzo (SiO2)
30% fase vtrea
(todos los elementos)
1000 a
1500C
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Micrografas de unaporcelana sinterizada
a 1475C
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ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOSMATERIALES CERMICOS
Casi el 90%de los elementos metlicos
cristalizan en los sistemas cbico y hexagonal.
El sistema cristalino de la mayora de cermicoses diferente al cbico y al hexagonal.
Las propiedadesde los cermicos dependen engran medida de su arreglo atmico.
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Debido a sus enlaces inicos y covalentes, los
cermicos por lo general son:Duros, frgiles, con alto punto de fusin, bajaconductividad elctrica y trmica, establesqumica y trmicamente y tienen elevadaresistencia a la compresin.
Ejemplos de excepciones:
- El SiC y AlN tienen conductividades trmicasparecidas a la de los metales.- El FeO, ZnO, TiO2son semiconductores- El YBa2Cu3O7-xes superconductor
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FACTORES DE LOS QUE DEPENDE
LA ESTRUCTURA DE LOS CERMICOS
1.Estequiometra del cristal
2.Tamao de los tomos presentes
3.Grado de direccionalidad de los enlaces
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1) ESTEQUIOMETRA DEL CRISTAL
Balance de cargas para mantener la neutralidadelctrica global.
Ncargas positivas = Ncargas negativas
Dependiendo de su estequiometra el cermicotiene tendencia a algunas estructuras en particular.
AX
MgO
Mg
O
AX2
ZrO2
Zr
O
ABX3
CaTiO3
Ca
O
Ti
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/CaF2_polyhedra.png -
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2) TAMAO DE LOS TOMOSPRESENTES (Relacin entre radios)
Los tomos se arreglan de tal forma que alcancenel estado de menor energa posible.
Se maximizan las fuerzas de atraccin entretomos y se minimizan las de repulsin.
Cada catin se rodea del mayor nmero posible de
aniones.
Crticamente
estable
Inestable
(Vibracin del catin)
Estable
La estabilidad delsistema aumenta con larelacin de radios entreel catin y el anin:
rc/ra
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Nmero decoordinacin Arreglo de ionesalrededor del ioncentral
Rango de rc/ra Estructura
3
4
6
8
12
Esquinas de untringulo
Esquinas de untetraedro
Esquinas de unoctaedro
Esquinas de uncubo
Esquinas decuboctaedro
0.155 -0.225
0.2250.414
0.4140.732
0.732-1.000
1.000
RELACIONES CRTICAS DE RADIOS PARAVARIOS NMEROS DE COORDINACIN
La estructura ms estable es aquella con el mximo nmero de coordinacinpermitido por la relacin de radios
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Cules son las estructuras esperadaspara el CsCl y el MgO?
Para el CsCl:
rCs+/rCl-= 0.170 nm/0.181 nm = 0.94
Nmero de coordinacin = 8Estructura cbica
Para el MgO:
rMg2+/rO2-= 0.065 nm/0.144 nm = 0.45Nmero de coordinacin = 6
Estructura octadrica
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3) GRADO DE DIRECCIONALIDADDE LOS ENLACES (Carcter covalente)
Muchos compuestos con rc/ra 0.414
cristalizan con arreglos tetradricos y nooctadricos (como habra de esperarse).
Esto sucede cuando aumenta el carctercovalente del enlace.
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ENLACES EN LOS CERMICOS
INICO COVALENTEMEZCLA
Enlace inico Enlace covalente
Electronegatividades muydiferentes Electronegatividades similares
Un tomo donor y otro aceptorde electrones
Los tomos comparten electrones
Estructuras compactas Estructuras no compactasEnlace no direccional Enlace direccional
La resistencia del enlaceaumenta con la carga
Compuestos con resistencias ytemperaturas de fusin altas
MgO, Al2O3, ZrO2 Nitruros, carburos, etc.
Electronegatividad: Capacidad de un tomo para atraer
hacia l los electrones compartidos en el enlace con otrotomo.
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Entre ms diferentes sean las electronegatividades de lostomos, mayor es el carcter inico del enlace.
Pauling:
XAy XBson las electronegatividades del catin y del aninElectronegatividad: Capacidad de un tomo para atraerhacia l los electrones compartidos en el enlace con otrotomo.
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Estructura esperada:rZn2+/rS2-= 0.083 nm/0.184 nm = 0.45
Nmero de coordinacin = 6
Arreglo: OctadricoCarcter inico/covalente para el ZnS:
Diferencia electronegatividades:
|XZn2+- XS2-| = 0.93% Carcter inico = 19.4% Carcter covalente: 80.6
Arreglo: Tetradrico
ESTRUCTURA DEL ZnS
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Cationes con alto poder polarizante (Cu2+,Al3+, Zn2+, Hg2+) enlazados a aniones queson fcilmente polarizables (I-, S2-, Se2-).
Catin
polarizante
Anin
polarizable
Nube de electronesdistorsionada
La distorsin esequivalentea que un parde electrones se
movieran hacia la reginentre los dos ncleos yformaran un enlacecovalente.
Distorsin de la nube de electrones de un anin
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Los tomos que favorecen la hibridacin sp3(Si, C, Ge) tienden a estabilizar la coordinacin tetradrica.
Configuracin electrnicadel tomo de carbono 1s
22s22p2
1s 2s Dos orbitales 2psemillenos
(dos electrones desapareados)
1s Cuatro orbitales equivalentesy semillenos sp3
Los cuatro orbitales hbridossp3estn dirigidossimtricamente hacia losvrtices de un tetraedro
Los cuatro orbitaleshbridos sp3formancuatro enlacescovalentes
* Al excitar energticamente, se puede promover un electrn del orbital 2s al 2p,formndose cuatro orbitales hbridos sp3.
http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Sp3-Orbital.svg -
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EJEMPLOS DE ESTRUCTURASTPICAS EN LOS CERMICOS
La mayora de estructuras cristalinas consistende arreglos compactos de los aniones con uno omas tipos de cationes posicionados en los
huecos tetradricos u octadricos. Aqupredomina el enlace inico.
H. octadricos H. tetradricos
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Otras estructuras consisten en tetraedros y/o
octaedros aislados que se unen entre scompartiendo vrtices o caras. Poseen altogrado de enlace covalente direccional.
(Pirosilicato)
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ESTRUCTURAS CERMICAS CONUN SOLO ELEMENTO
No son muy abundantes. La ms importante esla tipo Diamante.
Diamante (C)
Estructura derivada de la estructura FCC, rellenandola mitad de los huecos tetradricos con tomosiguales a los del empaquetamiento.
Otros elementos con esta estructura son: Si, Ge, Sn.
Compuesta detomos de C conhibridizacin sp3
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Grafito
Estructura en capas: tomos de C con arreglohexagonal. Cada tomo est unido por enlacescovalentes a tres tomos.
Las fuerzas de unin entre capas son muydbiles (tipo Van der Waals).
Es buen conductor elctrico(los e- se pueden moverentre planos).
Se usa como lubricanteseco (dbiles enlaces
interplanares).
e-
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ESTRUCTURAS CERMICAS BINARIAS
Cl-
Cs+
Cloruro de cesio (CsCl) Cbica simple: enlace inico entre el anin (Cl-)
y el catin (Cs+).
Ocurre cuando loscationes son muy grandescomo para ocupar loshuecos tetradricos uoctadricos.
rCs+/rCl-= 0.94
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Encontrada en haluros con propiedades pticas:
CsBr, CsI, TlCl, TlBr.
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Cloruro de sodio (NaCl)
Cbica centrada en las caras: enlace inicoentre el Cl-y el Na+.
Los cationes ocupan los sitios octadricos
intersticiales.Cl
Na
rNa+/rCl-= 0.64
Ncoord. = 6Arreglo octadrico
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Es tpica de sulfuros (PbS), carburos (TiC, NbC, TaC),
nitruros (ZrN) y algunos xidos (MgO, CaO, SrO, BaO,CdO, FeO y NiO).
Muchos de ellos no son estequiomtricos:TiO: Ti0.85O a TiO
FeO: Fe0.90O a Fe0.96O La presencia de tales vacanciashace que los metales
existan en dos estados de valencia y que tenganpropiedades semiconductoras.
Algunos nitruros y carburos (NbC, TaC, ZrN) sonsuperconductores a baja temperatura.
Los carburos (Ej. TiC) tienen alta dureza (2479 kg/mm2-Knoop), qumicamente inertes (resistente a la oxidacin
hasta 1200C) y tienen altos puntos de fusin (3147C).
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Blenda de zinc o esfalerita (ZnS)
Cbica centrada en las caras: Los cationesocupan la mitad de los sitios intersticialestetradricos.
Son generalmente semiconductores.
Ejemplos: Carborundo (-SiC), GaAs.
Prevalece el enlacecovalente (87% paraZnS)
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Wurtzita (ZnS) Estructura hexagonal compacta formada por
combinacin de aniones y cationes.
Coordinacintetradricas entreaniones y cationes
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Algunos compuestos (SiC, ZnS, AlN, GaN, BeO,
ZnO) sufren polimorfismo entre las estructurasde la esfalerita (bajas T) y la wurtzita (altas T).
El BeO y AlN han sido usados en la industriaelectrnica por su alta conductividad trmica(disipadores de calor). Los polvos son altamentetxicos.
El GaN (semiconductor) produce luz azul yverde (dispositivos lser, luces verdes de lossemforos, etc.)
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Fluorita (CaF2)
Los cationes forman una estructura cbicacentrada en las caras. Aniones localizados en las ochos posiciones
tetradricas dejando vaco el centro de la celda
unitaria.
rCa2+/rF-= 0.80
Ncoord. = 8Arreglo cbico
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Ejemplos: CaF2, BaF
2, UO
2, CeO
2, ZrO
2, ThO
2.
El UO2se usa como combustible de reactoresnucleares. Puede acumular productos de fisin
nuclear (como He) en el intersticio central sindeformar la red.
Los fluoruros con esta estructura tienen
aplicaciones pticas, ya que son de los pocosmateriales transparentes a las menoreslongitudes de onda del rango de luz UV (
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Corindn (-Al2O3)
Similar a una estructura hexagonal compacta.
Los aniones ocupan los sitios de la estructuraHCP, mientras que los cationes las dos terceraspartes de los sitios intersticiales.
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Ejemplos: Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, Ti2O3, U2O3,
Ga2O3y Rh2O3.
Los principales usos de la almina son:refractarios, aislantes elctricos y abrasivos.
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ESTRUCTURAS CERMICAS TERNARIAS
Perovskita (CaTiO3)
Hay tres tipos de iones. El catin grande (Ca2+) secombina con el oxgeno para formar una estructura FCC,mientras que el catin pequeo y de mayor carga (Ti4+)ocupa los intersticios del octaedro.
Ti4+
O2-
Ca2+Octaedros
Tio6
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Ejemplos: CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, SrSnO3,
CaZrO3, SrZrO3, KNbO3, NaNbO3, LaAlO3, YAlO3yKMgF3.
Las caractersticas ms importantes de las
perovskitas son:- Ferroelectricidad(polarizacin elctrica
espontnea, sin aplicar campo elctrico)- Piezoelectricidad(convierten seal elctrica a
mecnica y viceversa)
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Espinela (MgAl2O4)
Compuesta por dos tipos de cationes: uno divalente(Mg2+) y otro trivalente (Al3+).
Al3+ Mg2+ O2-
Al4O4 MgO4
32 tomos de oxgeno16 tomos de aluminio8 tomos de magnesio
http://localhost/var/www/apps/conversion/Q.%20I.%20Estructural/tema6a/Link6espinela1.html -
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TIPOS DE ESPINELAS
Normal (AB2O4) Inversa [B(AB)O4]
A2+en los sitios tetradricosB3+en los octadricos
A2+y de B3+en los octadricos de B3+en los tetradricos
ZnFe2O4, CdFe2O4,MgAl2O4, FeAl2O4, CoAl2O4,NiAl2O4, MnAl2O4, ZnAl2O4
Con propiedades magnticasFerritas: FeMgFeO4, FeTiFeO4,Fe3O4, ZnSnZnO4, FeNiFeO4
Principales aplicaciones: Refractarios,materiales magnticos.
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Silicatos cristalinos
El tetraedro SiO4
es la estructura bsica de lossilicatos.
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Los tetraedros de Slice, SiO44- se comportan
como grupos inicos, que se unen a otros ionesformando diversos arreglos
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Ortosilicatos (olivina)
Los tetraedros SiO44-son independientes unos aotros. Los iones oxgeno se combinan a cationescomo Mg2+ o Fe2+.(Mg2SiO4, Fe2SiO4, etc.)
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PirosilicatosCuando dos tetraedros comparten un vrtice
formando un tetraedro doble (Si2O76-). No soncomunes.
EpidotaCa2FeAl2(Si2O7)(SiO4)O(OH)
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MetasilicatosCuando los tetraedros comparten dos vrtices, formandouna variedad de estructuras de anillos y cadenas(contienen los iones (SiO3)n2n-).
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Estructuras laminaresLos tetraedros comparten tres vrtices formando
estructuras laminares (arcillas, mica, talco).
Estructura de la caolinita[Al2(OH)4(Si2O5)]
Estructura de la mica[KAl2(OH)2(AlSi3O10)]
El aluminio sustituye parte de los tomosde silicio, por lo que para compensar eldficit de carga +, retiene iones K+.
La arcilla absorbe las molculas polares de agua
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Estructuras tridimensionalesLos tetraedros comparten los cuatro vrtices entre
ellos. Ejemplos: cristobalita, feldespatos [Albita(NaAlSi3O8), Anortita (CaAl2Si2O8), Ortoclasa(KAlSi3O8), etc.]
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PROCESAMIENTO DE LOS
MATERIALES CERMICOS
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PROCESOS CERMICOS UNITARIOS
Obtencin de materias primas dealta calidad
PREPARACIN DELAS MATERIASPRIMAS
Mezcla de materias primas con unaglomerante (agua) y otros aditivos
OBTENCIN DELAS PASTASCERMICAS
Darle forma a las piezas cermicas(prensado, extrusin, colado, etc.)CONFORMADO
Eliminacin de agua libreSECADO
Darle resistencia y demspropiedades a los cermicosCOCCIN
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I. PREPARACIN DE LAS
MATERIAS PRIMAS
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TIPOS DEMATERIAS
PRIMAS
DE ORIGENMINERAL
PRODUCTOSQUMICOS
MATERIALESRECICLADOS
MATERIAS PRIMAS
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1.MATERIAS PRIMASMINERALES
ALUMINO-SILICATOS
CARBONATOS
XIDOSMETLICOS YOTRAS
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ALUMINO-SILICATOS
COMPOSICINDE LA CORTEZATERRESTRE
ELEMENTO % PESO
O 46.60
Si 27.72
Al 8.13
Fe 5.00Ca 3.63
Na 2.83
K 2.59
Mg 2.09Ti 0.44
H 0.14
Resto elementos 0.83
> 80%
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ARCILLAS
Son hidrosilicatos de aluminio (nAl2O3mSiO2xH2O)
Caolinita (2SiO2Al2O32H2O)Montmorillonita (6SiO23Al2O3Na2O2H2O)
Illita (14SiO25Al2O3K2O4H2O)
FELDESPATOS
(Alum.-silicatos
de Ca, Na y/o K.Ricos en SiO2)
Ortoclasa (6SiO2Al2O3K2O)
Anortoclasa [6SiO2Al2O3(K2O, Na2O)]
Albita (6SiO2Al2O3Na2O)Anortita (2SiO2Al2O3CaO)
OTROS SLICO-ALUMINATOS
Nefelina (8SiO24Al2O33Na2OK2O)
Sillimanita (SiO2Al2O3)
Espodumeno (4SiO2
Al2
O3
Li2
O)
SILICATOS
Cuarzo,Cristobalita, Tridimita (SiO2)
Wollastonita (SiO2CaO)
Forsterita (SiO22MgO)
Circn (SiO2ZrO2)
ALUMINO-SILICATOS
-
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CARBONATOS
Calcita (CaCO3)Magnesita (MgCO3) P.F. MgO: 2800CDolomita (Ca, Mg)(CO3)2
OTRAS MATERIAS PRIMAS
Bauxita (Al2O3xH2O) AlminaFluorita (CaF2) fluidez a las escorias y vidrios
Cromita (FeOCr2O3) RefractariosRutilo (TiO2) Esmaltes (color blanco), nucleante (vitrocermicos)Grafito (C) Resiste temp. hasta de 3800C (atmsfera inerte)
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2. PRODUCTOS QUMICOS
Obtenidos por procesos de sntesis (alta pureza):
Componentes principales de los cermicos(TiO2,FeO, NiO, ZnO, etc.).
Insumos minoritarios: NaOH (defloculante), Brax:Na2B4O710H2O (fundente), Cr2O3(coloranteverde), Co2O3(colorante negro), SnO2(coloranteblanco).
3. MATERIALES RECICLADOS
Vidrio (hasta 80-90% de la mezcla)
Chamota (cermico cristalino, piezas desechadas)
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ETAPAS DE LA PREPARACIN DEMATERIAS PRIMAS
1.Conminucin
2.Clasificacin
3.Purificacin
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1. REDUCCIN DE TAMAO DE PARTCULA
Las propiedades fsico-mecnicas de loscermicos dependen estrechamente de ladistribucin de tamao de partculas de lamateria prima.
Distribucin
de tamaopartculas
Compactacinde partculas
durante elconformado
(Porosidad)
Densificacindel cermico
en verde yluego desinterizacin
Propiedadesmecnicas
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CUL ES EL TAMAO DE PARTCULA MSADECUADO?
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Se requiere heterogeneidad en el tamao de laspartculas para maximizar su empaquetamiento.
Empaquetamiento de las partculas
30% porosidad 26% porosidad 23% porosidad
En la prctica la porosidad en verde de las piezascermicas va del 35% a ms del 50%.
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Ejemplo (densificacin de la almina)
Se ha estimado que con partculas menores a1 mse consigue la densificacin ideal(terica) luego de la sinterizacin.
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CRECIMIENTO DE GRANOS DURANTE LASINTERIZACIN DE UN CERMICO
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SIEMPRE SE DESEA OBTENER LA MXIMADENSIFICACIN DEL CERMICO?
En algunas aplicaciones una alta porosidad en elcermico es benfica: Ej. Refractarios aislantes.
En tales casos conviene minimizar el material
fino.
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EQUIPOS DE MOLIENDA
La molienda puede ocurrir por:
Impacto: fuerzas compresivas (golpes con los
cuerpos moledores y la pared del molino).Ej. Molino de bolas
Atricin o desgaste: los golpes no quiebran
completamente las partculas (separacin depequeos fragmentos). El producto es ms fino.
Ej. Molino de atricin
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Molino de bolas Molino de atricin
Por los fuertes golpes dentro delmolino se produce un grandesgaste de los cuerposmoledores y de la pared interiordel molino CONTAMINACIN
Se puede controlar la atmsferaal interior del molino (Ej. Vaco,inerte).Hay menor contaminacin delmaterial.
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SOLUCIONES AL PROBLEMA DE CONTAMINACIN
Usar cuerpos moledores muy duros y pesadoscomo el carburo de tungsteno(WC).
Usar cuerpos moledores del mismo material quese est moliendo ( de uno que no afecte laspropiedades del cermico en desarrollo).
Recubrir la pared interior del molino conpoliuretano u otro material resistente al desgastey no contaminante.
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2. CLASIFICACIN
Se usa en el proceso de fabricacin decermicos tradicionales a partir de materiasprimas minerales.
Tamizaje
Ciclones
Hidrociclones Sedimentacin
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3. PURIFICACIN
Eliminacin de impurezas.
Flotacin
Separacin magntica (Fe2O3, Fe3O4, TiO2, etc.)
Lixiviacin (xidos de hierro con cidos)
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PROCESOS CERMICOS UNITARIOS
Obtencin de materias primas dealta calidad
PREPARACIN DELAS MATERIAS
PRIMAS
Mezcla de materias primas con unaglomerante (agua) y otros aditivos
OBTENCIN DELAS PASTASCERMICAS
Darle forma a las piezas cermicas(prensado, extrusin, etc.)CONFORMADO
Eliminacin de agua libreSECADO
Darle resistencia y demspropiedades a los cermicosCOCCIN
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II. MEZCLADO Y
PREPARACIN DE PASTAS
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La finalidad del mezclado es homogenizarel material en
cuanto a composicin y tamao de partcula.Durante el mezclado las pastas de arcillasadquierenplasticidad.
Mezclado artesanalMezclado mecnico(Recipiente con paletas giratorias)
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacion%20Ladrillos-espa%C3%B1ol.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacion%20Ladrillos-espa%C3%B1ol.avi -
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La humectacin necesaria depende del proceso deconformado:
Proceso % H2O Observaciones
Prensado normal 4-20 Lmite mximo: adhesin al molde
Lmite mnimo: no mantiene la formaPrensado en seco 0-1 Puede requerir secado previo
Colado 40-60 Lmites: dependen de la fluidez quese requiera en la barbotina
Extrusin 10-20 Lmites: dependen de la forma yespesor de las piezas y de laplasticidad de la materia prima
Fusin (vidrios) 2-5 No es parmetro crtico
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REQUISITOS DE LAS PASTAS CERMICAS
1.Uniformidad en cuanto a composicin ydistribucin granulomtrica.
2.Plasticidad adecuada para su conformado.
3.Alta fluidez (con el menor contenido de agua)
para el caso de las barbotinas (suspensionesacuosas).
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PLASTICIDAD
Es la propiedad de la pasta de deformarse bajo laaccin de un esfuerzo y de mantener la formaconferida una vez retirada la fuerza actuante.
Forma
original
Deformacin Forma
final
Curva
esfuerzo-deformacin
Ejemplos
Materialplstico
Pastas cermicas
Mezclas cemento-agua
Vidrios fundidos
Materiales plsticos, etc.
Materialelstico
Metales y aleacionesfrgiles
Materiales cermicos,etc.
Lmiteelstico
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DETERMINACIN DE LA PLASTICIDADDE PASTAS CERMICAS
El mtodo ms popular es mediante los Lmitesde Atterberg(Norma ASTM D4318-05).
Consiste en determinar los lmites de contenidode agua en la pasta entre los cuales ella esplstica:
1.Lmite Lquido (LL): % agua con el cual la pasta
pasa al estado lquido o de barbotina.
2.Lmite Plstico (LP): % mnimo de agua quenecesita la pasta para ser moldeable.
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Viscosid
ad
% AguaLP LL
Slido
Pasta
plstica
Barbotina (suspensin)
Efecto de la cantidad de agua sobre la viscosidad de
la pasta cermica (mezcla arcilla-agua)
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DETERMINACIN DEL LMITE LQUIDO
Se utiliza la Cazuela de Casagrande
RanuradorCazuela
Manivela
Procedimiento
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Procedimiento
1.Se preparan pastas con distintos % de agua, lascuales se colocan dentro de la cazuela. La pastase separa en dos partes con ayuda de una paletaestandarizada (ranurador).
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2. Con ayuda de la manivela se levanta la cazuela a unaaltura de 1 cm y se deja caer golpeando su base con unasuperficie plstica dura. Se repite este paso hasta que secierre la ranura creada inicialmente en la pasta.
3. El lmite lquido es el % agua (en peso) para el cual el
surco de la pasta se cierra en 25 golpes.
%H
u
medad
Ngolpes25
LL
DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO
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DETERMINACIN DEL LMITE PLSTICO
Moldeando manualmente pequeos cilindros con la pasta
(partiendo de un contenido de agua correspondiente alLL) y disminuyendo el % agua.
El lmite plstico (LP) corresponde al % agua para el cualya no se puedan moldear cilindros con un dimetroinferior a 3 mm.
NDICE DE PLASTICIDAD (IP)
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NDICE DE PLASTICIDAD (IP)
Es la diferencia entre los lmites lquido y plstico
IP = LLLP
Los resultados se ubican sobre la Carta de Plasticidad deCasagrande
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Lmite lquido
Ind
ice
de
plasticidad
Arcillas de bajaplasticidad
Arcillas demediana
plasticidad
Arcillas de altaplasticidad
IP = 0.73 (LL - 20)
Suelos nocohesivos
Limos inorgnicos de altacompresibilidad
Limos inorgnicos debaja compresibilidad
Limos inorgnicos demediana compresibilidad ylimos orgnicos
Arcilla LL LP IP
Antesbeneficio
41.3 25.0 16.3
Despus
beneficio
72.7 42.5 30.2
Limos: material muyfino (< 10 m)
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Las arcillas son los minerales ms plsticos, siendo la
plasticidad en ellas:
Montmorillonita > Illita > Caolinita
Arcilla pura LP LL IPCaolinita 36 58 22
Illita 40 83 43
Montmorillonita 97 700 603
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III. CONFORMADO DE LAS
PIEZAS CERMICAS
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El conformado es la etapa en la cual se le da laformadeseada a las piezas.
Tcnicas de conformado ms usadas:
Moldeado a mano Torneado mecnico Prensado
Extrusin Colado o colaje de barbotinas
1 MOLDEADO A MANO
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avi -
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1.MOLDEADO A MANO
Mtodo ms antiguo, limitado a la produccinartstica o artesanal.
2.TORNEADO
Se le da forma a las piezas con ayuda de untorno: equipo sencillo, constituido de un platogiratorio. Con ayuda de la fuerza centrfuga se daforma a la pieza a partir de la pasta cermica.
Mtodo muy usado en alfarera, para fabricacinde recipientes (vasijas, materos, platos, etc).
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Alfareria%20torneado%20de%20una%20vasija.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Alfareria%20torneado%20de%20una%20vasija.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/teja%20artesanal.avi -
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3.PRENSADO
La pasta cermica se coloca en un molde omatrizy se le aplica presin para compactarla.
La materia prima se mezcla con aditivosespecialesque facilitan la compactacin de laspartculas:
Aglomerantes Plastificantes Lubricantes
a) AGLOMERANTES
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20Fly%20ash%20automatic%20brick%20press%20mc%20VTEC.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20Fly%20ash%20automatic%20brick%20press%20mc%20VTEC.avi -
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a) AGLOMERANTES
Le dan resistenciaa las piezas en verde paraque puedan ser manipuladas. (0.5-5% en peso)
ORGNICOS
Polivinil alcohol(PVA)
Dextrina, almidn Celulosa
Resinastermoplsticas
Gelatinas Ceras, gomas, etc.
INORGNICOS
Arcillas Silicatos de Mg, Al Slice coloidal Almina coloidal Fosfatos, etc.
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La seleccindel aglomerante dependeprincipalmente del tipo de prensado: seco ohmedo, pequea o gran escala.
BLANDOS (en seco)
Sensibles a lastemperatura (ceras,gomas, etc.).
No requieren adicin dehumedad ni de
lubricantes. Pueden extruirse entre loscomponentes de la matriz.
No se usan paraproduccin a gran escala.
DUROS (en hmedo)
Dextrina, almidn, etc. Requieren el uso de agua y
lubricante.
Producen grnulos duros ydimensionalmente estables.
Se usan para produccin agran escala.
El comportamiento de los aglomerantes
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p gorgnicos depende de la temperatura y de la humedad.
Transicin dctil-frgil
(Tg: Temperatura de transicin vtrea)
Comportamiento Frgil (T < Tg) Comportamiento Dctil (T > Tg)
Deformacin
Tiempo
Recuperacin
Eliminacin carga
Carga aplicada
0
+
_
Deformacin
Tiempo
Eliminacin carga
Carga aplicada0+
_
Recuperacin
Mayor tendencia a fracturarseque a deformarse
Excelente capacidadaglomerante y lubricante
Este comportamiento a la deformacin puede variarse con la
adicin de PLASTIFICANTES.
b) PLASTIFICANTES
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b) PLASTIFICANTES
Aumentan la plasticidad del material.Se adiciona junto con los aglomerantes no
plsticos.Ejemplos: polietilenglicol (PEG), glicerol, etc.
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c) LUBRICANTES
Reducen la friccin entre partculas y entre elpolvo y la pared de la matriz.
Se adicionan en pequeas cantidades ( 3%).
La seleccin debe hacerse teniendo en cuenta laqumica de la materia prima y la purezanecesaria del cermico.
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MATERIALES CON BAJA RESISTENCIA A LACIZALLA USADOS COMO LUBRICANTES
Estearato de zinc Parafina
cido esterico Cera sinttica
cido oleico Estearato de LitioAceites Estearato de potasio
cido naftnico Estearato de sodio
cido brico Estearato de amonio
Nitruro de boro Estearato de magnesio
Grafito Talco
EFECTO DE LOS LUBRICANTES
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EFECTO DE LOS LUBRICANTES
Obtencin de piezas uniformes
Aumento de la densidad en verde
Disminucin de la presin para sacar la pieza de la matriz
(almina: 3.96 g/cm3)
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Cera sinttica
Acido esterico
Estearato de zinc
MTODOS DE PRENSADO
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MTODOS DE PRENSADO
Prensado en unadireccinUniaxial
Prensado en
diferentesdireccionesIsosttico
a) PRENSADO UNIAXIAL
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a) PRENSADO UNIAXIAL
Los polvos se compactan en una matriz rgidaaplicando, mecnica o hidrulicamente, presin alo largo de una direccin axial simple medianteun punzn.
Polvos
Tolva alimentadorade los polvos
Punzonessuperiores
Pieza enverde
1. Preparacin matriz 2.Llenado 3.Compresin 4.Eyeccin
Cuerpodel molde Punzones
inferiores
Ciclos: 6 y 100veces por minuto.
TIPOS DE PRESIN UNIAXIAL
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TIPOS DE PRESIN UNIAXIAL
Clase Definicin Tipo presin
uniaxial
Ejemplos (seccin transversal)
I Piezas delgadasde un solo nivel
Accin simple
II Piezas gruesasde un solo nivel
Accin doble
III Piezas de dosniveles
Accin dobleMovimiento
mltiple
IV Piezas conmltiples niveles
Accin dobleMovimiento
mltiple
TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDO
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TIPOS DE PRENSADO DE ACUERDOA LA HUMEDAD DEL POLVO
Humedad 4%. Usado principalmente en equipos automatizados. Muy til para fabricar piezas de poco espesor (0.5 mm)
con un buen nivel de tolerancia dimensional (1%).(Especialmente para componentes electrnicos.)
En seco
Alto contenido de humedad (10-15%). Materia prima con alta plasticidad en hmedo (arcillas). Deformacin plstica durante el prensado. La pasta puede extruirse entre las partes de la matriz. Nivel de tolerancia dimensional: 2%.
Enhmedo
PROBLEMAS DURANTE EL
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PROBLEMAS DURANTE ELPRENSADO UNIAXIAL
Aire atrapado Desgaste de la matriz Rebote de la pieza durante su expulsin
Friccin con las paredes de la matriz Insuficiencia de aglomerante
Agrietamiento
Incorrecta seleccin del tipo de presinuniaxial
Friccin entre partculas y entre ellas yla pared de la matriz
Llenado no uniforme de la matriz Presencia de aglomerados duros
Densidad nouniforme
EJEMPLOS TPICOS DE FORMACIN
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EJEMPLOS TPICOS DE FORMACINDE GRIETAS
Al liberar la presin desde elpunzn superior
Al expulsar la pieza con elpunzn inferior
b) PRENSADO ISOSTTICO
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b) PRENSADO ISOSTTICO
Se aplica presin en todas las direcciones.Produce mayor uniformidad de compactacin.
P. uniaxial P. isosttico
Variaciones de la densidad en verde (g/cm3) en las paredes deun crisol prensado uniaxial e isostticamente.
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Prensado isosttico
Bolsa hmeda
Bolsa seca
PRENSADO ISOSTTICO
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DE BOLSA HMEDA
Polvo
Molde de goma(flexible)
Fluido
Cierre hermticodel molde
Mandril metlico
Recipientepresurizado
Cesta de mallade alambre
Cierre hermticodel recipiente
Entrada dellquido a presin
Para la compresin del polvo se usan fluidosincompresibles (agua, aceite o glicerina).
La presin aplicada es de alrededor de 400 Mpa
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Uniformidad de densidad Bajo costo de la operacin Versatilidad del proceso (piezas
de diferentes tamaos y formas)
Ventajas
Baja produccin (largos tiemposdel ciclo: 1-10 minutos/ciclo)
Difcil automatizacin delprocesoDesventajas
PRENSADO ISOSTTICO
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7/26/2019 INTRODUCCIN CERMICOS
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DE BOLSA SECA
La matriz no estinmersa en ellquido. Posee
canales internospor los que sebombea el fluido aalta presin.
TapaPrimer
elastmeroContenedor rgido del molde
Segundo elastmero
Canal para ladistribucin del lquido
Eje Entrada del lquido a presin
Conformado del aislante de una buja
PRENSADO ISOSTTICO
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DE BOLSA SECA
La parte crtica es lograr una transmisinuniforme de la presin:
Posicionamiento de los canales
Moldes compuestos (piezas de diferenteselastmeros).
Automatizacin del proceso: alcanzando 1000 a
1500 ciclos/hora.
Esquema del proceso automatizado de
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prensado isosttico de bolsa seca
Eje delmolde
Molde degoma
Llenado
delmolde
Ciclo de
prensadoPreparacindel molde
Extraccin
de la piezaprensada
Piezafinal
APLICACIONES DEL PRENSADO
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20EPSIFrey%20GmbH%20Multi-size%20Drybag%20Press.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube%20-%20EPSIFrey%20GmbH%20Multi-size%20Drybag%20Press.avi -
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APLICACIONES DEL PRENSADO
Piezas pequeas para usoselctricos (aislantes,capacitores, etc.)
Tejas, ladrillos, crisoles, etc.
Uniaxial
Piezas grandes: tuboscatdicos de rayos X,clasificadores de cono, etc.
Piezas pequeas con relacingrande longitud/ancho
Isosttico
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4. COLAJE COLADO: SLIP CASTING
Consiste en el vertido de una suspensinde partculas cermicas (barbotina) dentro
de un molde poroso (yeso). El lquido esremovido por los poros del molde,permitiendo que las partculas se
compacten dentro de ste.
COLADO DE LA BARBOTINA
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Se realiza dentrode moldes porosos
de yeso, lo quepermite la remocindel agua por accincapilar.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
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DE COLADO DE BARBOTINAS
1 Preparacin de la barbotina
2 Colado
3 Desage y consolidacin
4 Remocin de la pieza en verde
5 Secado
6 Sinterizacin
7 Maquinado
PREPARACIN DE LA BARBOTINA
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PREPARACIN DE LA BARBOTINA
Se parte de materias primas muy finas: - 325# (44m).
Si se necesita una alta resistencia mecnica, la
granulometra debe ser ms fina: -5 m. Requisito bsico de la suspensin: Baja viscosidad
con la menor cantidad posible de agua:
Buena fluidez (vertido y llenado del molde). Fcil eliminacin de burbujas atrapadas luego
del colado.
DE QU FACTORES DEPENDE LA
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VISCOSIDAD DE UNA SUSPENSIN?
1 Viscosidad del lquido
2 % slidos
3 Carga superficial y grado de
dispersin de las partculas
4 Tamao y forma de las partculas
VISCOSIDAD DEL LQUIDO
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Y CONTENIDO DE SLIDOS
F. No Newtoniano(alto % slidos)
F. Newtoniano(bajo % slidos)
Viscosida
drelativa
(r=
/0
)
% SlidosEc. Einstein
: Viscosidad suspensin0: Viscosidad del lquidoV: fraccin volumtrica de las partculas slidas
(Partculas esfricas)
CARGA SUPERFICIAL Y GRADO DE
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DISPERSIN DE LAS PARTCULAS
Cargasuperficial
A mayor carga mayor repulsin entrepartculas.
Potencial zeta (relacionado con la carga).
Dispersin
A mayor repulsin entre partculas mayorestabilidad de la suspensin (dispersin). La ausencia de carga conlleva a la
aglomeracin.
Viscosidad
A mayor dispersin mayor fluidez y, portanto, menor viscosidad.
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MEDIDA DEL POTENCIAL ZETA PORELECTROFORESIS
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ELECTROFORESIS
Se realiza en un equipo denominado zeta-metro.Se mide la velocidad de movimiento de laspartculasen suspensin cuando se aplica un campoelctricoa travs de la solucin (movilidad
electrofortica).
ZETAMETRO
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El clculo del potencia zeta se hace con ayuda dela ecuacin de Henry:
Donde:z: potencial zetaUE: movilidad electrofortica: constante dielctrica (relacionada con la capacidad del material
para polarizarse ante un campo elctrico)
: viscosidadf(ka): funcin de Henry 1.5 (Dp 0.2 m)
1.0 (Dp < 0.2 m)
Relacin entre el potencial zeta y la estabilidad de
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Relacin entre el potencial zeta y la estabilidad deuna suspensin:
Potencia zeta (mV)* Estabilidad suspensin
60100 Muy buena (dispersin extrema)
4060 Buena
3040 Moderada
1530 Umbral de leve dispersin
1015 Umbral de aglomeracin
< 10 Fuerte aglomeracin yprecipitacin
* Valor absoluto del potencial (puede ser + -)
Cmo modificar el potencial zeta?
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Formas de modificar elpotencial zeta
Variando el pH de la solucin
Adicionando un defloculante(dispersante) adecuado
EFECTO DEL pH SOBRE EL POTENCIAL ZETA
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El potencial zeta se puede aumentar adicionando
un cidoo una base, dependiendo del tipo de cargasuperficial de la partcula:
Superficie con carga netanegativa
H
H
H
-
-
-
H+
H+
H+
Superficie con carga netapositiva
OH
OH
OH
+
+
+
OH-
OH-
OH-
Al disminuir el pH: Neutralizacin
Al aumentar el pH:Aumenta carga (-)
Al aumentar el pH: Neutralizacin
Al disminuir el pH:Aumenta carga (+)
(-) (+)
Aumento de la carga negativa porionizacin de grupos cidos
adsorbidos en la superficie
Aumento de la carga positiva porionizacin de grupos bsicos
adsorbidos en la superficie
CURVA TPICA POTENCIAL ZETA vs. pH
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Material IEP
Slice (SiO2) 2Almina (Al2O3) 9
Circonia (ZrO2) 5-6
El punto isoelctrico (IEP) puntode carga cero(ZPC) es el pH al cualel potencial zeta es igual a cero.
Potenc
ialzeta(mV)
pH
Puntoisoelctrico(+)
(-)
RELACIN ENTRE POTENCIAL ZETA,VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIN
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VISCOSIDAD Y TIEMPO DE SEDIMENTACIN
EFECTO DE LA ADICIN DE UN
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DEFLOCULANTE SOBRE EL POTENCIALZETA
El defloculante (dispersante) se adsorbe
sobre la superficie de la partcula modificandosu carga elctrica (aumentando las fuerzasrepulsivas electrostticas):
1. Polielectrolitos aninicos (orgnicos)
2. Defloculantes inrgnicos
1) POLIELECTROLITOS ANINICOS
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Compuestos de largas cadenas hidrocarbonadas
con muchas entidades ionizablesa lo largo de todala cadena polimrica.
Ejemplos:
Polmeros de cido acrlico y sus sales.Co-polmeros de acrilamida y cido acrlico
Na - PAANH4- PAA
Na - PMAANH4- PMAA
Sales de sodio y de amonio de los cidos poliacrlico (PAA) y polimetacrlico (PMAA)
Ionizacin de la sal de amonio delcido polimetacrlico (PMAA)
-
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-
+ NH4+
Se adsorbensobre las superficies slidas aumentandosu carga negativa.
cido polimetacrlico (PMAA)
Qu carga debe tener la superficie?(positiva o negativa?)
-
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(positiva o negativa?)
Gracias al carcter hidrofbico de las cadenashidrocarbonadas, el agua las empuja hacia afuerade la solucin y hacia la superficie de las partculas.
Estos dispersantes actan tanto sobre laspartculas con carga positiva como negativa.
- --------------
Parte hidroflica(Grupo ionizado)
Parte hidrofbica
(Cadenas hidrocarbonadas)
Fuerzas hidrofbicas
Dispersin de almina con cidoli t li (PMAA) l l d
-
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A. Pettersson, Journal of Colloid and Interface Science 228, 7381 (2000)
polimetacrlico (PMAA) con peso molecular de
13.000 g/molQu efecto tiene laadicin de estedispersante sobre la curva
potencial zeta vs. pH?
La adicin del dispersantemueve la curva depotencial zeta vs pH haciaabajo (por el aumento dela carga negativa de laspartculas)
2) DEFLOCULANTES INORGNICOS
-
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2) DEFLOCULANTES INORGNICOS
Aportan cationes monovalentes (Na+, NH4+,Li+) a la solucin:
Silicato de sodio (Na2SiO3)Pirofosfato de sodio (Na4P2O7)Oxalato de amonio ((NH4)2C2O4)Oxalato de sodio (Na2C2O4)Hidrxido de litio (LiOH), etc.
Los defloculantes inorgnicos promueven la
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Los defloculantes inorgnicos promueven la
desorcin de cationes multivalentes (que sonaltamente floculantes): Mg++, Ca++, Al+++, etc.
------
H+
H+
H+
H+
OH-
H+
H+
OH-
Caolinita a pH 6(carga neta negativa)
------
Al+3+
OH-
H+
H+
OH-
Caolinita en presencia de sales deFe Al (10-5M)
(la carga neta se aproxima a cero)
Al+3+
Al+3+
Al+3+
El sulfato de aluminio (Alumbre) es muy usado como floculante parala limpieza de aguas.
Al adicionar pequeas cantidades (0 05
-
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Al adicionar pequeas cantidades (0.05
0.3%) de defloculantes inorgnicos (silicato deNa) se aumenta la repulsin entre partculas.
----
--
Na+
Na+
Na+
Na+
Al3+
Al3+
Al3+
Al3+
carga neta negativa grande(dispersin)
----
--
Al3+
Al3+
Al3+
Al3+
carga neta negativa muypequea (floculacin)
----
--
Al3+ Na+
Al3+
Al3+
Al3+
Na+
Na+
Na+
Adicin de silicato de sodio(Los iones Na+desplazan
a los Al3+)
EFECTO DEL TAMAO Y FORMA
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DE LAS PARTCULAS SOBRE LA FLUIDEZDE LA SUSPENSIN
La zona de atraccin de las partculas es de
aproximadamente 20 .
Cuando las partculas se acercan a esta
distancia lmite (20 ), ellas tienden ainteractuar. (se necesita aplicar mayor fuerzapara moverlas).
Distancias medias de separacin de
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ppartculas esfricas en una suspensindependiendo de su tamao:
Dimetro partculas(m)
Distancia separacinen suspensiones con
40% v/v de slidos ()10 9200
1 920
0.1 92
0.05 200.01 9.2
Las partculas con tamaos iguales o menores a 0.05 m tienden aaglomerarse en una suspensin del 40% en volumen.
Efecto de la forma: partculas planas (tpica
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Efecto de la forma: partculas planas (tpica
de las arcillas), en las cuales su longitud mide10 veces su espesor.
Longitud
lmina(m)
Espesor
lmina(m)
% v/v slidos al cual la
distancia de separacines de 20
10 1 30
1 0.1 30
0.1 0.01 280.01 0.001 17
Distribucin de tamao de las partculas
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Distribucin de tamao de las partculas
Los rangos amplios de tamao permitenaumentar el % slidos en la suspensin sinafectar su viscosidad.
-
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El acondicionamiento de la suspensin con
los aditivos qumicos se realiza dentro delmolino de bolas, a la vez que se muele lamateria prima.
USOS
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La aplicacin ms comn del conformado por
colado es para la fabricacin de piezas grandes yahuecadas: sanitarios, crisoles, etc.
Variantes del colado de barbotinas:
Colado al vaco: Con una bomba de vaco sesucciona el agua a travs de los poros del molde.
Colado centrfugo: El molde rota y se facilita el
llenado del molde (piezas con formas difciles).
Colado a presin: La suspensin entra a presin,acelerando la consolidacin de las partculas.
I i i l t l l d i li b
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacin%20de%20Inodoros.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/Fabricacin%20de%20Inodoros.avi -
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Inicialmente el colado a presin se realizaba en
moldes de yeso, pero luego se cambi a moldesplsticos porosos que resisten mayores presiones.
Tiempo necesario para obtener por colado a
presin piezas de porcelana de 6 mm de espesor:
Presin (MPa) Tiempo (min)
0.025 450.4 15
4 1
FACTORES CRTICOS DEL PROCESO
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DE COLADO
Conseguir una suspensin con baja viscosidad yalto % slidos.
La barbotina debe estar libre de aire atrapado.
La pieza debe liberarse fcilmente (se puedeuntar aceite o silicona sobre las paredes del molde).
La pieza en verde debe tener suficiente resistenciapara su manipulacin (adicin de aglomerantes).
5. EXTRUSIN
-
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Mtodo de conformacin plstica: Lapasta cermica se empuja a travs de untroquel (boquilla) que tiene la seccin
transversal deseada en la pieza. Permite obtener fcilmente piezas con
secciones complejas.
Su desventaja obvia es que est limitadaa productos con seccin transversalconstante.
-
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La extrusin se puede aplicar a materiasprimas de naturaleza plstica o noplstica.
Para conformar las materias primas noplsticas (xidos, carburos, nitruros, etc.)es imprescindible usar aglomerantes
orgnicos(entre 25 y 50% de aditivos)
PARTES DE UNA EXTRUSORA
http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Extrusora%20Ladrillera%202.avihttp://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_2/VINCULOS/YouTube-%20Extrusora%20Ladrillera%202.avi -
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Dos tornillos sin fin
(amasado)
Ejes de losengranajes y motor
Entrada delmaterial
Amasadora
Cmara dedesaireamiento
Eje al motor
Cmara decompactacin
Matriz(boquilla)
Corte de unaboquilla simple
Corte del mecanismo (tipotaladro) de compactacin y
extrusin
ADITIVOS PARA LA MATERIAPRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIN
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PRIMA EN EL PROCESO DE EXTRUSIN
Bsicamente, los mismos que para elprensado:
AguaAglomerantesPlastificante
LubricantesSurfactantes: cuando la mojabilidad de lamateria prima es muy baja
EJEMPLOS DE DEFECTOS EN LASPIEZAS EXTRUDAS
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PIEZAS EXTRUDAS
Laminaciones
(Grietas internas con unaorientacin especfica)
Causa:Mezclado incompleto dela pasta luego de ser cortada porel anillo sin fin, o luego de pasarpor los soportes de las piezasinteriores de la boquilla.
Soportes de la barra centralde la boquilla
Partes (hembra y macho) deuna boquilla para la extrusin
de un tubo
Cortes o grietas superficiales
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Al_extrusion_die_set.jpg -
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Se forman cuando la piezava saliendo de la matriz.Debidas a friccin con lapared.
Otras causas de defectos:
Separacin de lquido de la pasta (pobre mojabilidadde las partculas).
Poros (aire atrapado).
APLICACIONES DE LA EXTRUSIN
L d ill b ld t j t
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Ladrillos, baldosas, tejas, etc.
Tubos para hornos.
Tubos para proteccin de termocuplas.
En general, la extrusin se aplica para la obtencina gran escala de piezas con seccin transversalconstante.
-
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IV. SECADO DE LAS PIEZAS
CERMICAS
Durante el secado se elimina la mayor parte del agua libre( id d )
-
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(poros y cavidades).
La temperatura mxima de secado es del orden de 95C.
El secado debe ser lento(puede ser mayor a una semana),
pero no hay un tiempo de secado tpico pues depende demltiples factores: Relacin superficie/volumen % agua en las piezas Temperatura y humedad del ambiente Porosidad del material.
En esta etapa la pieza sufre la mayor contraccin (2 al20%)linealmente.
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V. SINTERIZACIN DE LAS
PIEZAS CERMICAS
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SINTERIZACIN
Es la etapa de densificacin del cermico,
en la cual los polvos conformados y secadosse llevan a una temperatura suficientementealta para desarrollar la microestructura que leconfiera las propiedades tiles al material.
TIPOS DE SINTERIZACINSlido (fase cristalina)
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Lquido(fase amorfa)
Poros
Enverde
SSSLPS
VCS
VGS
1. Sinterizacin en estado slido (SSS)2. Sinterizacin con fase lquida (LPS): < 20% lquido3. Sinterizacin vtrea-viscosa (VGS):fabricacin de vidrios4. Sinterizacin de un compuesto viscoso (VCS): > 20% lquido
(Ej. porcelanas)
1. SINTERIZACIN EN ESTADO SLIDO
-
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70
100
60
90
80
1300 1400 1600 1800
Etapainicial
Etapa
intermedia
Etapa final
Temperatura sinterizacin (C)
%D
ensific
acin
Curva de sinterizacin para la almina
ETAPA INICIAL
-
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Ocurre el reacomodamiento (desplazamiento)de las partculas y la formacin de un cuello enlos puntos de contacto.
Estado inicial Estado final
La densificacin aumenta un 10% aprox.Mxima densificacin entre 60 y 70%.
Cuello de uninentre partculas
Poros abiertos
ETAPA INTERMEDIA
L t l ti d d
-
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Las partculas continan acercndose cada vez
ms.
Ocurre el crecimiento de algunos de los granos alconsumir otras partculas.
Ocurre la mayor contraccin de todo el proceso desinterizacin.La etapa termina con el aislamiento de los poros(90% densificacin).
Poros cerrados
ETAPA FINAL
Ocurre la remocin final de porosidad por la difusin
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Ocurre la remocin final de porosidad por la difusin
de vacancias a lo largo de los lmites de grano.La densificacin en esta etapa es mnima (1%).
Si los granos crecen muy rpido, los lmites de granose mueven ms rpido que los poros, quedando stosltimos atrapados dentro de los granos. Lo cual escontrolado por la velocidad y tiempo de calentamiento.
En conclusin:
-
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La sinterizacin en estado slido ocurregracias a la difusin de materia desde lasuperficie de los granos a la zona decontacto entre ellos.
Este tipo de sinterizacin se presenta enmateriales puros:
xidos: Al2O3, ZrO2, MgO, etc.
No xidos: SiC, BN, C, etc.
2. SINTERIZACIN CON FASE LQUIDA
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La inmensa mayora de cermicos sesinterizan en presencia de fase lquida.
Al calentar los polvos compactos ocurre la
fusin incipiente del material (en la superficie delas partculas).
El lquido viscoso cubre las partculas y lasenlaza.
Lquido
La formacin del lquido se facilita por la
-
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La formacin del lquido se facilita por la
presencia de sustancias fundentes (boratos,fluoruros, lcalis (Na2O, K2O)) y por lapresencia de impurezasque forman
eutcticos.
Ventaja: La densificacin es muy alta(cercana al 100%).
Desventaja: El cermico tiene menorresistencia mecnica por la fase vtrea.
FACTORES QUE INFLUYEN EN ELPROCESO DE SINTERIZACIN
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Temperatura de coccin:fase lquida.Atmsfera:depende de la composicin del cermico:oxidante (xidos), reductora o inerte (no xidos).
Ciclo de calentamiento:Tiempo de permanencia: densificacin y tamao de grano.Velocidad de calentamiento: formacin de grietas porcambios bruscos de volumen.Velocidad de enfriamiento: recristalizacin de fases.