Resumen: Procesado de materiales cerámicos

📋 Esquema del Curso

1. Estructura y propiedades cerámicas
2. Tipos y aplicaciones cerámicas
3. Materias primas cerámicas
4. Preparación y mezclado de materias
5. Conformado cerámico en frío
6. Impresión 3D y colada cerámica
7. Secado y sinterizado cerámico
8. Acabados de productos cerámicos
9. Fusión y conformado discreto del vidrio
10. Procesos continuos y fibras de vidrio
11. Tratamientos térmicos del vidrio
12. Acabados superficiales del vidrio

📖 1. Estructura y propiedades cerámicas

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Material cerámico: Compuesto inorgánico formado por elementos metálicos y no metálicos.

★ Imprescindible

📌 Los materiales cerámicos tienen estructura cristalina cuando sus átomos presentan una distribución regular y repetitiva con orden de largo alcance, mientras que los vidrios tienen estructura amorfa, con disposición irregular y aleatoria y orden de corto alcance.

📌 Los materiales vítreos no pasan de líquido a sólido a una temperatura definida, sino que presentan una transición vítrea y una disminución continua de volumen con la temperatura; los cristalinos muestran una disminución discontinua de volumen a la temperatura de fusión.

Complementos

• La absorción de agua depende de la porosidad y condiciona la resistencia, la densidad y la heladicidad de la cerámica.

📌 Frente a los metales, los cerámicos son frágiles, resisten la compresión, tienen baja conductividad térmica y eléctrica, no son magnéticos, pueden ser transparentes, no se oxidan y presentan alta resistencia al desgaste.

💡 Truco mnemotécnico

Cristalino: orden largo; amorfo: orden corto

📖 2. Tipos y aplicaciones cerámicas

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Cerámica refractaria: Producto arcilloso con óxidos metálicos que resiste temperaturas elevadas y reacciones químicas y proporciona aislamiento térmico.

★ Imprescindible

📌 Los vidrios son amorfos y suelen componerse de 70 % de sílice, sosa y cal; las vitrocerámicas son vidrios que, por solidificación controlada, adquieren estado policristalino y un coeficiente de dilatación muy bajo.

📌 El cemento endurece a temperatura ambiente por hidratación del silicato de calcio con agua, mientras que el hormigón añade arena o gravilla; el cemento Portland contiene CaO, SiO2 y Al2O3.

Complementos

• Las cerámicas tradicionales de arcilla incluyen:

  • alfarería
  • porcelana
  • loza
  • gres
  • refractarios
  • cemento
  • ladrillos
  • azulejos
  • yeso

• Las cerámicas avanzadas o técnicas se obtienen artificialmente y se diseñan para altas prestaciones según su aplicación y composición.

• Entre las aplicaciones de cerámicas avanzadas figuran: la hidroxiapatita Ca5(PO4)3(OH) en biomateriales, el SiC como abrasivo o refuerzo, el Al2O3 como aislante de bujías, el ZrO2 como barrera térmica, el AlN para aislamiento electrónico con conductividad térmica, el B4C para blindaje

📖 3. Materias primas cerámicas

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Arcilla: Silicato de aluminio hidratado (Al2O3·SiO2·H2O) con pequeñas cantidades de TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O.

★ Imprescindible

• Las materias primas cerámicas pueden ser: minerales, como arcillas, feldespatos, arenas silíceas y cuarzo, de síntesis, como carbonato de sodio, boratos y óxidos, agua, aditivos químicos

• Las materias primas determinan la calidad del producto final y requieren tratamiento previo.

Complementos

• El reciclaje de materiales permite ahorrar materias primas y energía y disminuir la contaminación.

• Los productos arcillosos contienen arcilla, sílice (SiO2) y feldespato (K2O·Al2O3·6SiO2).

📖 4. Preparación y mezclado de materias

★ Imprescindible

• La preparación de materias primas minerales comprende trituración y molienda de los terrones rocosos, tamizado para clasificar la granulometría y mezcla con humidificación.

• Los parámetros más importantes en la preparación de materias primas minerales son el nivel de humedad y la granulometría.

• Los porcentajes de agua indicados son 0–1 % para prensado en seco, 2–5 % para fusión, 4–20 % para prensado normal, 10–20 % para extrusión y 40–60 % para colada en barbotina.

Complementos

• La clasificación granulométrica por tamizado depende de la escala, la proporción de los componentes y sus diferencias de densidad y granulometría.

📌 Al aumentar la cantidad de agua, el mezclado se dificulta, aunque la humidificación es necesaria para el procesado posterior.

• En las cerámicas avanzadas, la preparación de polvos incluye métodos mecánicos y químicos, purificación y filtración, control de humedad y obtención de partículas más homogéneas, pequeñas y puras.

💡 Truco mnemotécnico

Triturar, moler, tamizar y humidificar

📖 5. Conformado cerámico en frío

★ Imprescindible

📌 La extrusión conforma pastas con 15–25 % de agua y produce geometrías constantes y continuas, como el gres extrusionado.

• El prensado cerámico suele realizarse con 10–15 % de agua, mientras que el prensado en seco contiene menos del 5 %.

Complementos

• El prensado puede variar según la presión aplicada (10–100 MPa), que puede ser uniaxial o isostática, la temperatura (25–1000 °C), el uso de vacío o vibración y el empleo de moldes rígidos o flexibles.

📌 El prensado isostático aplica presión mediante un fluido en todas las direcciones sobre polvo contenido en un envoltorio de goma, permite formas complicadas y es más lento y caro.

• El prensado en caliente compacta polvo a temperatura elevada y es más caro.

• El torneado conforma objetos con simetría axial utilizando pastas con 15–25 % de agua.

📖 6. Impresión 3D y colada cerámica

★ Imprescindible

• La impresión cerámica por deposición líquida construye la pieza capa a capa mediante pasta cerámica extruida, cuya salida puede accionarse con aire comprimido o un tornillo sinfín y controlarse por ordenador.

• En Binder Jetting, un aglutinante solidifica secciones transversales sobre un lecho de polvo cerámico para construir la pieza.

📌 La colada de barbotina emplea una suspensión de arcilla y agua, generalmente con 25–40 % de agua, que se vierte en un molde poroso de yeso que absorbe el agua hasta que la pieza se solidifica.

Complementos

• La impresión 3D cerámica por deposición líquida se basa en la técnica FDM con extrusores adaptados y es de bajo coste porque utiliza principalmente arcilla y polímeros de relleno.

• Entre las técnicas de impresión cerámica en pasta o lechada se incluyen:

  • estereolitografía (SL)
  • procesamiento de luz digital (DLP)
  • impresión de inyección de tinta (IJP)
  • escritura de tinta directa (DIW)

• La técnica Binder Jetting puede ofrecer buen acabado superficial, aunque los modelos pueden no ser suficientemente resistentes para algunos usos industriales.

• Tras imprimir por Binder Jetting, se libera la pieza del polvo, se cura para aumentar su resistencia y se retiran los restos de polvo con un cepillo o aire presurizado.

• En la colada de barbotina se vierte la suspensión en el molde, se invierte para evacuar el exceso y se extrae la pieza seca.

📖 7. Secado y sinterizado cerámico

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Sinterizado: Formación de uniones entre granos cerámicos que densifica la pieza y reduce su porosidad.

★ Imprescindible

• Las temperaturas de sinterización vítrea indicadas son:
  • 900–1000 °C para alfarería y tejería
  • 1000–1300 °C para loza y gres
  • 1300–1400 °C para porcelana
  • 1400–1500 °C para cerámicos refractarios

Complementos

• El secado cerámico puede realizarse en secaderos con aire caliente procedente de la recuperación de calor de los hornos; se citan secaderos rápidos para piezas de bajo espesor y secaderos de túnel.

• El sinterizado puede producir:

  • uniones químicas en fases líquidas
  • uniones vítreas en fases líquidas
  • uniones cerámicas en fase sólida

• Los hornos de sinterizado pueden ser intermitentes o continuos, incluidos los hornos túnel y Hoffmann.

💡 Truco mnemotécnico

Las uniones entre granos densifican la pieza y reducen la porosidad

📖 8. Acabados de productos cerámicos

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Engobe: Mezcla de arcilla y óxidos colorantes que no llega a vitrificar y no elimina la porosidad.
• Esmalte vidriado: Pintura hecha de vidrio que forma un recubrimiento impermeable sobre un soporte algo poroso.

📝 Puntos esenciales

• El engobe puede aplicarse mediante:

  • salpicado
  • pincelado
  • inmersión

• El esmaltado emplea vidrios de óxidos de bajo punto de fusión y requiere calentar el objeto a 750–850 °C para fundir el polvo de vidrio.

💡 Truco mnemotécnico

El engobe no elimina la porosidad; el esmalte forma un recubrimiento impermeable

📖 9. Fusión y conformado discreto del vidrio

★ Imprescindible

• La fusión del vidrio suele realizarse a 1500–1600 °C durante 24–48 horas.

• El conformado en caliente se organiza en: procesos discretos para artículos individuales, procesos continuos para láminas y tubos, procesos de producción de fibra

Complementos

• La fabricación del vidrio parte normalmente de arena de sílice (SiO2), otros óxidos y vidrio reciclado, que ayuda a fundir antes.

• En el soplado de vidrio se crean burbujas en el vidrio fundido para conformar la pieza.

• El centrifugado o fundición centrífuga produce artículos con forma de embudo, como probetas de laboratorio y decantadores.

• El prensado o moldeo por compresión permite fabricar productos de vidrio relativamente planos, como faros de automóvil y platos.

📌 El moldeo de precisión produce componentes de vidrio, a menudo ópticos, sin necesidad de esmerilado o pulido, pero puede generar tensiones internas durante la introducción del vidrio en el molde y el enfriamiento, y se limita a geometrías sencillas sin orificios ni secciones delgadas.

• En el prensado-soplado, la gota de vidrio fundido se prensa en un molde preliminar para formar una preforma, se transfiere al molde final y se sopla con aire hasta que el vidrio rellena el molde.

📖 10. Procesos continuos y fibras de vidrio

★ Imprescindible

• En el rocío centrífugo, el vidrio fundido se vierte en una rueda giratoria perforada, la fuerza centrífuga lo expulsa por los orificios y se rocía agua para enfriarlo y obtener lana de vidrio aislante.

Complementos

• Los procesos continuos de vidrio incluyen:

  • estirado de vidrio plano
  • laminado de vidrio plano
  • flotación
  • estirado de tubos de vidrio

• Entre los procesos de estirado de vidrio plano se encuentran los procesos Fourcault y Colburn.

• 🔄 El estirado de filamentos continuos comprende: hacer salir los hilos de vidrio por los orificios de una tolva, rociarlos con agua mientras se estiran para reducir su diámetro a micras, unir las fibras con rodillos, regular la forma final mediante la velocidad de estirado y el rocío

📖 11. Tratamientos térmicos del vidrio

★ Imprescindible

• El recocido del vidrio es un tratamiento a 500 °C seguido de enfriamiento lento para eliminar tensiones residuales.

• El templado incrementa la tenacidad del vidrio: al enfriarse, la superficie se contrae y queda endurecida a compresión, y después el centro se contrae y queda endurecido a tracción.

Complementos

📐 Fórmula - En el recocido, el tiempo de enfriamiento es proporcional al cuadrado del espesor: $t \propto e^2$.

• El vidrio es más resistente a compresión que a tracción.

💡 Truco mnemotécnico

El recocido elimina tensiones; el templado incrementa la tenacidad

📖 12. Acabados superficiales del vidrio

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Esmerilado: Tratamiento superficial con ácidos o proyección de un chorro de arena que confiere un acabado mate y hace el vidrio traslúcido, dispersando la luz sin permitir ver nítidamente las imágenes.

📝 Puntos esenciales

• El pulido es una operación de acabado del vidrio.

📊 Tablas de síntesis

Comparación de tratamientos de vidrio

Engobe y esmalte cerámico