CERÁMICOS Introducción:
Por lo general se considera que los metales metales son la clase más importante de materiales de la ingeniería. Sin embargo, es de interés observar que en realidad los materiales cerámicos son más abundantes y se utilizan más. Dichos materiales son son de uso común, no sólo por su abundancia sino sino también por su propiedades físico-mecánicas. Los cerámicos son compuestos inorgánicos que consisten en en un metal (o semimetal) con uno o más no metales. De los cerámicos más importantes destacan el sílice sílice (Si02) y la alúmina (Al2O3), los cuales se utilizan para producir vidrio y huesos artificiales (Bioingeniería).
Propiedades de los cerámicos: • • • •
Alta dureza. Aislamiento térmico y eléctrico. Estabilidad química y temperatura de fusión elevadas. Materiales frágiles y poco dúctiles.
Clasificación de los materiales: 1. Cerámicos Tradicionales: silicatos que se se emplean en productos de arcilla tales como vasijas y ladrillos, abrasivos comunes y cemento. 2. Nuevos Cerámicos: creados recientemente con base en materiales que no son silicatos, tales como óxidos y carburos, y que por lo general poseen propiedades mecánicas o físicas que los hacen superiores o únicos si se les compara con los cerámicos tradicionales 3. Vidrios: con base sobre todo en sílice y que se distinguen de otros cerámicos por su estructura no cristalina. Además de los tres tipos básicos, se tienen vid rio -cerám ico s , vidrios que han sido transformados en una estructura cristalina grande por medio del tratamiento térmico. Microestructura de los materiales cerámicos: Cerámicos tradicionales: Los silicatos minerales, tales como las arcillas de distintas composiciones, y el sílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en la naturaleza, y constituyen las materias primas principales de los materiales cerámicos tradicionales. Estos compuestos sólidos cristalinos se formaron y mezclaron en la corteza terrestre a lo largo de millones de años, por medio de procesos geológicos complejos. Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos. Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezcla
con agua. Las arcillas más comunes se basan en el mineral caolinita (Al2Si2O5(OH)4). La composición de otros minerales de arcilla varía tanto en proporciones como en ingredientes básicos y contenido de otros elementos tales como magnesio, sodio y potasio. Además de la plasticidad que adquiere cuando se mezcla con agua, una segunda característica de la arcilla que la hace muy útil, es que se convierte en un material fuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. El tratamiento con calor se conoce como c o c i m i e n t o . Las temperaturas que son adecuadas para el cocimiento dependen de la composición de la arcilla. Así, puede darse forma a la arcilla cuando está húmeda y suave, y luego se cuece para obtener el producto final de cerámica dura. El s ílic e (SiO2) es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales. Es el componente principal del vidrio e ingrediente principal de otros productos de cerámica que incluyen vajillas, refractarios y abrasivos. El sílice existe en la naturaleza en varias formas, la más importante de ellas es el cuarzo . La fuente principal del cuarzo es la arenisca . La abundancia de arenisca y la facilidad relativa de su procesamiento significan que el costo del sílice es bajo; también es duro y de química estable. A estas características se debe su uso tan extenso en los productos cerámicos. Por lo general se mezcla en proporciones distintas con arcilla y otros minerales a fin de obtener características apropiadas en el producto final. El feldespato es otro de los minerales que se emplea con frecuencia. El feldespato es cualquiera de varios minerales cristalinos que consisten en silicato de aluminio combinado con cualquiera de los elementos potasio, sodio, calcio o bario. Por ejemplo mezclado con potasio tiene la composición KAlSi 3O8. Las mezclas de arcilla, sílice y feldespato se utilizan para fabricar vasijas, porcelana y otros artículos de comedor. Otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales es la alúmina . La mayor parte de ésta se procesa a partir del mineral bauxita , que es una mezcla impura de óxido de aluminio hidratado e hidróxido de aluminio más componentes similares de hierro y manganeso. La bauxita también es la mena principal para producir aluminio metálico. Una forma más pura pero menos común del Al 2O3 es el mineral c o r u n d o , que contiene alúmina en cantidades masivas. Las gemas llamadas zafiro y rubí son formas ligeramente impuras de cristales de corundo. La cerámica de alúmina se emplea como abrasivo en esmeriles y como ladrillos refractarios para hornos. El carburo d e silicio , otra cerámica que se emplea mucho como abrasivo, no ocurre en forma de mineral. En vez de ello se produce con el calentamiento de mezclas de arena (fuente de silicio) y coque (carbón) a una temperatura de alrededor de 2 200 ºC (3 900 ºF), por lo que la reacción química resultante forma SiC y monóxido de carbono.
Microestructura de los materiales cerámicos: Nuevos Cerámicos: El término nu evo s cerám ico s se refiere a materiales cerámicos creados en forma sintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades de los cerámicos. En general, los nuevos cerámicos se basan en compuestos distintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el que constituye el grueso de los materiales cerámicos tradicionales). Los nuevos cerámicos son por lo general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales; por ejemplo, óxidos, carburos, nitruros y boruros. La línea divisoria entre los cerámicos tradicionales y los nuevos algunas veces no es muy clara, debido a que los primeros incluyen al óxido de aluminio y al carburo de silicio. En esos casos, la diferencia se basa más en los métodos de procesamiento que en la composición química. Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química: óxi- dos, carburos y nitruros, que se estudian en las secciones siguientes. En las referencias [2], [4] y [7] se hace un análisis más completo de los nuevos cerámicos. Óxidos cerámicos: El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina . Aunque también se le estudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina se produce en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. Por medio del control del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en los métodos de refinación y la mezcla de cantidades pequeñas de otros ingredientes cerámicos, se mejora en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de la alúmina, en comparación con su contraparte natural. La alúmina también tiene buena dureza en caliente, baja conductividad térmica y alta resistencia a la corrosión. Ésta es una combinación de propiedades que estimulan una variedad de aplicaciones, inclusive [12]: abrasivos (esmeriles de arena), biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes de aleación del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte (véase la sección 23.2.5), aislante de bujía y componentes de ingeniería (véase la figura 7.1). Carburos: Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC), titanio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr 3C2). El carburo de silicio ya se estudió. Aunque es un cerámico hecho por el hombre, los métodos para su producción se desarrollaron hace un siglo, y por ello generalmente se le incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales. Además de su empleo como abrasivo, otras aplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y aditivos para la fabricación de acero.
Se valora al WC, TiC y TaC, por su dureza y resistencia al desgaste en
herramientas de corte y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. El c a r b u r o d e t u n g s t e n o fue el primero que se creó (véase la nota histórica 7.2) y es el material más importante y de mayor uso de su grupo. El WC se produce en forma común por medio de carburar polvos de tungsteno que han sido reducidos a partir de minerales de tungsteno, tales como la wolframita (FeMnWO4) y la scheelita (CaWO4). El carburo d e titanio se produce con la carburación de los minerales rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3). Y el carburo de tantalio se hace carburando ya sea polvos de tantalio o pentóxido de tantalio (Ta 2O5) [10]. El c a r b u r o d e c r o m o es más apropiado para aplicaciones en las que son importantes la estabilidad química y la resistencia a la oxidación. El Cr 3C2 se prepara con la carburación del óxido de cromo (Cr 2O3) como componente inicial. En todas estas reacciones la fuente usual de carbono es el negro de humo. Nitruros: Las nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si 3N4), el de boro (BN) y el de titanio (TiN). Como grupo, las cerámicas de nitruros son duras y frágiles, y se funden a temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las de los carburos). Lo normal es que sean aislantes eléctricos el TiN es una excepción. El nitruro de silicio promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. El Si3N4 se oxida a alrededor de 1 200 oC (2 125 oF) y se descompone en cuanto a su química a los 1 900 oC (3 400 oF). Tiene baja expansión térmica, buena resistencia al choque y al agrietamiento térmicos, y resiste la corrosión de los metales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cerámico apto para aplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir. El n i t r u r o d e b o r o existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las for- mas importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito, y 2) cúbica, como el diamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta última estructura se conoce con los nombres de nitruro d e boro cúbico y borazon , que se simboliza como cBN, y se produce por medio de calentar BN hexagonal en condiciones de presión muy elevada. Debido a su dureza extrema, las aplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte (véase la sección 23.2.6) y los esmeriles (véase la sección 25.1.1). Es interesante que no compita con las herramientas de corte y esmeriles hechos de diamante. Éste es apropiado para maquinar y esmerilar lo que no sea acero, en tanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero. El nitruro d e titanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del gru- po, excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor. El TiN tiene dureza elevada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción con los metales ferrosos. Esta combinación de propiedades hace que el TiN sea un material ideal como recubrimiento de superficies de herramientas de corte. El
recubrimiento es de sólo alrededor de 0.006 mm (0.0003 in) de espesor, de modo que las cantidades de material que se utilizan para esta aplicación son bajas. Un material cerámico nuevo relacionado con el grupo del nitruro, y también con los óxidos, es el cerámico de oxinitruro llamado sialon . Consiste en los elementos silicio, alumi- nio, oxígeno y nitrógeno; y su nombre se deriva de ellos: Si-Al-O-N. Su composición quími- ca es variable, una común es Si 4 Al2O2N6. Las propiedades del sialon son similares a las del nitruro de silicio, pero resiste mejor que el Si3N4 la oxidación a temperaturas elevadas. Su aplicación principal es para herramientas de corte, pero sus propiedades lo hacen apropia- do para otras aplicaciones de alta temperatura que se desarrollen en el futuro. Microestructura de los materiales cerámicos: Vidrio: El término v i d r i o es algo confuso porque describe tanto un estado de la materia como un tipo de cerámico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura amorfa, no cristalina, de un material sólido. El estado vítreo ocurre en un material al que no se da tiempo suficiente para que al enfriarse a partir de la condición de fundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las tres categorías de los materiales de ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) pueden adoptar el estado vítreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras. Como un tipo de cerámico, el v i d r i o es un compuesto inorgánico, no metálico (o mezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sin cristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado vítreo. Éste es el material que se estudiará en esta sección, uno que se remonta a 4 500 años de antigüedad (véase la nota histórica 7.3). Química y propiedades del vidrio: El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es el s ílic e (SiO2), que se encuen- tra en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas sílicas. El cuarzo está presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuando se funde y luego se enfría, forma sílice vítreo. El vidrio de sílice tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, y por ello es muy resistente al choque térmico. Estas propiedades son ideales para aplicaciones de temperaturas elevadas; en consecuencia, el vidrio Pirex y otros para uso químico que están diseñados para calentarlos, se fabrican con proporciones elevadas de vidrio de sílice. A fin de reducir el punto de fusión del vidrio para hacer más fácil su procesamiento y controlar sus propiedades, la composición de la mayoría de vidrios comerciales incluye otros óxidos además de sílice. Éste permanece como el componente principal en esa clase de productos, por lo general entre el 50% y el 75% de los productos químicos totales. La razón de que en esos compuestos se utilice tanto el SiO2 es porque es el mejor f o r m a d o r d e v i d r i o . Se transforma de manera
natural en estado vítreo cuando se enfría desde el lí- quido, en tanto que la mayoría de los materiales cerámicos se cristalizan al solidificarse. En la tabla 7.4 se enlistan las composiciones químicas frecuentes de ciertos vidrios comunes. Los ingredientes adicionales están contenidos en una solución sólida con SiO 2, y cada uno tiene una función: 1) actuar como fundente (facilita la fundición) durante el calentamiento; 2) incrementar la fluidez del vidrio fundido para su procesamiento; 3) retardar la desv itri- ficación , es decir, la tendencia a cristalizar desde el estado vítreo; 4) reducir la expansión térmica del producto final; 5) mejorar la resistencia química contra el ataque de ácidos, sustancias básicas o agua; 6) agregar color al vidrio, y 7) alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas (por ejemplo, lentes). Productos de vidrio: A continuación se da una lista de las categorías principales de productos de vidrio. Al estudiarlos, se analiza el papel que juegan los distintos ingredientes mencionados en la tabla 7.4. Vidrio para ventanas En la tabla 7.4, este vidrio está representado por dos composiciones químicas: 1) vidrio de cal y sosa cáustica y 2) vidrio para ventanas. La fórmula de cal y sosa cáus- tica se remonta a la industria del soplado de vidrio del siglo XIX, y aun antes. Se fabricaba (incluso hoy) mezclando sosa (Na 2O) y cal (CaO) con sílice (SiO 2) como el ingrediente principal. La combinación de ingredientes que se agregan ha tenido una evolución empírica hasta lograr un balance entre evitar la cristalización durante el enfriamiento y lograr la estabilidad química del producto final. Durante esta evolución, el vidrio moderno para ventanas y las técnicas para fabricarlo han requerido pocos ajustes en cuanto a su compo- sición y control más estrecho. Se agrega magnesio (MgO) para que ayude a reducir la des- vitrificación. nvases En tiempos pasados, se usaba la misma composición de cal y sosa cáustica para el vidrio soplado en forma manual a fin de fabricar botellas y otros envases. Los procesos modernos para dar forma a los envases de vidrio, enfrían éste con más rapidez que los métodos antiguos. Asimismo, hoy día se entiende mejor la importancia de la estabilidad química de los envases de vidrio. Los cambios resultantes en la composición tratan de optimizar las proporciones de cal (CaO) y sosa (Na2O3). La cal facilita la fluidez. También incrementa la desvitrificación, pero como el enfriamiento es más rápido, este efecto no es tan importante como lo era para las técnicas de procesamiento anteriores, con tasas de enfriamiento más lentas. La reducción de la sosa disminuye la inestabilidad química y la solubilidad del vidrio del envase. Vidrio para focos El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidrio delgado (por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa y bajo de cal; también contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina. La química está dictada en mucho por la economía de los volúmenes grandes que
implica la manufactura de focos. Las materias primas no son caras en lo absoluto y sí apropiadas para los hornos de fundición continua que se utilizan en el presente. Vidrio de laboratorio Estos productos incluyen contenedores para productos químicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Este vidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado el vidrio con alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica. Para esta clase de vidrio se utiliza el nombre comercial de “Vycor”. Este producto es muy
insoluble en agua y ácidos. Al agregarle óxido bórico también produce un vidrio con coeficiente de expansión térmica bajo, por lo que algunos vidrios para laboratorio contienen alrededor de 13% de B 2O3. Para el vidrio de borosilicato creado por Corning Glass Works, se emplea el nombre comercial “Pyrex”. Tanto
Vycor como Pyrex están incluidos en la lista de ejemplos de esta categoría de productos. Fibras de vidrio Éstas se manufacturan para numerosas aplicaciones importantes, inclusive plásticos de fibra de vidrio reforzada, lana aislante y fibra óptica. Las com- posiciones varían de acuerdo con la función. Las fibras de vidrio que se usan más para reforzar plásticos son las de vidrio E. Tiene un contenido alto de CaO y Al 2O3, es económico y en forma de fibra posee buena resistencia a la tensión. Otro material de fibra de vidrio es el vidrio S, que tiene resistencia mayor pero no es tan económico como el vidrio E. En la tabla 7.4 se indican las composiciones. La lana aislante de fibra de vidrio se manufactura a partir de vidrios regulares de sosa- cal-sílice. El producto de vidrio para fibra óptica consiste en un núcleo largo y continuo de vidrio con índice de refracción elevado rodeado por una envoltura de vidrio de refracción baja. El vidrio interno debe tener una transmitancia muy alta para la luz a fin de realizar comunicaciones a larga distancia. Vidrios ópticos Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojos e instru- mentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Para llevar a cabo su función, los vidrios deben tener índices de refracción distintos, pero cada uno de ellos debe ser de composición homogénea. Los vidrios ópticos por lo general se dividen en vidrios al boro y al plomo. El vidrio al boro tiene un índice de refracción bajo, en tanto que el v i d r i o a l p l o m o contiene óxido de plomo (PbO) que le da un índice de refracción alto. Vidrios-cerámicos: Los vid rio s-c erám ico s son una clase de material cerámico que se produce por la conver- sión de vidrio en una estructura policristalina por medio de tratamiento de calor. La proporción de la fase cristalina en el producto final por lo común varía entre 90% y 98%, y el resto es material vítreo sin convertir. Por lo general, el tamaño del grano está entre 0.1 y 1.0 μm (4 y 40 μ -in), lo que es significativamente menor que el tamaño del grano de las cerámicas convencionales. Esta
microestructura fina hace que los vidrios-cerámicos sean mucho más fuertes que los vidrios de los que se derivan. Asimismo, debido a su estructura cristalina, los vidrios-cerámicos son opacos (por lo general grises o blancos), y no claros. La secuencia de procesamiento de los vidrios-cerámicos es la siguiente: 1) El primer paso incluye operaciones de calentamiento y formado que se emplean en el trabajo del vi- drio (véase la sección 12.2) para crear la forma que se desea para el producto. Los métodos para dar forma al vidrio por lo general son más económicos que el prensado y el sinteriza- do para dar forma a los cerámicos tradicionales y nuevos a partir de polvos. 2) El producto se enfría. 3) Se vuelve a calentar el vidrio a una temperatura suficiente para ocasionar que se forme en todo el material una red densa de núcleos de cristales. Es esta densidad alta de los sitios de nucleación lo que inhibe el crecimiento de granos de cristales individuales, lo que en última instancia conduce al tamaño fino del grano del material del vidrio-cerámico. La clave para que ocurra la propensión a formar núcleos es la presencia de cantidades peque- ñas de agentes nucleadores en la composición del vidrio. Los más comunes de éstos son el TiO 2, P2O5 y ZrO2. 4) Una vez iniciada la nucleación, continúa el tratamiento térmico a una temperatura mayor para producir el crecimiento de las fases cristalinas. En la tabla 7.5 se listan varios ejemplos de sistemas de vidrios-cerámicos y sus com- posiciones típicas. El de mayor importancia comercial es el sistema Li 2O Al2O3-SiO2; inclu- ye el Corning Ware (Pyroceram), producto de Corning Glass Works que resulta familiar. Las ventajas notables de los vidrio-cerámicos incluyen 1) la eficiencia de procesamiento en el estado vítreo, 2) control dimensional estrecho de la forma del producto final, y 3) buenas propiedades físicas y mecánicas. Éstas incluyen alta resistencia (mayor que la del vidrio), ausencia de porosidad, bajo coeficiente de expansión térmica y elevada resistencia al choque térmico. Estas propiedades dan como resultado aplicaciones para utensilios de cocina, intercambiadores de calor y misiles. Ciertos sistemas (por ejemplo, el de MgO- Al 2O3-SiO2) también se caracterizan por su resistencia eléctrica elevada, apropiada para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
