Cerámicos

1 Medi Medina na Coro Corona na Felip elipe e de Jesú Jesús s 1CV5

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Cerámicos Estructura química: Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas mezclas de de fases. Su abundancia en la naturaleza naturaleza y y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales metales los los convierte en materiales sumamente importantes. Se!n su estructura estructura,, los cerámicos pueden clasificarse en dos randes rupos rupos,, los cristalinos o cerámicos, y los no cristalinos o vidrios. vid rios. " su vez, los cristalinos cr istalinos pueden ser monocristalinos o policristalinos. #ver Cuadro 1$

Cuadro 1. %lasificaci&n de los cerámicos se!n su estructura. 'os que presentan estructura policristalina o no cristalina pueden a su vez ser monofásicos o polifásicos. 'as cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres rupos. 'as cerámicas de silicato, cuya unidad estructural fundamental es el Si(), incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales refractarios. 'os cerámicos de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les arean impurezas, como el "l)(*, +( y e(. 'as cerámicas sin óxidos, como el -nS, Si% y i% i%,, se utilizan como material para elementos calefactores de /orno, así como material abrasivo.


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Cuadro 2. %erámicas cristalinas. conjuntos irreulares irreulares y Estructura no cristalina. 'os átomos se acomodan en conjuntos aleatorios. 'os s&lidos no cristalinos con una composici&n comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. 'a mayor parte de los vidrios que se comercializan son silicatos.

Estructura Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes. %ristales cerámicos 0ay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: v El valor de de la cara el1ctrica de los iones componentes. v 'os tama2os relativos de los cationes y aniones. %on respecto a la primera, el cristal debe ser el1ctricamente neutro; es decir debe /aber iual n!mero de caras positivas # de los cationes$ que de caras neativas #de los aniones$. 'a f&rmula química química de de un compuesto indica la proporci&n que debe /aber entre cationes y aniones para que se mantena la neutralidad. El seundo aspecto comprende el tama2o de los radios i&nicos de los cationes y aniones 3% y 3" . Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son eneralmente menores que los aniones por lo tanto 3%43" es menor que uno. %ada cati&n de rodeará de tantos aniones vecinos más pr&5imos como le sea posible. 'os aniones tambi1n se rodearán del má5imo n!mero de cationes posibles como vecinos más pr&5imos. 'as estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el n!mero de aniones que rodean al cati&n central.


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Cuadro 2. %erámicas cristalinas. conjuntos irreulares irreulares y Estructura no cristalina. 'os átomos se acomodan en conjuntos aleatorios. 'os s&lidos no cristalinos con una composici&n comparable a la de las cerámicas cristalinas se denominan vidrios. 'a mayor parte de los vidrios que se comercializan son silicatos.

Estructura Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes. %ristales cerámicos 0ay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: v El valor de de la cara el1ctrica de los iones componentes. v 'os tama2os relativos de los cationes y aniones. %on respecto a la primera, el cristal debe ser el1ctricamente neutro; es decir debe /aber iual n!mero de caras positivas # de los cationes$ que de caras neativas #de los aniones$. 'a f&rmula química química de de un compuesto indica la proporci&n que debe /aber entre cationes y aniones para que se mantena la neutralidad. El seundo aspecto comprende el tama2o de los radios i&nicos de los cationes y aniones 3% y 3" . Puesto que los elementos proporcionan electrones al ser ionizados los cationes son eneralmente menores que los aniones por lo tanto 3%43" es menor que uno. %ada cati&n de rodeará de tantos aniones vecinos más pr&5imos como le sea posible. 'os aniones tambi1n se rodearán del má5imo n!mero de cationes posibles como vecinos más pr&5imos. 'as estructuras cristalinas se vuelven más estables mientras mayor sea el n!mero de aniones que rodean al cati&n central.


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%arbono El carbono carbono es es un elemento que e5iste en varias formas polim&rficas, así como en estado estado amorfo. amorfo. Este rupo rupo de de materiales no cae dentro de ninuna de las clases tradicionales en que se clasifican los materiales: metales, cerámicas y polímeros. Sin embaro /emos decidido nombrar estos materiales puesto que el rafito #una de las formas polim&rficas$ se clasifica a veces como una cerámica; y tambi1n porque la estructura cristalina del diamante #otro polimorfo$ es similar a la de la blenda # -nS$, un compuesto cerámico. 6iamante El diamante es un polimorfo metaestable de carbono a temperatura ambiente ambiente y y presi&n presi&n atmosf1rica. atmosf1rica. %ada átomo átomo de de carbono está unido con otros cuatro átomos de carbono mediante enlaces totalmente covalentes. Se caracteriza por ser e5tremadamente duro #el material más duro conocido$ y por su poca conductividad el1ctrica

7rafito El rafito es otro polimorfo del carbono cuya estructura cristalina está compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos /e5aonalmente: en cada capa cada átomo de carbono está unido a tres átomos coplanales por enlaces covalentes; el cuarto electr&n de enlace participa en enlaces de tipo fuerzas de van der 8aals entre las capas. %omo consecuencia de estos enlaces interplanares d1biles, la separaci&n interplanar es considerable y el deslizamiento entre planos fácil. Sus propiedades: "lta conductividad el1ctrica, alta resistencia y buena estabilidad química a temperaturas elevadas.

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Estructuras cerámicas de silicatos +uc/os materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y o5íenos enlazados entre sí en varias distribuciones. ambi1n un n!mero de formaciones naturales de tipo mineral tales como arcillas feldespatos y micas son silicatos; ya que el silicio y el o5íeno son los dos elementos más abundantes encontrados en la corteza terrestre. Se caracterizan por su bajo precio, disponibilidad y por sus propiedades especiales. 'as estructuras de silicato son particularmente importantes para materiales de construcci&n en ineniería: vidrios, cemento Portland, ladrillos y aislantes el1ctricos. 9mperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas 6efectos at&micos puntuales En los materiales cristalinos cerámicos los átomos e5isten como iones carados. Esto /ace que la estructura de defectos debe cumplir las condiciones de electroneutralidad . Por consiuiente los defectos en las cerámicas no ocurren de forma aislada. n tipo de defecto está formado por una vacante cati&nica y*un cati&n intersticial. Esto se denomina un defecto ren vacante ani&nica conocido como defecto Sc/ott

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9mpurezas en cerámicas 'os átomos de impurezas pueden formar soluciones s&lidas en los materiales cerámicos tanto intersticiales como sustitucionales En el caso de las intersticiales, los radios i&nicos de las impurezas deben ser peque2os en comparaci&n con los del ani&n. na impureza sustituirá al átomo disolvente que sea más similar en el comportamiento el1ctrico. Para que en el estado s&lido /aya una solubilidad apreciable de los átomos de impurezas sustitucionales, los tama2os i&nicos y la cara deben ser casi iuales a los de los inoes disolventes. Si una impureza tiene una cara distinta a la del i&n al cual sustituye red como los anteriormente descriptos. 6islocaciones En alunos materiales cerámicos incluyendo el lif, el zafiro #"l)(*$ y el +( se observan dislocaciones. Sin embaro estas no se mueven con facilidad debido a un vector de uruers rande a la presencia de relativamente pocos sistemas de deslizamientos y a la necesidad de romper enlaces i&nicos fuertes para despu1s obliar a los iones a deslizarse a los de cara opuesta. %omo consecuencia las rietas no se redondean por la deformaci&n del material que se encuentra en la punta de la rieta y su propaaci&n contin!a. Eso es lo que /ace de los cerámicos, materiales fráiles. 6efectos superficiales 'os límites de rano y las superficies de las partículas son defectos superficiales importantes en los cerámicos. n cerámico con rano de tama2o fino tiene mayor resistencia que uno de rano más rueso. 'os ranos más finos ayudan a reducir los esfuerzos que se desarrollan en sus bordes debido a la e5pansi&n y a la contracci&n anisotr&pica, ?ormalmente se produce un tama2o de rano fino utilizando desde el principio materias primas cerámicas de partículas más finas #en el caso de sinterizado$. 'as superficies de las partículas que representan planos de uniones covalentes o i&nicas rotas y no satisfec/as, son reactivas. 6istintas mol1culas pueden ser absorbidas en la superficie para reducir la enería superficial, alterando su composici&n, sus propiedades y su conformabilidad. Porosidad En un material cerámico los poros pueden estar interconectados o bien, cerrados. 'a porosidad aparente mide los poros interconectados y determina la permeabilidad #facilidad con la cual pasan ases y otros fluidos a trav1s del cerámico$. Se determina pesando el material cerámico seco #@6$ despu1s de


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vuelve a pesar cuando está suspendido en aua #@S$ y despu1s de que /a sido retirado el aua #@@$

'a porosidad real incluye tanto poros interconectados como cerrados

B es la densidad en masa y c es la densidad real del cerámico. Ejemplos de materiales cerámicos

Nitruro de silicio (Si3N4 $, utilizado como polvo abrasivo. Carburo de silicio (SiC $, empleado en /ornos de microondas, en abrasivos y como material refractario. Óxido de cinc (Zn$, semiconductor. !a"netita (#e34$, es utilizado en n!cleos de transformadores man1ticos y en n!cleos de memorias man1ticas. Esteatita, utilizada como un aislante el1ctrico. $adrillos, utilizados en construcci&n. PROPIEDADES

%ro&iedades el'ctricas de los cerámicos 'os materiales cerámicos se usan ampliamente en la industria el1ctrica y electr&nica. Principalmente como aislantes #diel1ctricos$ el1ctricos o en capacitores. (tra aplicaci&n difundida es derivada de las propiedades piezoel1ctricas de ciertos tipos de cerámicas. Propiedades de los componentes dieléctricos:


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'a uni&n i&nica y covalente en materiales cerámicos restrine la movilidad de los iones y de los electrones #los cales se comporten entre dos átomos o son cedidos de un átomo a otro$ y esto determina que estos materiales sean buenos aislantes el1ctricos E5isten * propiedades básicas de los componentes diel1ctricos. %onstante diel1ctrica 3uptura diel1ctrica actores de perdida Comportamiento dieléctrico:

Este tipo de material cerámico presenta una estructura bipolar #entidades de caras #A$ y #>$ a nivel at&mico o molecular separadas$ por lo en presencia de un campo el1ctrico estos se orientan y es posible usarlos en capacitores.

Constante diel'ctrica 'a constante diel'ctrica de un medio continuo es una propiedad macrosc&pica. El efecto de la constante diel1ctrica se manifiesta en la capacidad total de un condensador el1ctrico o capacitor. %uando entre los conductores carados o paredes que lo forman se inserta un material diel1ctrico diferente del aire la capacidad de almacenamiento de la cara del condensador aumenta. 6e /ec/o la relaci&n entre la capacidad inicial Ci y la final Cf vienen dada por la constante el1ctrica:

'a alta constante diel1ctrica de ciertos tipos de cerámicos permite la miniaturizaci&n de capacitores.

% B #E. < . "$ 4 d %: capacidad


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E: Permeabilidad en el vacío #ctte$ <: constante diel1ctrica d: distancia entre placas

'a tabla CD. muestra valores de constante diel1ctrica de alunos materiales aislantes cerámicos.

3eferencia: F Gacío


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F "ire

)i"ide* diel'ctrica Entendemos por riidez diel1ctrica el valor límite de la intensidad del campo el1ctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor #ruptura el1ctrica$. ambi1n podemos definirla como la má5ima tensi&n que puede soportar un aislante sin perforarse. " esta tensi&n se la denomina tensi&n de rotura. Si el diel1ctrico es sometido a una diferencia de voltaje suficientemente alta, el esfuerzo de los electrones y los iones en su intento por pasar a trav1s del diel1ctrico puede superar la riidez diel1ctrica ocasionando que el material empiece a fallar y finalmente se produzca el paso de electrones. 'a tabla CD. muestra valores de riidez diel1ctrica de alunos materiales aislantes cerámicos.

#actor de &'rdida Es una medida de la enería el1ctrica perdida #en forma de calor$ por un capacitor en un circuito de corriente alterna. 'a tabla CD. muestra valores de factor de p1rdida de alunos materiales aislantes cerámicos. Comportamiento piezoeléctrico:

Efecto electromecánico por el cual una fuerza mecánica en un material ferro el1ctrico produce una respuesta el1ctrica o fuerzas el1ctricas una respuesta mecánica. "lunos pocos materiales cerámicos como el titanato de bario los cuales son cerámicos denominados ferro el1ctricos que se caracterizan por ser cerámicos i&nicos cristalinos cuyas celdas unidad no poseen centro de simetría y por ende contienen peque2os momentos dipolares que en su sumatoria darán un momento dipolar total.


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En la fiura superior vemos un esquema ilustrativo de dipolos dentro de un material piezoel1ctrico. Geamos primero que si sometemos la pieza a esfuerzos compresivos se reducirá la distancia entre dipolos y por ende el momento bipolar total por unidad de volumen del material, lo cual modifica la densidad de cara en las caras de la muestra y así cambia la ddp.

En seundo luar veamos que si aplicamos un campo el1ctrico la densidad de cara en los e5tremos de la muestra cambia lo que implica variaci&n en las dimensiones de la muestra


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Semiconductores cerámicos:

+ediante soluciones s&lidas de &5idos metálicos sintetizados de +n, ?i, e, %o y %u con alta diferencia de resistividad se pueden crear semiconductores con una conductividad intermedia por combinaci&n de &5idos metálicos. EH: El compuesto cerámico manetita e*(I tiene una resistividad de CD>J (.m 'a mayoría de los &5idos metálicos de transici&n tienen una resistividad de CD K ( .m Si a la manetita e*(I de alta conductividad le aditamos cantidades crecientes de +%r)(I de alta resistividad loraremos reducir radualmente la conductividad de la soluci&n s&lida. "plicaciones: %ircuitos interados, transistores, microprocesadores


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%ro&iedades t'rmicas de los cerámicos En eneral la mayoría de los materiales cerámicos tiene baja conductividad t1rmica debido a sus fuertes enlaces i&nicos covalentes y son buenos aislantes t1rmicos. 'a fiura CD.IL compara conductividades t1rmicas de distintos materiales cerámicos en funci&n de la temperatura. 6ebido a la resistencia al calentamiento son usados como refractarios.


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Conductividad térmica:

'a conducci&n t1rmica es un fen&meno por el cual el calor se transporte de una rei&n de alta temperatura del material a otra de baja temperatura. 'a conductividad t1rmica caracteriza la capacidad de un material de transferir calor 'os materiales que no poseen electrones libres son aislantes t1rmicos y solo e5iste transporte de calor por vibraciones de la red. El vidrio y otras cerámicas amorfas tienen conductividades menores que las cerámicas cristalinas por su estructura at&mica altamente desordenada e irreular. Esfuerzos térmicos ó tensiones:

'as tensiones t1rmicas son tensiones inducidas en un cuerpo como resultado de %ambios en la emperatura. ensiones resultantes de la e5pansi&n y contracci&n t1rmicas confinadas.


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'o cual puede producir fracturas y arietamiento, lo cual se da por lo eneral en los procesos de secado. Choue térmico de un material frá!il:

El enfriamiento rápido de un material introduce en las tensiones superficiales de reacci&n, contribuyendo a la formaci&n de rietas y su propaaci&n a partir de defectos superficiales y pudiendo producir rotura. 'a capacidad de un material de soportar esta clase de falla se llama resistencia al c/oque t1rmico. Para un cuerpo cerámico que es rápidamente enfriado, la resistencia al c/oque t1rmico depende no solo de la manitud delcambio de la emperatura sino tambi1n de las propiedades mecánicas y t1rmicas del material. 'a resistencia al c/oque t1rmico es mejor para cerámicos que tienen alta resistencia a la fractura así como bajo modulo de elasticidad y bajo coeficiente de e5pansi&n t1rmica.

%orosidad 'os poros cumplen una funci&n importante, al permitir soportar s/oc
En eneral, los cerámicos tienen alto punto de fusi&n, debido a sus uniones i&nico M covalentes.

%ro&iedades mecánicas de los cerámicos %onsiderando a los cerámicos como una clase de material, podemos decir que estos son relativamente fráiles, en estos la resistencia a la tracci&n #o tensi&n$ que soportan los materiales cerámicos varía enormemente pero en nin!n caso soporta los C) +pa +ientras que la resistencia a la compresi&n es de J a CD veces superior. Por lo eneral los materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones i&nico M covalentes.

!ecanismos &ara la de+ormación en cerámicos Con enlaces covalentes entre capas de átomos: en esta situaci&n cuando el material es sometido a una tracci&n lo suficientemente alta se separan las uniones de pares de electrones sin que se vuelvan a formar lueo y se produce una fractura quebradiza.


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Es por eso que los cerámicos enlazados covalententemente son fráiles tano para estructuras monocristalinas como policristalinas.

Con enlace ,ónico Monocristalinos: muestran deformaci&n plástica bajo fuerzas compresoras a

temperatura ambiente. Ej.: o5ido de manesio y cloruro de sodio #sin embaro los cerámicos policristalinos son los mas usados en la industria$; en estos los deslizamientos se producen sobre las filas. de planos NCCDO donde los iones son de iual cara. Policristalinos: En reiones donde predominan los enlaces i&nicos, la rotura se

produce por repulsi&n de iones de iual cara al querer producir deslizamiento sobre la flia. de planos NCDDO.

"actores ue afectan la resistencia de los materiales cerámicos:

'a falla mecánica en materiales cerámicos se da principalmente por defectos estructurales. En cerámicos policristalinos las principales causa de fractura de deben a la presencia de rietas superficiales, poros, inclusiones y ranos de ran tama2o. En los poros se concentran randes esfuerzos y cuanto el esfuerzo alcance cierto valor crítico se formara una rieta y se propaara /asta que ocurre la fractura #considerando que la tenacidad de estos materiales es baja por lo que no se oponen a las propaaciones de fisuras$.


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#enacidad:

'os materiales cerámicos debido a su combinaci&n de enlaces i&nico M covalente tienen baja tenacidad. 'a tenacidad es la resistencia a la ruptura y a las deformaciones, y está representada por el área bajo la curva de tensi&n>deformaci&n. "l ser 1sta peque2a #por la falta de una etapa de deformaci&n plástica$, la enería que pueden absorber los cerámicos antes de la ruptura es poca.

'a tenacidad como área bajo la curva tensi&n> deformaci&n.


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" pesar de esto la tenacidad puede aumentarse mediante procesos como la presi&n en caliente de cerámicos con aditivos y reacciones a de alutinaci&n. $ureza:

'a ran dureza de los cerámicos se debe a sus fuertes enlaces covalentes y es una de sus principales características. " raz&n de esto suelen ser usados como abrasivos #ej. carburo de silicio, Si%$ para pulir otros materiales. %otura por fati!a en cerámicos:

%omo en los cerámicos /ay ausencia de plasticidad al ser sometidos a esfuerzos cíclicos, la fractura por fatia en materiales cerámicos es poco com!n. Pero e5isten ciertos casos comprobados como el de alumina policristalina que a temperatura ambiente despu1s de L.DDD compresiones cíclicas presento fisura por fatia.

Cerámicos tradicionales - cerámicos de in"eniera (tra clasificaci&n de los cerámicos los divide en cerámicos tradicionales y de ineniería.

Cerámicos tradicionales. 'os cerámicos tradicionales son silicoaluminados derivados de materias primas minerales. Se constituyen de tres componentes básicos: la arcilla #Si()"l)(*(0$, sílice o sile5 #Si(), arena$ y feldespato #Si"l()F o Si"l()?a$. 'a arcilla, a su vez, está compuesta principalmente por silicatos de aluminio /idratados con peque2as cantidades de otros &5idos. "ntes que el material endurezca por el fueo, las arcillas se pueden trabajar, y constituyen el cuerpo principal del material. Por su lado, el slice #Si(), sile5, arena o cuarzo$ funde a altas temperaturas y constituye el componente refractario de los cerámicos tradicionales. El +eldes&ato &otásico funde a baja temperatura, transformándose en vidrio, formando una fase líquida que une los componentes refractarios y facilita la sinterizaci&n. 'as a&licaciones estructurales de la arcilla, como los ladrillos para la construcci&n, las tuberías de desae, las tejas y las losetas para pisos, están fabricadas a partir de Qarcillas brutasQ o naturales, las cuales contienen los tres componentes básicos.

Cerámicos de in"eniera. 'as cerámicas t1cnicas o de ineniería son fabricados con compuestos sint1ticos puros o casi puros; principalmente &5idos, carburos, nitruros. "lunas de las más importantes cerámicas de ineniería son: al!mina #"l)(*$ en industrias microelectr&nicas, nitruro de silicio #Si*?I$ se


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usa para /erramientas de corte como el torno, carburo de silicio #Si%$ se utiliza como abrasivos y circonia #-r()$ combinados con alunos otros &5idos refractarios, para recubrimiento de las superaleaciones de los álabes de las turbinas.

%rocesamiento de cerámicos tradicionales 'as etapas básicas para el procesado de cerámicos son tres:

1. %re&aración del material 2. !oldeado #en seco o en /!medo$ 3. /ratamiento t'rmico por secado y 0orneado por calentamiento de la pieza de cerámica. Con+ormado &rocesamiento de materiales cerámicos 'os materiales cerámicos tiene dos propiedades que son determinantes de sus m1todos de conformado y procesado. Poseen un alto punto de fusi&n y casi nula deformaci&n t1rmica /asta a altas temperaturas. Estos factores /acen que la fusi&n de los cerámicos para conformarlos y trabajarlos como líquidos sea inviable. Es por ello que se le da forma al polvo o mezcla de polvo, aua y aditivos sin previa cocci&n y lueo se produce la lia cerámica por calentamiento. El esquema de la fiura muestra los distintos tipos de materiales cerámicos:


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'as materias primas de cada producto varían de acuerdo a las propiedades requeridas por la pieza terminada. En las cerámicas tradicionales, las que se emplean con mayor frecuencia son los barros o arcillas.

%roductos de la arcilla 'as arcillas contienen muc/as fases, pero la más importante es la arcilla mineral, como la caolinita, que le confiere la plasticidad. 'a cantidad y tipo de minerales en una arcilla varían considerablemente; sin embaro, las características comunes de todos los materiales arcillosos son una estructura lam inar y la capacidad de absorber aua en la superficie y entre esas placas. +uc/os de los procesos /oy en día se producen a partir de estas materias primas, las cuales primero son sometidas por una operaci&n de molienda para reducir su tama2o de partícula mediante un molino de bolas. El polvo obtenido tiene una buena plasticidad y su /umedad varía se!n el m1todo de conformado a usar, pero su resistencia es baja debido a que el conformado se /ace en verde. ambi1n se utilizan sílice y feldespatos #usados como fundentes$; estos !ltimos para formar una fase vítrea en las pastas, a fin de promover la vitrificaci&n y translucidez. 'a arcilla es un inrediente barato que se encuentra en abundancia y son fáciles de conformar se clasifica en &roductos estructurales de arcilla #ladrillos, baldosas, tuberías$ y las &orcelas #alfarería, sanitarios y vajillas$. 'a mezcla de los inredientes con aua es una práctica com!n. El aua /ace que la arcilla sea maleable, y en consecuencia, fácil de trabajar en ese estado lueo para retirar la /umedad es despu1s cocida a temperaturas elevadas y además conferirles buena resistencia mecánica. 'as arcillas son alumiosilicatos formadas por aluminia y sílice que contienen aua enlazada químicamente, 'os minerales de arcilla desempe2an un papel fundamental en las piezas cerámicas, estos cuando se a2ade aua, se /acen muy plásticos, #propiedad que se denomina /idroplasticidad$ las mol1culas de aua del liquido encajan entre las capas formando una película delada alrededor de las partículas de arcilla permiti1ndoles moverse libremente una respecto de las otras, lo cual resulta una mezcla de arcilla>aua

/'cnicas de con+ormado E5isten diversas t1cnicas, y la que se elija depende del material y de la forma, el tama2o y las propiedades que se deseen para el componente terminado. 'as principales clasificaciones de las t1cnicas de conformado son en seco y en /!medo.


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!oldeos en 0medo !oldeo en barbotina o colado. En un molde de escayola #yeso$ se vierte una mezcla de arcilla y aua llamada barbotina; el molde absorbe el aua de la pasta, que forma una capa delada en su cara interna. %uando el dep&sito de arcilla es lo suficientemente rueso como para formar las paredes del recipiente, se vacía el resto de la barbotina, manteniendo la pieza /!meda en el interior del molde /asta que se seque y contraia lo suficiente para poder e5traerla del mismo. 'as piezas pueden alcanzar un LR de /umedad, necesitando un secado &revio a la cocci&n. El molde se construye de forma que sea desmontable. %on este proceso se fabrican los sanitarios.

#i"ura 4. iempo que permanece la barbotina en el molde, se!n espesor de la pieza. %omo se ve en la Figura 4, el espesor es funci&n del tiempo en que se deja la barbotina en el molde de yeso. En la Figura 5 se observa el proceso para una pieza maciza (a y otra /ueca (b$.

#i"ura . Proceso de moldeo en barbotina para piezas macizas y /uecas.


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!oldeo &or &resión. Se utiliza una pasta líquida a presi&n para aumentar la velocidad de formaci&n de las piezas. ?o se utilizan moldes de escayola, ya que carecen de la resistencia y estabilidad necesarias a estas temperaturas y presiones. 'as piezas suelen salir con apro5imadamente R de /umedad, por lo que es fundamental el secado de las mismas previa a la cocci&n. +ediante este proceso no es posible la obtenci&n de piezas de ran tama2o debido a los alabeos que se producen en la pieza /!meda por acci&n de la ravedad. n ejemplo que utiliza esta t1cnica es la vajilla. Extrusión. na máquina de e5trusi&n fuerza una masa plástica bastante ríida a trav1s de una boquilla para formar una barra de sección constante que puede recortarse en tramos. 'a arcilla se comprime en el cilindro, por medio de un pist&n. 'os tubos, tejas, ladrillos y alunos aislantes el1ctricos se fabrican por e5trusi&n. !oldeos en seco %rensado en seco. %onsiste en compactar polvos secos o lieramente /!medos a una presi&n lo suficientemente alta como para formar un artículo relativamente denso y resistente que se pueda manejar. 'a pasta líquida se seca por atomi*ación. 'a mezcla se da forma a alta presi&n en una matriz de acero. En eneral se emplean dos tipos de &rensa, la /idráulica y la mecánica. Es importante que la pieza se prense, de manera que adquiera una densidad lo más /omo1nea posible, de lo contrario se corre el peliro de que se alabe o que se contraia irreularmente al cocerla. %uanto mejor fluya la mezcla durante el prensado, más fácil será conseuir una densidad uniforme. El &rensado &or ambos extremos confiere mayor /omoeneidad que la que se conseuiría si solo se actuara por arriba. %on la lubricación de las &aredes se acaba de perfeccionar la operaci&n. Este m1todo se usa con frecuencia para fabricar materiales refractarios, componentes cerámicos electr&nicos y alunas baldosas, las cuales actualmente se pueden fabricar con mayores tama2os.


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Acabado

'ueo del moldeo, se le da un acabado a la pieza, que, dependiendo de cada caso, constará de recorte y desbarbado, eliminaci&n de aletas, costuras y sobrantes #ya sea de forma automática o manual$, acabado superficial, acabado en seco #con papel de lija o cepillo$ o acabado en /!medo #con esponja o pincel suave$.

Secado - cocido na pieza cerámica que /a sido conformada /idroplásticamente o por moldeo en barbotina retiene muc/a porosidad, y su resistencia es insuficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas. "demás, puede contener a!n alo del líquido #aua, por ejemplo$ a2adido para ayudar a la operaci&n de conformado. Este líquido es eliminado en un proceso de secado; la densidad y la resistencia aumentan como resultado del tratamiento a alta temperatura o por el proceso de cocci&n. 'as t1cnicas de secado y cocci&n son críticas, ya que una contracci&n no uniforme durante estas operaciones puede oriinar tensiones que introduzcan muc/os defectos, como rietas o distorsiones, que /acen que la pieza se vuelva in!til.

Secado 6urante el secado, el control de la velocidad de eliminaci&n de aua es crítico. " medida que un cuerpo cerámico de arcilla se seca, tambi1n e5perimenta contracci&n. En las primeras etapas de secado, las partículas de arcilla están


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rodeadas por una película muy fina de aua. " medida que el secado proresa y se elimina aua, la distancia entre partículas disminuye, lo cual se pone de manifiesto en forma de una contracci&n. El secado en la parte interna de un cuerpo se realiza por difusi&n de mol1culas de aua /asta la superficie, donde ocurre la evaporaci&n. Si la velocidad de evaporaci&n es mayor que la velocidad de difusi&n, la superficie se secará, y por lo tanto se encoerá más rápidamente que en el interior, con una alta probabilidad de formaci&n de los defectos antes mencionados. 'a velocidad de evaporaci&n superficial debe ser, como má5imo, iual a la velocidad de difusi&n del aua, y puede ser controlada mediante la temperatura, /umedad y velocidad del flujo de aire. (tros factores tambi1n influyen en la contracci&n. no de ellos es el espesor del cuerpo; la contracci&n no uniforme y la formaci&n de defectos son más pronunciados en las piezas de ran espesor que en las deladas. El contenido de aua del cuerpo conformado tambi1n es crítico: cuanto mayor sea, mayor resultará la contracci&n, y por eso se busca mantenerlo tan bajo como sea posible. El tama2o de las partículas de arcilla tambi1n influye en la contracci&n: 1sta aumenta cuanto menor es el tama2o de partícula. Para minimizar este efecto, el tama2o de las partículas puede aumentarse, o bien se pueden adicionar materiales no plásticos con partículas relativamente randes.

Secado &or atomi*ación. na boquilla atomizadora en la parte superior de una ran cámara divide la pasta líquida en peque2ísimas otas que caen a trav1s de ases calentados, de forma que cuando llean al fondo de la cámara lo /acen en forma de peque2as esferas, a menudo /uecas. 6ic/as esferas son barridas por un rascador iratorio /acia un transportador.

Secado de cámara. 'a cerámica se coloca en una cámara y el ciclo se completa sin movimiento de la misma. nos ventiladores de poca velocidad impulsan el aire a trav1s de serpentines de vapor, que lueo llea a las piezas mediante aletas raduables.


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Secadores continuos. 'as piezas de cerámica avanzan sobre carretillas o bandas transportadoras, dispuestas en línea recta o en capas, y van siendo sometidas a una secuencia de condiciones definidas. Cocción. 'a cocci&n de los productos cerámicos es una de las etapas más importantes del proceso de fabricaci&n, ya que de ella dependen ran parte de las características del producto cerámico: resistencia mecánica, estabilidad dimensional, resistencia a los aentes químicos, facilidad de limpieza, resistencia al fueo, etc1tera. 'as variables fundamentales a considerar en la etapa de cocci&n son el ciclo t'rmico #temperatura>tiempo, ver iura K$, y la atmós+era del 0orno, que deben adaptarse a cada composici&n y tecnoloía de fabricaci&n, dependiendo del producto cerámico que se desee obtener.

#i"ura 5. %iclo t1rmico de cocci&n. 'a operaci&n de cocci&n consiste en someter a las piezas a un ciclo t'rmico, durante el cual tienen luar una serie de reacciones en la pieza que provocan cambios en su microestructura y les confieren las propiedades finales deseadas. " medida que la temperatura va aumentando, se van quemando los distintos materiales que componen la cerámica. Entre *DD y IDD D% se quema la materia oránica que es la que permite mantener la forma como fue moldeada. " los DD D% se queman los carbonatos produci1ndose la lia de la cerámica #co/esi&n$. " los KDD D% se produce la reacci&n entre las materias primas #arcilla, feldespato, etc.$. El quemado es /ec/o a una temperatura por debajo del punto de derretimiento de la cerámica. Siempre queda aluna porosidad, pero la real ventaja de este m1todo es que la /ornada puede ser producida de cualquier modo imainable, e incluso puede ser sinterizado. 'a temperatura má5ima de cocci&n depende del producto deseado; por ejemplo, para la porcelana, que necesita ser de ran calidad con poca


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porosidad, se eleva la temperatura a C*D D%. Para la loza sanitaria, que no precisa tanta calidad, se lleva a C)D D%.

Cocción rá&ida. 'a cocci&n rápida de las baldosas cerámicas, actualmente predominante, se realiza en /ornos monoestrato de rodillos, los que /an permitido reducir e5traordinariamente la duraci&n de los ciclos de cocci&n /asta tiempos inferiores a los ID minutos, debido a la mejora de los coeficientes de transmisi&n de calor de las piezas, y a la uniformidad y fle5ibilidad de los mismos. En los /ornos monoestrato, las piezas se mueven por encima de los rodillos, y el calor necesario para su cocci&n es aportado por quemadores as natural>aire, situados en las paredes del /orno. 'os mecanismos principales de transmisi&n de calor presentes durante este proceso son la convecci&n y la radiaci&n.

%rocesamiento - a&licación de cerámicos avan*ados 'os cerámicos estructurales avanzados están dise2ados para optimizar las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. " fin de alcanzar estas propiedades, se requiere, en comparaci&n con la cerámica tradicional, un control e5cepcional de la pureza, del procesamiento y de la microestructura. Se utilizan t1cnicas especiales para conformar estos materiales en productos !tiles

Com&resión isostática +uc/os de los cerámicos más avanzados empiezan en forma de polvo, se mezclan con un lubricante para mejorar su composici&n, y se prensan para darles forma, la cual, una vez comprimida, se sintetiza para que se desarrolle la micro estructura y propied eridas.

En alunos casos, particularmente en cerámicos avanzados, el conformado por compactaci&n de polvos se efect!a a altas temperaturas, mediante prensas calientes o por compresi&n isostática en caliente. En este proceso los polvos se llevan en recipientes metálicos o de vidrio; entonces se calientan y compactan simultáneamente en un recipiente de as inerte a presi&n. Esto permite utilizar menos lubricantes y disminuye la porosidad, manteniendo propiedades mecánicas deseables. 'a /umedad remante en la pieza y la porosidad son muy bajas, por lo que se pueden conformar piezas de mayor tama2os sin las complicaciones de alabeos que se obtendrían en el m1todo de moldeo en barbotina o colado. Ejemplos, piezas para motor , turbinas, refractarios porcelanatos y piezas relativamente randes y simples.

Sinteri*ado transformaci&n de un producto poroso en compacto


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En los casos que no se desea la vitrificaci&n en vez de ello se consiue la resistencia deseada mediante la difusi&n. 6urante el sinterizado, primero los iones se difunden a lo laro de los bordes y superficies de rano, /acia los puntos de contacto entre partículas, enerando puentes y cone5iones entre ranos individuales #fiura CI>*$.

na difusi&n adicional de los bordes de rano reduce los poros, incrementando la densidad y, al mismo tiempo, los poros se /acen más redondos. Partículas inicialmente más finas y temperaturas más altas aceleran la velocidad de reducci&n de poros. 9ncluso despu1s de laros tiempos de sinterizado todavía podría quedar porosidad en la pieza cerámica y la probabilidad de falla puede ser muy alta. Es posible arear aditivos a las materias primas para facilitar el desarrollo de una má5ima densidad. Sin embaro estos aditivos del sinterizado típicamente realizan lo anterior introduciendo una fase vitrea de bajo punto de fusi&n. "unque se consiue minimizar la porosidad, otras propiedades, como la resistencia a la temofluencia, se deterioran.

6nión &or reacción "lunos materiales cerámicos, como el Si*?I, se producen mediante uni&n por reacci&n. El silicio se conforma y a continuaci&n se le /ace reaccionar con nitr&eno para formar el nitruro. 'a uni&n por reacci&n, que se puede efectuar a temperaturas más bajas proporciona un mejor control dimensional, en comparaci&n con la compresi&n en caliente. Sin embaro, se obtienen densidades y propiedades mecánicas menores.

6nión - ensamble de &ie*as cerámicas


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%uando dos componentes cerámicos se ponen en contacto bajo cara, en la superficie fráil se crean concentraciones de esfuerzos, lo cual provoca una mayor probabilidad de falla. "demás, los m1todos para unir piezas cerámicas son limitados. 'os cerámicos fráiles no se pueden unir por procesos de soldadura por fusi&n o de uni&n por deformaci&n. " bajas temperaturas, se pueden conseuir uniones ad/esivas utilizando materiales polim1ricos; a temperaturas superiores se pueden utilizar cementos cerámicos. 'a uni&n por difusi&n se utiliza para unir cerámicos entre sí con metales.

)e+ractarios 'os materiales refractarios deben soportar alta temperatura sin corroerse o debilitarse por el entorno y cuenta además con la capacidad de producir aislamiento t1rmico 'os refractarios se dividen en tres rupos, ácido, básico y neutro, con base en su comportamiento químico

)e+ractarios ácidos 'os refractarios ácidos comunes incluyen las arcillas de sílice, de al!mina y refractarios de arcilla %uando al sílice se le area una peque2a cantidad de al!mina, el refractario contiene un microconstituyente eut1ctico con punto de fusi&n muy bajo y no es adecuado para aplicaciones refractarias por encima de los CDDT%, temperatura que frecuentemente se requiere para fabricar aceros.


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Sin embaro, cuando se le arean mayores cantidades de al!mina, la microestructura adquiere una alta temperatura de fusi&n. Estos refractarios de arcilla por lo eneral son relativamente d1biles, pero poco costosos.

)e+ractarios básicos Garios refractarios se basan en el +( #manesia$. El +( puro tiene un punto de fusi&n alto, buena refractariedad y buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricaci&n de acero. 'os refractario básicos son más costosos que los refractarios ácidos. )e+ractarios neutros Estos refractarios pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que una ataque al otro. )e+ractarios es&eciales El carbono, o rafito, es utilizado en muc/as aplicaciones refractarias, particularmente cuando no /ay o5íeno fácilmente disponible. (tros materiales refractarios incluyen diversidad de nitruros, carburos y boruros. 'a mayor parte de los carburos, el i% y el -r% no resisten bien la o5idaci&n y sus aplicaciones a alta temperatura son más adecuadas para situaciones de reducci&n. Sin embaro, el carburo de silicio es una e5cepci&n; cuando se o5ida el Si% a alta temperatura, se forma en la superficie una capa delada de SiD), protei1ndolos contra o5idaci&n adicional /asta apro5imadamente los CJDDT%. 'os nitruros y los boruros tambi1n tienen temperaturas de fusi&n altas y son menos susceptibles a la o5idaci&n. "lunos de los &5idos y los nitruros son candidatos para uso en turborreactores.

Cementos "demás de su uso en la producci&n de materiales para la construcci&n, en aparatos dom1sticos, en materiales estructurales y refractarios, los materiales


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cerámicos encuentran toda una infinidad de aplicaciones, incluyendo las siuientes. En un proceso conocido como cementaci&n, las materias primas cerámicas se unen utilizando un alutinante que no requiere /orneado o sinterizado. na reacci&n química convierte una resina líquida en un s&lido que une las partículas. Se clasifican como cementos inoránicos a varios materiales cerámicos familiares: %emento, yeso y caliza, los cuales al mezclares con aua forman una pasta que al frauar endurecen 'a reacci&n de cementaci&n más com!n e importante ocurre en el cemento Portland, utilizado para producir el concreto cuyas propiedades incluidas el tiempo de frauado y la resistencia final depende en ran medida de su composici&n. 'as reacciones /idrostáticas empiezan justo cuando se a2ade aua. Primero se pone de manifiesto como frauado #aumento de la riidez de la pasta$. El endurecimiento de la pasta tiene luar como resultado de la /idrataci&n, un proceso relativamente lento que puede continuar por varios a2os. El cemento no se endurece por secado, sino por /idrataci&n, en cuyo proceso participa una reacci&n de enlaces químicos.

7brasivos Son utilizados para desastar, desbastar o cortar a otros materiales, los cuales son necesariamente más blandos. Por consiuiente, la principal característica de este rupo de materiales es su dureza o resistencia al desaste y alto rado de tenacidad para que las partículas abrasivas no se fracturen fácilmente. 'as cerámicas abrasivas más comunes son el carburo de silicio, el carburo de tunsteno, el o5ido de aluminio y la arena de sílice.


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VIDRIOS

Es un material s&lido de estructura amorfa, que se obtiene por enfriamiento rápido de una m asa fundida lo cual impide su cristalizaci&n. 6e aquí sure otra definici&n que dice que el vidrio es un líquido sobreenfriado. Esto quiere decir, de altísima viscosidad a temperatura ambiente, por lo que parece un s&lido. %uando se encuentra a CIJDU% es un líquido de baja viscosidad. " esa temperatura su temperatura su viscosidad es parecida a la de la miel. " temperatura ambiente el vidrio se comporta estructuralmente como un líquido conelado, dic/o de otra forma es un líquido que se enfría tan rápidamente que es imposible que se formen cristales. %uando el vidrio se enfría lentamente se forman cristales de vidrio, fen&meno que se conoce como desvitrificaci&n. 'os artículos /ec/os con vidrio desvitrificado tienen poca resistencia física. 'os vidrios más comunes #comerciales$ están compuestos en un DR por Si(), CJR de ?a)(, C)R de %a(. V un *R de diversos &5idos #de aluminio, manesio, etc$.

ES/)6C/6)7 'a mayoría de los vidrios de uso comercial están basados en el o5ido de silicio, #Si()$, como formador de vidrio, donde la subunidad fundamental es el tetraedro Si(I, en donde un átomo de silicio se encuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de o5ieno. Pueden tener alunos iones modificadores adicionales que son &5idos como el %a(, ?a)( que proporcionan cationes y o5íenos no enlazantes, la presencia de estos modificadores disminuye la viscosidad del vidrio a altas temperaturas /aciendo que este sea más fácil de moldear.


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%uando solo está presente la sílice #Si()$ el vidrio es muy ríido /aci1ndolo !t il para aplicaciones en que se requiere una peque2a e5pansi&n t1rmica, pero por esta raz&n es muy viscoso y difícil de moldear en estado liquido lo que limita su uso.

C>etraedro de silicio rodeado de cuatro átomos de o5íeno. En un cristal como el de la fiura )#a$ los átomos siuen un patr&n estricto de orientaci&n que se repite n veces, siempre de la misma manera. En un vidrio, los enlaces Si>(>Si no tienen una orientaci&n determinada #fiura ) #b$$; la distancia de separaci&n entre los átomos de Si y ( no es /omo1nea, las unidades tetra1dricas no se repiten con reularidad y el compuesto está desordenado.

iura ). 3epresentaci&n ráfica de las diferencias estructurales entre un cristal #a$ y un vidrio #b$.

%)%,E878ES 'os vidrios no solidifican iual que los materiales cristalinos, este se /ace cada vez más viscoso a medida que la temperatura disminuye aunque no e5iste una temperatura definida en la cual solidifique. %on el estudio de relaci&n entre la temperatura y el volumen específico podemos diferenciar un s&lido cristalino de uno no cristalino. En los materiales cristalinos /ay una disminuci&n discontinua del volumen a temperatura constante


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en cambio en los materiales vítreos el volumen disminuye continuamente con la disminuci&n de la temperatura. Se observa un peque2o cambio en la pendiente a una temperatura llamada temperatura de transici&n vítrea, por debajo de esta temperatura el material es un vidrio y por encima es un liquido subenfriado y lueo un liquido

97 * CARACERISICAS FISICAS

)esistencia mecánica El vidrio tiene propiedades mecánicas que lo asemejan, por así decirlo, a los s&lidos cristalinos. ?o es, por lo tanto, d!ctil ni maleable. ?o sufre de formaci&n permanente por acci&n de un esfuerzo, sino que alcanzado el límite de resistencia se produce su fractura. 'a rotura se produce siempre por un esfuerzo de tracci&n, no por compresi&n. En líneas enerales podemos decir que la resistencia intrínseca del vidrio es sumamente elevada, comparable a la del acero.

)esistencia t'rmica Wsta es una propiedad importante que se pretende en la mayoría de los vidrios, particularmente en aquellos que, como ocurre en muc/os productos alimenticios y medicinales, deban soportar en su utilizaci&n cambios de temperatura relativamente bruscos, en especial, en los procesos de lavado, llenado en caliente, pasteurizado, esterilizaci&n, uso con comidas, etc. 3especto de esta resistencia, debemos se2alar que la rotura no se produce por el cambio de temperatura en sí, sino por el esfuerzo mecánico de tracci&n provocado por el salto t1rmico. Wste no es más que un medio para Producir esfuerzos de


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tracci&n debido a las contracciones desiuales producidas por el enfriamiento más o menos brusco del ensayo.

/ECN,C7S 8E %)CES7!,EN/ So&lado 9 so&lado En la operaci&n de soplado por boca, una varilla de /ierro /ueca o Qca2aQ es sumerida en un crisol que contiene el vidrio fundido, para recoer una porci&n en la punta por rotaci&n de la ca2a. El vidrio tomado, es enfriado a cerca de CDDDT% y rotado contra una pieza de /ierro para /acer una preforma. 'a preforma es entonces manipulada para permitir su estiramiento, nuevamente calentada y soplada para que tome una forma semejante a la del artículo que se quiere formar, siendo lueo colocada en el interior de un molde de /ierro o madera y soplada para darle su forma final. Se lo utiliza eneralmente para el conformado de botellas.

%rensado9 so&lado n vástao es utilizado para dar forma a la superficie interior del artículo, al empujar el vidrio contra el molde e5terior. El prensado puede ser /ec/o tanto con la ayuda de un operador, como en forma completamente automática. 'ueo se realiza un soplado para obtener la forma final.


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%or +lotación En este proceso el vidrio es mantenido en una atm&sfera químicamente controlada a una temperatura suficientemente alta #CDDD U%$ y por un tiempo suficientemente laro como para que el vidrio fundido quede libre de irreularidades y su superficie lleue a ser plana y paralela. En esta condici&n, el vidrio es vertido sobre una superficie de esta2o fundido, que al ser perfectamente plana permite obtener tambi1n un producto de estas características. 'a lámina es enfriada mientras a!n avanza a lo laro del esta2o fundido, /asta que la superficie alcanza una consistencia suficientemente como para ser transportada sobre una cinta sin que el vidrio quede marcado #apro5imadamente DDU%$. 'a lámina entonces pasa a trav1s de un /orno t!nel de recocido, mientras es transportada camino a su almacenaje, donde computadoras determinarán el corte de la lámina para satisfacer las ordenes de los clientes. Su aplicaci&n más importante es para el conformado de ventanas.

%or estirado Se utiliza para formar piezas laras, se consiuen vidrios planos de espesor uniforme y superficies planas. Se trata de e5traer verticalmente, a partir de un ba2o fundido de vidrio contenido en un /orno de balsa, obteniendo láminas, barras, tubos y fibras. Por estirado para formar fibras de vidrio: El vidrio fundido está contenido en una cámara calentada con resistencias de platino. 'a fibra se forma /aciendo pasar el vidrio fundido a trav1s de peque2os orificios en la base de la cámara.

Cerámicos

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