Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales Departamento de Metalúrgica Física Procesamiento de materiales cerámicos
Densificación o Sinterizado Proyecto de cerámica.
Integrantes: Carlos Solis V-15.609.809 Richard Rodríguez V-11.035.543
Caracas 09 agosto de 2012
Resumen
Los cermets y metales duros del tipo (Ti,W)C constituyen la base de los materiales para herramientas de corte. El mayor esfuerzo en el campo de las herramientas de corte esta dirigido a incrementar la vida útil de los insertos. Uno de los avances tecnológicos más importantes para incrementar la dureza superficial de los insertos fue el desarrollo de técnica técnicas s de deposi deposició ción. n. La primer primera a genera generació ción n de recubr recubrimie imiento ntos s fueron las capas de TiN ó TiC, la segunda una combinación de capas como como Ti(C Ti(C,N ,N), ), Zr(C Zr(C,N ,N)) y Al2O Al2O3 3 y la últi última ma inno innova vació ción n fuer fueron on las “multicapas” de hasta 60 monocapas. El método básico convencional de fabricación de herramientas de corte incluye dos etapas: la primera es el sinteri sinterizad zado o del compac compacto to hasta hasta temper temperatu aturas ras de fase fase líquida líquida (>1400°C) y la segunda etapa es realizar un recubrimiento de TiN, TiC o multic multicapa apas s TiN/Ti TiN/TiCN CN/TiC /TiC por medio medio de un proces proceso o de deposi deposició ción n quím química ica en fase fase vapo vaporr (CVD (CVD)) o física física en fase fase vapo vaporr (PVD (PVD). ). Así Así se obtienen las propiedades finales deseadas de un inserto: un cuerpo dúct dúctil il y tena tenaz z y una una supe superf rfici icie e de baja baja rugo rugosi sida dad, d, con con esta estabil bilida idad d quím química ica a alta alta temp temper erat atur ura a y de elev elevad ada a dure dureza za.. Otra Otras s técn técnica icas s aplica aplicadas das son basada basadas s en tecnica tecnica de fusión fusión,, deposi deposició ción, n, proces procesos os infiltracion donde un liquido reaccionario penetra un cuerpo poroso; metal-gas similar al método anterior pero en forma de gas. El cuidado en la aplicación de la técnica, y preparación de muestras y materiales cerámicos han permitido grandes avances en materia de ingeniería, eléctrica, térmica, mecánica, biomedicina, telecomunicaciones, etc.
Introducción
Debido a su alto punto de fusión, dureza y fragilidad, los componentes cerámicos no pueden ser fabricados por los procesos que se usan para los metales y polímeros. La sinterizacion es una etapa del proceso de manufactura de materiales cerámicos. Si un ordenamiento de partículas con una composición en equilibrio de una sola fase es sometido a una temperatura lo suficientemente alta para que los mecanismos de transporte de masa lleguen a ser operativos, las áreas de las interfases sólido-vapor comienzan a decrecer y a formarse simultáneamente interfases sólido-sólido. A este proceso se le define como sinterización. La fuerza conductora básica para que este proceso tenga lugar es el resultado de la reducción de la energía libre del sistema. Un compacto ideal formado por partículas de una sola fase cristalina se somete a temperaturas suficientemente elevadas para que varios mecanismos de transporte de masas tengan lugar, después de un tiempo suficientemente grande el compuesto es caracterizado por una red sólida y una fase de poros interconectados. Conforme va progresando la sinterización, la fase porosa llega a ser discontinua y, eventualmente, eliminada. En este punto toda el área interfacial sólido-vapor ha sido eliminada y el compacto ha alcanzado su correspondiente densidad teórica. Debido a que los poros pueden ser aislados en el interior de los granos como consecuencia de la movilidad de los bordes de grano. Aunque la energía libre no ha alcanzado su valor mínimo en tales sistemas, el cambio de energía libre con el tiempo llega a ser tan pequeño que en la práctica se puede suponer que el proceso de sinterización ha finalizado. El objetivo de este trabajo tiene como finalidad el estudio teórico de las etapas del sinterizado, mecanismos de sinterización, sinterización en estado sólido, en estado liquido, además de otros procesos de densificación, tale como: proceso de fusión, proceso al vapor, infiltración, reacción metal-gas.
Desarrollo
El proceso de sinterización engloba los siguientes hechos o fenómenos, de forma explícita o implícita: (a).- Necesidad de energía térmica (temperatura) para que el sistema evolucione (activación térmica). (b).- Se produce un aumento de la cohesión por formación de puentes o cuellos entre las partículas, que llegan a"soldarse" en estado sólido unas a otras (solid-state sintering o diffusion bonding), como puede apreciarse en la figura
(c).- Se opera un proceso de densificación que elimina progresivamente la porosidad inicial. (d).- Las partículas individuales que integran, inicialmente el sistema, pueden ser de la misma ó diferente naturaleza. (e).- La sinterización, para llevarse a cabo, no necesita del concurso de una presión externa aplicada, pero, eventualmente, con objeto de acelerar el proceso, pudiera hacerse use de ella (pressure sintering). (f).- Aunque el vocablo sinterización implica que, al menos, exista una fase sólida, durante el tratamiento térmico, es posible (y muchas veces deseable ó necesario) la presencia de una fase liquida, de modo transitorio (liquido reactivo) ó permanente (liquido de equilibrio) durante el proceso. (g).- Al final de la sinterización, el sistema no tiene porque haber alcanzado el estado de energía libre mínima pero, indefectiblemente, se encuentra mas cerca que al principio. Los cambios que tienen lugar durante el proceso de sinterización son:
(1).- Reducción de la energía interna del sistema de partículas inicial. Este tiende hacia un estado de equilibrio que le confiere una estabilidad de forma y dimensiones. (2).- Disminución de un modo importante de la porosidad inicial (cambios en la forma, tamaño y distribución de los poros) (Figura ). (3).- Crecimiento de grano (cristal), con posibles recristalizaciones (cambios en el tamaño y la forma de los granos (cristales)). (4).- Cristalización o vitrificación parcial. (5).- Difusión en estado sólido, líquido o gaseoso. (6).- Cambios de fase. (7).- Variación de las propiedades físicas (resistencia mecánica, conductividad térmica, traslucencia, etc) Etapas de la sinterización.
Cuando dos o más partículas sólidas de un material capaz de sinterizarse se ponen en contacto y son sometidas a un ciclo de cocción determinado, el comportamiento de estas se puede esquematizar en tres etapas idealizadas: Inicial o formación de cuellos (Necking stage), intermedia (Densificación y crecimiento de granos) y final (Formación de porosidad cerrada). En la tabla 2.1 se dan los cambios microestructurales que se presentan en las etapas inicial, intermedia y final de la sinterización en el estado sólido y en la figura puede verse, de forma esquemática, el avance del fenómeno de la sinterización. Cambios microestructurales presentes en las diferentes etapas de la sinterización. (i).- Primera etapa o inicial - Reordenamiento - Formación de cuellos o puentes (necking stage) entre partículas y su crecimiento. - Se presentan enlaces en los contactos entre las partículas. Relación (X/D) < 0.3 - Formación de los límites de grano - Suavizado de la superficie de las partículas - Redondeo de los poros abiertos interconectados - Difusión de dopantes segregados - Disminución de la porosidad (< 12 %) (ii).- Segunda etapa o intermedia (Cubre la mayor parte del proceso de sinterización) - Se produce una contracción de los poros abiertos por intersección con los límites de grano. - Crecimiento de cuellos - Crecimiento lento de granos. Alta contracción (Densificación). La porosidad decrece significativamente. - Los poros van siendo esféricos y aislados - Fase continua de poros.
(iii).- Tercera etapa o final Final (1) - La densidad es, aproximadamente, del 92 % de la teórica (> 85 % en materiales heterogéneos) - Intenso crecimiento de granos. - Fase discontinua de poros (Formación de porosidad cerrada). Se forma poros aislados e interceptan los límites de grano - Se produce una contracción de los poros a un tamaño limitado o incluso desaparecen - Eliminación de poros en las juntas de grano - Los poros mayores que los granos contraen relativamente lento - En general, hay movilidad de poros y borde de grano. Final (2) - Aparecen rápidamente granos mucho mayores - Contracción lenta de los poros que se encuentran en el interior de los granos grandes.
.- Esquema de las etapas en la sinterización .
(a).- Polvo de partida. Esferas tangentes (b).- Etapa inicial, Cerca del final de esta etapa las esferas comienzan a coalescer (c).- Etapa intermedia. Los granos adoptan la forma de un tetracaidecaedron, encerrando canales de poros en los bordes de grano (d).- Etapa final. Los poros son inclusiones tetraédricas en los vértices donde se encuentran cuatro tetracaidecaedros. (i).- Primera etapa. Formación de cuellos (necking stage) Esta etapa inicial tiene lugar, cuando las partículas comienzan a unirse entre si, mediante la formación de cuellos (Figura ) En este estado de la sinterización no tiene lugar un crecimiento apreciable de los granos y la contracción macroscópica de la muestra es prácticamente inapreciable. Es posible, sin embargo, seguir la sinterización en este estado, mediante la evolución de la superficie específica de la muestra que disminuye mientras la sinterización avanza. Figura.- Formación de cuellos a partir de dos partículas esféricas. Cambios que ocurren durante la etapa inicial de la sinterización: (a).- Partículas de partida (b).-Reordenamiento (c).- Formación de cuellos Los radios de los cuellos, crecen en el estado inicial variando de cero a 0.2-0.3 del radio de las partículas. Además, hay una menor rugosidad de las superficies. Durante este estado la densidad relativa se incrementa del 60 al 65 %, esto es que hay una reducción lenta de la porosidad. (ii).- Segunda etapa. Densificación y crecimiento de los granos. Paso a paso con el avance de la sinterización, se observa un crecimiento de los granos de material, perdiendo estos su identidad.
Los cuellos se engrosan creando una estructura tridimensional, en la que las partículas tienden a redondear los espacios vacíos, formando una textura porosa. Los poros en este estado tienden a formar una estructura continua y abierta. Con el avance de la sinterización se puede alcanzar una densidad de material del 80 % a 90 % de la densidad teórica. A partir de este momento se inicia la formación de poros cerrados, que conduce al estado final de la sinterización. El efecto macroscópico más característico en esta etapa de la sinterización, es una marcada contracción de la muestra, que alcanza casi el valor final de todo el proceso. Paralelamente al aumento de la contracción, tiene lugar una reducción intensa de la porosidad abierta y consecuentemente un aumento de la densidad aparente del material Cambios que ocurren durante la segunda etapa de la sinterización: (a).- Crecimiento de los cuellos y contracción de volumen (b).- Alargamiento de los bordes de grano (c).- Continua el crecimiento de los cuellos, el alargamiento de los bordes de grano y la contracción de volumen y hay un crecimiento de grano. Este estado intermedio se caracteriza por la presencia de canales de poros continuos, coincidentes con las confluencias de tres partículas. (iii).- Tercera etapa. Formación de porosidad cerrada. En esta etapa de la sinterización, los poros tienden a conseguir la forma esférica, perdiendo su textura continua y se aíslan en la masa de la pieza. La velocidad de sinterización disminuye y el aumento de la contracción de la pieza es mucho menos marcado que en la etapa anterior, hasta el punto de resultar difícil determinar con exactitud cuando ha finalizado el proceso de sinterización. Esta etapa final de la sinterización implica la eliminación de la porosidad final, que desaparece por la difusión de vacantes a lo largo de las fronteras de grano. Por lo tanto, los poros deben permanecer cerca de las fronteras de grano. La eliminación de los poros y la difusión de vacantes se favorece por el movimiento de las fronteras de grano y el crecimiento controlado de grano. Sin embargo, si el crecimiento de grano es demasiado rápido, las fronteras de grano pueden moverse más rápido que los poros y , por tanto, dejarlos aislados dentro de un grano. Como el grano sigue creciendo, el poro cada vez está más lejos del borde de grano y disminuye la posibilidad de su eliminación. Por lo tanto, el crecimiento de grano debe ser controlado para alcanzar la máxima eliminaión de porosidad. Las fronteras curvas de los granos se mueven de tal modo que posean un radio de curvatura más grande, es decir, se enderezan. Esto sólo puede lograrse por el crecimiento de los granos. Los granos más pequeños tienen un radio de curvatura más pequeño y, por tanto, más energía motriz para moverse, cambiar de forma, y hasta ser consumido por los granos más grandes. Los cambios físicos que
ocurren durante la etapa final de la sinterizacion. La distribución final de granos y poros se denomina microestructura. .- Cambios que ocurren durante la etapa final de la sinterización: (a).- Crecimiento de los granos y porosidad discontinua (b).- Continúa el crecimiento de grano y se reduce la porosidad (c).- Continua el crecimiento de grano y se elimina la porosidad Los canales de poros se rompen, formándose poros aislados. Esto comúnmente ocurre cuando la densidad de la muestra se ha incrementado hasta 92 % de la densidad teórica del material. Los poros individuales son o de forma lenticular, si se sitúan sobre los bordes de grano, o redondeados, si se distribuyen dentro de un grano. Una característica importante de este estado es el aumento en las movilidades de los poros y de los bordes de grano, que tiene que ser controlado si se quiere alcanzar la densidad teórica. Sinterización en presencia de fase-líquida (LPS).
La sinterización en presencia de fase líquida (Liquid-phase sintering, LPS) es una técnica importante para la obtención de componentes cerámicos densos a partir de piezas en verde de polvos compactados. En muchos sistemas cerámicos la formación de una fase líquida se usa, comúnmente, para ayudar a la sinterización y a la evolución microestructural. La cantidad de fase liquida oscila entre el 1 y el 20 % y se forma al calentar la mezcla de polvos cerámicos. Varios sistemas cerámicos técnicamente importantes utilizan para su fabricación la sinterización en presencia de fase liquida, entre ellos se pueden citar: sustratos de alúmina, juntas mecánicas, varistores de óxido de cinc, enchufes y clavija de la luz de carburo de silicio, piezas estructurales de nitruro de silicio, condensadores de titanato de bario, componentes piezoeléctricos de plomo-lantano-circonato-titanato (PLZT) y materiales compuestos. El propósito de la sinterización en presencia de fase líquida es: 1.- Aumentar la velocidad de densificación. 2.- Acelerar el crecimiento de grano. 3.- Producir propiedades específicas de los límites de grano. Hay tres requisitos generales para la sinterización en presencia de fase liquida: 1.- Debe de estar presente una fase liquida a la temperatura de sinterización. 2.- La fase liquida debe mojar adecuadamente al sólido, es decir el ángulo de contacto ha de ser pequeño. 3.- La solubilidad del sólido en la fase liquida debe ser apreciable. La tensión superficial de la fase líquida que se forma es un factor importante para determinar la velocidad de sinterización. La distribución de la fase líquida y las fases sólidas resultantes de la
solidificación producida después del enfriamiento es crítica para lograr las propiedades requeridas del material sinterizado. Usualmente, la cantidad de fase líquida formada durante la sinterización es pequeña, típicamente, menor de unos pocos tantos por ciento en volumen. La sinterización en presencia de fase líquida es particularmente efectiva para cerámicas tales como Si3N4 y SiC, las cuales poseen un alto grado de enlace covalente y, por tanto, resulta complicado densificarlas por sinterización en estado sólido. El proceso también es importante cuando el uso de la sinterización en estado sólido es demasiado caro o se requieren altas temperaturas de fabricación. Las dos principales ventajas de la sinterización en presencia de fase liquida son: 1.- Mejora de la cinética de la sinterización. 2.- Propiedades a medida. Una desventaja de este tipo de sinterización es que la fase líquida usada para promover la densificación, comúnmente, permanece como fase vítrea intergranular que puede degradar las propiedades mecánicas a altas temperaturas tales como la resistencia a la fluencia y a la fatiga. Otra desventaja es que las cerámicas densificadas por sinterización en presencia de fase liquida son susceptibles de que su forma se distorsione y puede ser complicado controlar los parámetros de sinterización debido a las complicaciones adicionales que supone la presencia de la fase liquida (por ejemplo, la disolución y cristalización dependientes de la temperatura). Algunos ejemplos de sistemas cerámicos con sinterización en presencia de fase líquida y sus aplicaciones se dan en la tabla 1.1.
En contraste con los sistemas metálicos, los sistemas cerámicos se caracterizan por la presencia de una fase viscosa en el límite de grano, una solubilidad mutua limitada, reacciones lentas entre los constituyentes y propiedades anisotrópicas del material. La sinterización en presencia de fase liquida inicialmente requiere la presencia de, al menos, dos polvos sólidos mezclados homogéneamente (en seco o en húmedo), que posteriormente se conforman (pieza en verde con una densidad relativa del 50-60 %) por distintas técnicas, como por ejemplo prensado uniaxial, prensado isostático en frío (CIP), colado, moldeo por inyección, etc. Un proceso relacionado es la sinterización activada en la cual pequeñas cantidades de aditivos que segregan de forma significativa de los límites de grano pueden mejorar la velocidad de transporte de masa a lo largo de los límites de grano, ocasionando una aceleración de la densificación a temperaturas por debajo de la temperatura de formación de fase líquida del sistema. En los sistemas activados la cantidad de aditivos es pequeña de tal modo que la presencia de una película de fase líquida sobre los límites de los granos es difícil de detectar. Si existe una cantidad de fase líquida del orden del 25-30 %, el reordenamiento de la fase sólida asociada con el flujo de fase líquida puede conducir a un material completamente densificado. Tales volúmenes de fase líquida se usan, comúnmente, en las cerámicas tradicionales a base de materiales arcillosos tales como las porcelanas y en los carburos cementados. En las cerámicas tradicionales la fase líquida son silicatos fundidos que permanecen en la fase vítrea después del enfriamiento, dando a los materiales obtenidos una apariencia vítrea. Tales cerámicas se denominan vitrificadas y el proceso de sinterización vitrificación. Características de la sinterización en presencia de fase líquida. Aumento de la densificación. Comparada con la sinterización en estado sólido la presencia de fase líquida conduce a un aumento de la densificación a través de: (1).- Mejora del reordenamiento de las partículas sólidas. (2).- Mejora del transporte de masa a través de la fase líquida. En la sinterización en presencia de fase líquida, asumiendo que esta moja y se extiende recubriendo la superficie de las partículas sólidas, estas estarán separadas por un puente líquido. La fricción entre las partículas se reduce de tal modo que ellas se reordenan más fácilmente bajo la acción de las tensiones compresivas debidas a la capilaridad, ejercidas por la presencia de la fase líquida. En la sinterización en estado sólido mediante la difusión a través de los límites de grano, un parámetro importante que controla la velocidad de difusión es el producto del coeficiente de difusión en los límites de grano, Dgb, por el espesor del límite de grano, _gb. En la sinterización en presencia de fase líquida el parámetro correspondiente es el producto del coeficiente de difusión, DL, de los átomos de soluto en la fase líquida por el espesor del puente liquido, _gL. Puesto que, _gL es, típicamente, varias veces más grande que _gb
y además la difusión a través de la fase líquida es más rápida que a través de la fase sólida, la presencia de una fase líquida proporciona un medio para aumentar el transporte de masa. Microestructuras. Además de cualquier tipo de porosidad que pueda estar presente, la microestructura de los productos obtenidos por sinterización en presencia de fase líquida consiste de dos fases: (1).- Los granos cristalinos (2).- La fase límite de los granos (fronteras de grano), resultado de la solidificación de la fase líquida, la cual suele ser amorfa. Dependiendo de las tensiones interfaciales, esta fase puede penetrar total o parcialmente en los límites de grano. Si la penetración es completa los granos están separados unos de otros por una delgada capa de 1-5 nm. Dependiendo de la composición de las partículas de sólido y de la fase líquida, pueden observarse formas de grano variadas, que van desde las equiáxicas hasta las alargadas, con los lados curvos o rectos (Facetados). Para los sistemas con energías interfaciales isotrópicas y con una cantidad de fase líquida moderada (por encima de, aproximadamente 5 % en volumen), se observan granos con forma redondeada , mientras que para contenidos más altos de fase líquida, la forma de grano se hace esferoidal. Para fracciones de volumen de fase líquida más bajas (menos del 2-5 % en volumen), los granos sufren cambios considerables de la forma y desarrollan una morfología en la cual las regiones de contacto entre granos vecinos son relativamente planas Los cambios de forma permiten a los granos empaquetarse de una manera más eficiente, fenómeno por lo general descrito como acomodamiento de la forma de grano. En sistemas con energías interfaciales no isotrópicas puede ocurrir un crecimiento de grano anisotrópico y anormal. Los granos pueden tomar una forma prismática cuando el contenido de fase líquida es alto (Figura 2.4.1.c), mientras que si el contenido de fase líquida es más pequeño pueden observarse granos alargados con lados curvos o granos laminares con lados rectos (facetados)
Microestructuras comúnmente observadas de cerámicas producidas por sinterización de fase líquida. (a).- Granos redondeados en una cantidad moderada de fase líquida (> 5 % vol); (b).- Granos con superficies de contacto planas en una fracción de volumen de fase líquida baja (<2 - 5 % vol) (c).- Granos prismáticos resultado de una energía interfacial anisotrópica con un volumen de fase líquida de moderada a alta (> 10 % vol); (d).- Granos alargados con lados planos o curvos que son el resultado de una energía interfacial anisotrópica con un contenido de fase líquida bajo (<2-5 % vol). Etapas de la sinterización en presencia de fase líquida. En la mayor parte de los sistemas que presentan sinterización en presencia de fase líquida, las reacciones químicas entre las partículas sólidas y la fase líquida son relativamente débiles, de modo que las energías interfaciales tienen un efecto dominante sobre la velocidad de sinterización. En estas condiciones, como se ilustra en la figura 3.1, la sinterización en presencia de fase líquida, puede dividirse en tres etapas dominantes distintas definidas según cual sea el mecanismo que controla la velocidad de reacción. Al ir incrementándose la densidad, el mecanismo de densificación cambia de forma progresiva según la secuencia: (1).- Redistribución del líquido y reordenamiento de las partículas sólidas bajo la influencia de los gradientes de tensión debidos a la capilaridad (2).- Densificación y acomodación de la forma de grano por solución precipitación (3).- Etapa final de la sinterización conducida por la porosidad residual en la fase líquida. Eliminación final de los poros (o fase vapor) Sin embargo, existe un solapamiento significativo en la conexión de las tres etapas. En general, la velocidad de densificación disminuye de forma significativa al ir progresando el proceso de sinterización, con unos valores típicos que varían desde 10-3/s hasta 10-6/s.
Proceso de fusión
Los procesos de fusión ofrecen muchas opciones de conformado con bajo presencia de porosidad. Los procesos empleados son fundición, soplados, rociados, cristalización y otros.
Fundición. Son empleados para producir bloques y ladrillos de Al2O o Zr 3O-Al 2O-SiO, son fundidos en hornos de arco a temperaturas de 2000ºC. Son materiales con alta resistencia a la abrasión y resistencia térmica. Rociado térmico. Se aplican recubrimientos de metales, aleaciones, carburos y cerámicos a una superficie metalica con una boquilla de rociado que maneja una llama de oxicombustible, arco eléctrico o arco de plasma. El material de recubrimiento puede tener la forma de alambre, varilla o polvo, ocurre que las gotitas o partículas chocan con la superficie a velocidades de 100 1200m/s. En la preparacion de la muestra, se limpia y desbasta para mejorar la resistencia de adhesión (dependen del proceso y técnica empleada). El revestimiento tiene una estructura estratificada de material depositado y una porosidad causada por aire y partículas de oxido atrapadas por las altas temperaturas que se manejan. Entre las aplicaciones caracteristicas resaltan, componentes de motores de aviones (reconstrucción de piezas desgastadas), estructuras, tanque de almacenamiento, carros tanque, toberas de motor de reacción y componentes resistentes al desgaste y corrosión. Rociado con alambre, donde la llama de oxicombustible funde el alambre, y lo deposita en la superficie. Tiene resistencia intermedia, pero el proceso es poco costoso. Rociado polvo cerámico, parecido al caso anterior, pero con empleo de polvo. Plasma, produce temperaturas del orden de 8300ºC y produce buena resistencia a la adhesión, con muy poco contenido de oxido.
a) Rociado con alambre de aporte b) Rociado con polvo c) rociado
de plasma. Cristalizacion: consiste en el aprovechamiento de cristales , de alta calidad y libre de impurezas. Varias técnicas se han desarrollado tales como: Técnica de Czochralski, EFG, skull melting Verneuil, etc. EL silicio se presenta en la naturaleza como dióxido de silicio y diversos silicatos. Por ello, debe pasar por una serie de pasos de purificación para ser utilizado adecuadamente en la fabricación de dispositivos semiconductores. El proceso comienza calentando un a muestra de sílice y carbón en un horno eléctrico, con lo que se obtiene silicio policristalino con 95 a 98% de pureza. En atmosfera de hidrogeno y alta temperatura, se obtiene triclorosilano, se purifica y se obtiene silicio de grado electrónico de alta calidad.
El silicio monocristalino se suele obtener por medio del proceso Czochralki. Se usa un cristal de semilla que se sumerge en silicio fundido y acontinuacion se va sacando con lentitud y girando simultáneamente. El producto resulta, un lingote cilíndrico de monocrital, 150 a 300mm de diámetro 1mtr de longitud. A continuación el cristal se rebana en obleas (wafers) individuales, con una navaja de diámetro interno, rotatoria de filo interior, con espesor de 0.5mm. Aunque los dispositivos electrónicos solo requieren medidas en micras, este espesor proporciona el soporte físico para tomar las variaciones de temperatura y soporte mecanico para la fabricación posterior. Por ultimo las obles deben ser limpiadas y pulidas para eliminar daños superficiales causado por los procesos anteriores. La fabricación se realiza sobre toda la superficie de la oblea, y se pueden generar muchos circuitos eléctricos simultáneamente. Debido al tamaño menor de los dispositivos, y mayor diámetro de las obleas, en una de ella se pueden colar cientos de circuitos individuales. Terminado el proceso las obleas se cortan en chip individuales.
La técnica EFG difiere de la técnica anterior, en que la matriz de molibdeno es sumergida en alúmina fundida. Se obtienen productos de finos de 0.005mm y diámetro superior. Se emplean en cristales para ventanas para laser, substratos, desarrollos de cambios de temperatura, etc. El proceso de Verneuil, también llamada fusión por llama, fue el primer método comercial de fabricación sintética de piedras preciosas, desarrollado en 1902 por el químico francés Auguste Verneuil. Se utiliza principalmente para producir rubís y zafiros, variedades de corindón, así como las imitaciones de diamantes: rutilo y titanato de estroncio.
El principio del proceso consiste en fundir una sustancia finamente pulverizada con una llama de oxihidrógeno, y cristalizando las gotas fundidas en una bola. El proceso se considera el inicio de la moderna industria tecnológica del crecimiento de cristales, y. La materia prima esta en forma de polvo fino y se coloca en un contenedor dentro del horno de Verneuil, con una abertura en la parte inferior a través del cual el polvo puede escapar cuando el contenedor se hace vibrar. A la vez que el polvo sale, se suministra oxígeno al horno, y viaja junto con el polvo por un tubo estrecho. Este tubo está situado dentro de un tubo más grande, en el cual se suministra hidrógeno. En el punto donde el tubo estrecho se abre en el más grande, se produce la combustión, con una llama de por lo menos 2000 ° C en su núcleo. El polvo pasa a través de la llama, y se derrite en gotitas pequeñas, que entran en una varilla de soporte de tierra situado a continuación. Las gotas poco a poco forman un aglomerado de cono en la barra, la punta de los cuales es lo suficientemente cerca del núcleo se mantenga líquido. Es en ese extremo que la semilla de cristal se forma con el tiempo. A medida que más gotas caen en la punta un solo cristal , llamado bola, comienza a formarse y el apoyo se mueve lentamente hacia abajo, permitiendo que la base de la bola a cristalizar, mientras que su límite siempre permanece en estado líquido. La bola se forma en la forma de un cilindro cónico, con un diámetro de ampliación de distancia de la base y, finalmente, se mantiene más o menos constante. Con un suministro constante de polvo y la retirada de la ayuda, bolas muy largas se pueden obtener. Una vez retirado del horno se deja enfriar, la bola se divide a lo largo de su eje vertical para aliviar la tensión interna, de lo contrario el cristal será propenso a la fractura en el tallado, se rompe debido a una vertical plano de despedida. Proceso al vapor :
La deposición de vapor, las aplicaciones de la deposición de vapor son el revestimiento de herramientas de cortes, brocas, fresas, punzones, dados y superficies de desgaste. Hay dos procesos de deposición de vapor: deposición física (PDV) y deposición química (CDV). Deposición física de vapor; Son tres tipos: evaporación al vacio o de arco, pulverización catódica y deposición iónica. Estos procesos se realizan al alto vacío y a temperatura entre 200 y 500ºC. En este proceso, las partículas por depositar se arrastran físicamente a la pieza y no mediante reacciones químicas. Evaporación al vacio. El metal a depositar es evaporado a una temperatura y vaciado elevado y se deposita sobre un substrato que
se encuentra a temperatura ambiente. Puede ser depositado sobre formas complejas, dando espesor uniforme. Pulverización catódica. Un campo eléctrico ioniza un gas inerte (argón). Los iones positivos bombardean al material de revestimiento (cátodo) y causa la expulsión de sus átomos. Estos átomos se condensan en la pieza previamente calentada para mejorar la adhesión. Deposición iónica. Describe los procesos combinados de pulverización y evaporación de vacio. Un campo eléctrico causa una descarga luminosa y genera un plasma. Los átomos vaporizados en este proceso sólo están parcialmente ionizados.
Proceso de deposicion física.
Deposición química de vapor. Es un proceso termoquímico donde el substrato (superficie de la pieza) se somete a reacciones química con gases que contienen compuestos químicos del material que se va a depositar. Los materiales depositados pueden ser metales, aleaciones, carburos, cerámicos u óxido. Es un a aplicación normal, cubrir herramienta de cortes con nitruro de titanio (TiN), las herramientas se colocan en una bandeja de grafito u se calienta entre 950 y 1050ºC a presión atmosférica, en atmosfera inerte. Se intoduce tetracloruro de titanio, hidrogeno y nitrógeno a la cámara. La reacción química produce nitruro de titanio en la superficie de la herramienta. Para cubrir con carburo de titanio se utiliza gas metano en sustitución de los gases anteriores. Otro caso, el compuesto CH3SiCl4 en presencia de hidrogeno a un rango de temperatura 1000 y 1400ºC para la obtención de SiC en la superficie del substrato. Los revestimientos depositados químicamente suelen ser mas gruesos que los depositados físicamente. Un ciclo normal de deposición química es larga, esta distribuido en, tres horas de calentamiento,
cuatro horas de recubrimiento y seis a ocho horas de enfriamiento a temperatura ambiente. El espesor del recubrimiento depende de los flujos de los gases, tiempo y temperatura.
Deposición química de vapor.
Proceso de infiltración: Es la acción de introducir suavemente un líquido entre los poros de un sólido. Se realiza en un horno de inducción en vacio. Se busca Infiltración de materiales de refuerzo en el comportamiento frente a la oxidación y propiedades mecánicas en materiales compuestos de carbono reforzados con fibra de carbono. La necesidad de nuevos materiales de ingeniería que combinen la resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y estabilidad a elevadas temperaturas propiedades los materiales cerámicos con las propiedades de los materiales metálicos como tenacidad, elevada conductividad térmica y eléctrica, y resistencia alchoque térmico, ha dado un gran impulso al desarrollode los materiales compuestos Cerámico-Metal (CMC). Los compósitos cerámicos-metal, con microestructura interconectada, es decir que consisten en una red interconectada tridimensional de ambas fases pueden fabricarse por varios métodos tales como infiltración reactiva, infiltración bajo presión o sinterización. Se ha demostrado que la infiltración reactiva es eficiente para la preparación de estos materiales. Esta ruta ofrece la ventaja de obtener un compósito con una forma y dimensiones cercanas a la final, ya que se tiene una contracción volumétrica inferior al 1%. En el caso de la sinterización se tiene contracciones volumétricas de hasta un 15%. Cuando se hace interactuar un material cerámico con un metal con el propósito de formar una red metálica continua que refuerce al substrato cerámico, el principal requerimiento es que el metal líquido moje la superficie del substrato cerámico. Esta interacción puede dar lugar a enlaces de tipo físico o químico entre el cerámico y el metal. En el caso de
enlace químico se pueden distinguir dos casos: uno es el relacionado con la formación de una solución sólida y el otro con la formación de una capa de reacción. Ejemplo Acido cromico (H ) en cuerpo de alumina. Aplicando el tratamiento térmico 2CrO4 indicado, se favorce la infiltración del acido en poros de partículas de alumina, reaccionan dando Cr 2O3, resultado deposición del oxido en el substrato favoreciendo las propiedades deresistencia.
Reaccion metal-gas
El proceso Lanxide , también conocida como la infiltración de metal sin presión , es una manera de producir matriz metálica materiales compuestos por un proceso de reacción parcial; el proceso implica una cuidadosa elección de aleación inicial (generalmente de aluminio con aproximadamente 3% de magnesio y aproximadamente 10% de silicio ), y luego el mantenimiento de las condiciones en las que el producto de reacción policristalino tiene una composición mecánica tal que el metal se elabora a través de ella hacia el oxidante por acción capilar, por lo que el material compuesto crece hacia abajo. El proceso se puede utilizar para casi neta forma de colada, incluso en protocolos donde la pieza colada final tiene una cavidad en la forma del patrón de fundición-en ese caso, el metal se vierte en la cavidad, que ha sido dispuesta para estar en el centro de una cantidad de "relleno", correspondiente al producto de reacción, y absorbe en sí para llenar los poros en el material de relleno. Un SiC-Al 2 O 3 material compuesto se sintetizó por impregnación reacción controlada conocido como el proceso Lanxide. Libremente vertiendo polvo de SiC con partículas de 0,5 a 2,0 mm de diámetro se impregnó con una masa fundida de aluminio dopado con Mg, Si y Zn. La microdureza de la muestra se midió en varias partes. La microdureza de los cristales obtenidos a partir de la masa fundida corindón fue mayor que la de los granos de carburo de silicio y otras fases. El proceso se semeja a la infiltración solo que se realiza en fase gas-metal.
Conclusiones y recomendaciones
Casi todos los cuerpos cerámicos deben ser sinterizados para producir una microestructura con las propiedades requeridas. Para que la sinterización ocurra, debe haber una disminución en la energía libre del sistema. La curvatura de las superficies libres y la presión aplicada, cuando sea usada, proporciona la motivación principal o la fuerza motriz para que la sinterización tenga lugar. La velocidad de difusión depende del tipo y concentración de defectos en el sólido, entonces un entendimiento de la estructura de los defectos y los cambios de su concentración (Química de los defectos) es importante. Los fenómenos de sinterización en materiales policristalinos son bastante más complejos que aquellos que tienen lugar en la sinterización viscosa de materiales amorfos debido a la disponibilidad de varios caminos de transporte de materia y la presencia de fronteras o límites de grano. El transporte de materia en la sinterización en estado sólido puede ocurrir por al menos seis caminos diferentes que definen los mecanismos de sinterización. En muchos sistemas cerámicos la formación de una fase líquida se usa, comúnmente, para ayudar a la sinterización y a la evolución microestructural. La sinterización en presencia de fase líquida es particularmente efectiva para cerámicas tales como Si3N4 y SiC, las cuales poseen un alto grado de enlace covalente y, por tanto, resulta complicado densificarlas por sinterización en estado sólido. La sinterización en fase líquida también es importante cuando el uso de la sinterización en estado sólido es demasiado caro o se requieren altas temperaturas de fabricación. Una desventaja de este tipo de sinterización es que la fase líquida usada para promover la densificación, comúnmente, permanece como fase vítrea intergranular que puede
degradar las propiedades mecánicas a altas temperaturas tales como la resistencia a la fluencia y a la fatiga. Otra desventaja es que las cerámicas densificadas por sinterización en presencia de fase liquida son susceptibles de que su forma se distorsione y puede ser complicado controlar los parámetros de sinterización debido a las complicaciones adicionales que supone la presencia de la fase liquida (por ejemplo, la disolución y cristalización dependientes de la temperatura).
En contraste con los sistemas metálicos, los sistemas cerámicos se caracterizan por la presencia de una fase viscosa en el límite de grano, una solubilidad mutua limitada, reacciones lentas entre los constituyentes y propiedades anisotrópicas del material
Bibliografía
http://www.etsimo.uniovi.es/usr/fblanco/Tema6.MaterialesCERAMICOS.Sinterizacion.fas esolisda.pdf http://www.etsimo.uniovi.es/usr/fblanco/Tema6.MaterialesCERAMICOS.Sinterizacion.fas eliquida.pdf
