PRINCIPALES RECUBRIMIENROS CERAMICOS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ 1. Princ Principa ipales les caract caracter eríst ística icas s Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elemento elementos s metálico metálicos s y no metálicos metálicos enlazado enlazados s principa principalmen lmente te mediante mediante enlaces enlaces iónicos iónicos y/o covalente covalentes. s. Las composic composicione iones s químicas químicas de los material materiales es cerámico cerámicos s varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. n genera general, l, los materi materiale ales s cerámi cerámicos cos son típica típicamen mente te duros duros y frágil frágiles es con baja baja tenacidad tenacidad y ductilida ductilidad. d. Los material materiales es cerámico cerámicos s se comportan comportan usualmente usualmente como buenos aislantes el!ctricos y t!rmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalme normalmente nte poseen poseen temperatu temperaturas ras de fusión fusión relativam relativamente ente altas altas y, asimismo asimismo,, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estab estabili ilidad dad de sus fuerte fuertes s enlace enlaces. s. "ebi "ebido do a estas estas propie propiedad dades es los mater material iales es cerámicos son indispensables para muchos de los dise#os en ingeniería. $n e%tenso grupo de cerámicos avanzados se usa en aplicaciones no estructurales, aprovechando sus &nicas propiedades magn!ticas, electrónicas y ópticas, su buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, su capacidad de servir como sensores en la detección de gases peligrosos y por ser adecuados para dispositivos de prótesis y otros 'componentes de repuesto para el ser humano(. )*+
2. Clasiica Clasiicaci!n ci!n "e l#s rec$%ri& rec$%ri&ient#s ient#s cer'& cer'&ic#s ic#s ( &ateriale &ateriales s $tili)a"#s $tili)a"#s n gener general al,, los recubr recubrim imien ientos tos cerámi cerámicos cos puede pueden n clasif clasifica icarse rse en dos grupo grupos s recubr recubrim imien ientos tos tradi tradicio cional nales es y recubr recubrimi imient entos os cerámi cerámicos cos de uso especí específic fico o en ingeniería.
a. Mater Material iales es cer'& cer'&ic# ic#s s tra"ici# tra"ici#nal nales. es. stán constituidos por tres componentes básicos arcilla, sílice -pedernal y feldespato. jemplos de cerámicos tradicionales tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas porcelanas el!ctricas de uso en la industria el!ctrica.
%. Materiale Materiales s cer'&ic cer'&ic#s #s "e $s# $s# especí especíic# ic# en en in*eniería in*eniería Las cerámicas ingenieriles usadas en la industria automotriz, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como o%ido de aluminio -l012, carburo de silicio -3i4, y nitruro de silicio -3i256. jemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el ó%ido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción t!rmica. Los cerámicos avanzados incluyen los carburos, los boruros, los nitruros y los ó%idos. 7eneralmente estos materiales se seleccionan tanto por sus propiedades propiedades mecánicas como físicas a altas temperaturas. )*+ Materia pri&a+ n pri&a+ n el precio de la materia prima influyen los siguientes factores
La disponibilidad del material de partida, el lugar y la situación de la zona de e%plotación, el proceso de depuración, la pureza e%igida del material base, la composición química del material en polvo de partida y muchos más. l precio de la materia prima depurada y preparada para su procesamiento oscila en función de la pureza y la finura del grano. 8ncluso dentro de un grupo de materiales las diferencias de precio son enormes. stos costes de la materia prima, sobre todo en caso de materiales de partida e%tremadamente caros, resultan decisivos para lograr una utilización económica del producto final. )0+ Los principales compuestos usados como materia prima para la elaboración de recubrimientos cerámicos son 9 La l&mina -l012 3e utiliza para contener metal fundido o para operar a alta temperatura donde se requiere buena resistencia. :ujías 9 l 5itruro "e luminio -85 ;roporciona un buen aislante el!ctrico, pero tiene alta conductividad t!rmica. "ado que su coeficiente de e%pansión t!rmica es similar al del silicio, el 85 es un sustituto adecuado del l012 como material de sustrato para circuitos integrados. 9 l 4arburo "e :oro -:64 s muy duro y a&n así e%traordinariamente ligero. demás de su utilización como blindaje nuclear, encuentra uso en aplicaciones que requieren e%celente resistencia a la abrasión, como parte en placas blindadas. 9 l 4arburo "e 3ilicio -3i4 tiene una resistencia a la o%idación e%traordinaria a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. menudo el 3i4 se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros cerámicos a temperaturas e%tremas. 9 l 5itruro "e 3ilicio -3i256 3on candidatos para componentes de motores automotrices y de turbina de gas, permitiendo temperaturas de operación más elevadas y mejores eficiencias de combustible, con menor peso que los metales y aleaciones tradicionales. 9 l 3ialón 3e forma cuando el aluminio y el o%ígeno reemplazan parcialmente al silicio y al nitrógeno en el nitruro de silicio. s relativamente ligero, con un coeficiente de e%pansión t!rmica bajo, buena tenacidad a la fractura, y una resistencia superior a la de muchos de los demás cerámicos avanzados comunes. l sialón puede encintrar aplicaciones en componentes para motor y otras aplicaciones, que a su vez involucran altas temperaturas y condiciones severas de desgaste. 9 l :oruro "e
,. Pr#pie"a"es &ec'nicas "e las cer'&icas 3on duros y frágiles a temperatura ambiente debido a su enlace iónico/covalente -al aplicarles una fuerza los iones de igual carga quedan enfrentados provocando la rotura del enlace, este hecho supone una gran limitación en su n&mero de aplicaciones. sta fragilidad se intensifica por la presencia de imperfecciones. 3on deformables a elevadas temperaturas ya que a esas temperaturas se permite el deslizamiento de bordes del grano. )2+
La respuesta de los materiales a las fuerzas aplicadas depende de *.9
Es$er)# ( "e#r&aci!n 3i una fuerza o carga es estática o bien cambia de forma relativamente lenta con el tiempo y es aplicada uniformemente sobre una sección o superficie de una pieza, el comportamiento mecánico del material puede ser estimado mediante un simple ensayo esfuerzo 9 deformación. ;or tanto, para obtener la relación entre tensión y deformación tendremos que proceder necesariamente por vía e%perimental mediante ensayos 6 realizados en el laboratorio, en donde se comprueba, en efecto, que para dos piezas de distintos materiales, de iguales dimensiones y sometidas al mismo estado de cargas, las deformaciones son distintas. C$r-as tensi!n "e#r&aci!n Las curvas tensión 9 deformación, usualmente, se obtienen mediante ensayos de laboratorio realizados mediante normas estandarizadas y utilizando probetas tambi!n estandarizadas. 3e fijan la velocidad de carga y la temperatura. Los ensayos se pueden realizar con cargas de compresión, tracción, fle%ión y cortadura, que a su vez pueden ser estáticas o dinámicas. Los ensayos de compresión, tracción y fle%ión con cargas estáticas son los que más se suelen realizar.
Las curvas tensión 9 deformación nos permiten determinar las principales características mecánicas de los materiales, sí, se pueden estimar una serie de importantes propiedades tales como )6+
*.9 =383<548. 0.9 =878"> 2.9 "$4<8L8"". 6.9 =38L8548. ?.9 <548"".
/i*$ra ,.2 la de un material refractario con un @A B de l012 en función de la temperatura y ensayado a compresión.
El fallo mecánico de los materiales cerámicos se da principalmente por defectos estructurales. Las causas principales de la fractura en cerámicos poli cristalinos han de buscarse en las grietas superciales producidas durante los procesos de conformación y acabado, poros, inclusiones y estructuras de granos grandes formados durante el proceso de cocción, que actúan como concentradores de tensiones fragilizando al material. Cuando la tensión alrededor de un poro alcanza un alor cr!tico, se forma un inicio de grieta que se propaga rápidamente en los materiales cerámicos al no haber en los mismos procesos o mecanismos que absorban mucha energ!a como los que se dan en los metales dúctiles durante la deformación, ya que sus estructuras cristalinas no son propicias al deslizamiento ni a la deformación por maclado. "e esta manera, una ez iniciada la grieta, #sta continúa su crecimiento hasta llegar a la rotura. Los poros tambi#n actúan, al igual que las inclusiones, mermando la resistencia del material al disminuir la sección útil del mismo y por tanto disminuye la tensión que es capaz de soportar #ste. $s!, el tama%o y la fracción en olumen de los poros en las cerámicas son factores importantes que afectan grandemente a su resistencia. La gura &'.(& muestra como un incremento de la fracción en olumen de poros disminuye la resistencia a tracción transersal de la alúmina. )6+ 0ttp+333.$p-.es&ateriales/c&/c&14pc&145451.t&l6
Cigura *6.0*. fecto de la porosidad sobre la resistencia transversal de la al&mina pura.
n los materiales cerámicos totalmente densos, en los que no hay grandes, el tama#o de las grietas está normalmente relacionado con el tama#o del grano. ;ara cerámicas sin poros la resistencia es función del tama#o del grano, siendo las cerámicas de tama#o de grano más fino las que tienen grietas de tama#o más peque#o en los límites de grano. ;or consiguiente, su resistencia será mayor que las que presentan un mayor tama#o de grano,
Cigura *6.00. fecto del tama#o de grano de al&mina en su resistencia.
4. Estr$ct$ra ( &icr#estr$ct$ra Micr#estr$ct$ra ( te7t$ra. La estructura cristalina es fundamental para entender las propiedades físicas y químicas de los compuestos. "e la misma forma conocer la microestructura y te%tura de los materiales es muy importante para comprender sus prestaciones. )?+ La microestructura de un material es el conjunto de propiedades que se derivan de la cristalización real del material e incluye el conocimiento de sus imperfecciones -defectos puntuales, lineales, planos y 2". n los materiales policristalinos además se debe conocer la forma y tama#o de los granos -que pueden variar en tama#o desde unos pocos nanómetros para catalizadores dispersos de alta superficie específica hasta decenas de micrómetros en aleaciones bien sinterizadas.
n contraste con aquellas propiedades que dependen de los enlaces interatómicos y, por tanto, son intrínsecas al material, tales como por ejemplo el punto de fusión, la dureza y la e%pansión t!rmica, tenemos que la resistencia mecánica, así como las propiedades el!ctricas o magn!ticas, varían notablemente con su microestructura -te%tura entendiendo por tal la naturaleza físico 9 química, tama#o y distribución de las fases que lo constituyen. La te%tura representa, pues, una característica importante en la ciencia y tecnología de los materiales cerámicos, que une el proceso de fabricación y las propiedades. )?+ n la figura *.2 puede verse una comparación entre las microestructuras de una al&mina densa convencional con una densidad igual al DE B de la teórica y una al&mina transparente ópticamente con densidad igual al DD.D B de la teórica.
8. Pr#ces# "e a%ricaci!n # "ep#sici!n Los materiales cerámicos tradicionales están fabricados con materias primas de yacimientos naturales, con o sin proceso de beneficiación para eliminar impurezas al objeto de aumentar su pureza, tales como los materiales arcillosos. l conformado puede ser manual y el proceso de cocción se realiza en hornos tradicionales -horno t&nel, hornos ascendentes, etc. n cuanto a la microestructura la mayoría de los materiales cerámicos tradicionales presentan un tama#o de grano grueso y una alta porosidad, visible al microscopio óptico de no muchos aumentos -La microestructura se puede estudiar u observar a niveles de microscopía óptica. La densidad llega &nicamente a alcanzar valores del orden del *A al 0A B menor que la densidad teórica del material. Las cerámicas tradicionales pueden definirse como aquellas que comprenden las industrias que tienen como base a los silicatos, principalmente los materiales arcillosos, los cementos y los vidrios de silicatos. ntre las cerámicas tradicionales pueden citarse las vasijas de barro cocido, la porcelana, los ladrillos, las tejas, los vidrios, etc.
;or su parte, los materiales cerámicos avanzados están fabricados con materias primas artificiales que han sufrido un importante procesado químico para conseguir una pureza alta y una mejora de sus características físicas. l proceso de conformado se realiza con equipos sofisticados, que incluyen la utilización de alta temperatura y presión, por ejemplo, prensado isostático en caliente. La microestructura es de grano fino y se tiene que resolver o estudiar por medio de la microscopía electrónica. La densidad llega a alcanzar valores del orden del DD o *AA B de la densidad teórica del material. sí, los materiales cerámicos avanzados o los nuevos materiales cerámicos son aquellos productos de los cuales se espera que, dependiendo de las materias primas y composiciones utilizadas, posean e%celentes propiedades mecánicas bajo condiciones e%tremas de tensión, altas resistencias al desgaste o e%celentes propiedades el!ctricas, magn!ticas u ópticas o bien e%cepcional resistencia altas temperaturas y ambientes corrosivos -altas resistencias al ataque químico. )J+ Los materiales cerámicos avanzados se han desarrollado en los <imos JA a#os y son de gran inter!s debido a las propiedades &nicas que poseen. sí, han sido desarrolladas cerámicas para aplicaciones donde se requiere una gran resistencia a la temperatura -=efractariedad elevada
choque t!rmico y gran estabilidad química -resistencia al ataque químico. n la figura *.? puede verse la resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en función de la temperatura. ;uede observarse que los materiales cerámicos y los materiales compuestos de matriz cerámica -4G4s son los &nicos que se pueden utilizar a temperaturas superiores a los *6AA M4.
n resumen, los materiales cerámicos avanzados pueden definirse por las tres características siguientes *.9 ;ara su fabricación se usan materia primas de alta pureza -DD.DD B, con composición química y propiedades morfológicas controladas. 7ranulometría submicrónica -N * Om. 0.9l procesado está sujeto a un control preciso, tanto en el conformado como en la cocción. 2.9Los productos tienen una microestructura bien controlada, que asegura su alta fiabilidad o respuesta a la utilización para la cual ha sido dise#ada. )J+ Pr#ces# "e a%ricaci!n "e l#s &ateriales para rec$%ri&ient#s cer'&ic#s *. %tracción 0. ;reparación de la pasta 2. masado 6. Goldeo ?. 3ecado J. 4occión E7tracci!n Las canteras de arcilla, tambi!n llamadas barreros, suelen estar cerca de las fábricas, son e%plotaciones a cielo abierto y la e%tracción se realiza por medios mecánicos. s necesario quitar una capa de material no apto para la fabricación de ladrillos. Preparaci!n "e la pasta La arcilla e%traída en la cantera hay que convertirla en una masa adecuada para la operación de moldeo en forma de ladrillos, tejas, tubos, bloques. ;ara proceder al moldeo tiene que cumplir ciertas condiciones 9"epuración es indispensable que la pasta no tenga guijarros, módulos de cal, sales solubles que puedan producir perturbaciones en los tratamientos posteriores 9stado de división reducción a peque#os fragmentos
9Fomogeneidad de la pasta las distintas clases de arcillas y desengrasantes han de mezclarse íntimamente 9La cantidad de agua será la elegida seg&n el m!todo de moldeo empleado ;ara que las pastas re&nan las condiciones necesarias de trabajabilidad y calidad, se les puede someter a uno o varios de los procesos siguientes 9Geteorización consiste en someter a las arcillas a la acción de los elementos atmosf!ricos. 3e dispone en capas de peque#o espesor adicionando en esta fase los desengrasantes. La meteorización mejora las condiciones de moldeo. l agua disuelve y elimina las sales solubles y la helada desintegra los terrones. )@+ 9Gaduración consiste en un reposo. 3e realiza en naves y tiene por objeto la repartición de la humedad 9;odrido consiste en conservar la pasta en naves frías, sin circulación de aire y con poca luz, procurando que la arcilla tenga una humedad constante. ste proceso produce una fermentación que aumenta la plasticidad y reduce la tendencia al agrietamiento y el alabeo. 9Levigación colocación en balsas de las arcillas donde se deslíen en agua para que sedimenten los componentes de mayor densidad eliminando la cal 9
Me)cla"# ( A&asa"# 4onsiste en conseguir una perfecta homogeneización de la materia prima, es decir, de las diversas arcillas que se vayan a utilizar, de !stas con los desgrasantes y de todos estos elementos sólidos con el agua .;ara ello disponemos de diversa maquinaria 9Me)cla"#ras a&asa"#ras 9A&asa"#ras "e "#%le e9e+ puede aumentarse la energía de amasado construyendo la amasadora con dos ejes paralelos en lugar de uno que gira en sentido contrario
9Raspa"#res 9M#lin# "e r$l#s+ se usa si la arcilla tiene piedras. 3on dos cilindros que giran en un eje horizontal. 9La&ina"#res M#l"e# Lo que se consigue con el moldeo es dar al producto una configuración e%terna. l moldeo tiene repercusión en los procesos subsiguientes por lo que debe cuidarse y controlar su corrección. l moldeo se puede realizar de diversas maneras )@+ M#l"e# a &an#
G!todo rudimentario &til para producciones a peque#a escala o periódica. 3u aspecto es más rugoso y más est!tico. La tierra se prepara en fosas mediante la adición de agua y un amasado con palas hasta que se suficientemente homog!nea. n estado muy plástico y con mucho líquido se comprime en una gradilla. )@+ Prensa"# 3e utiliza para obtener un producto de apariencia impecable.
Seca"# Las piezas reci!n moldeadas si se cocieran se romperían por la que hay que someterlas al proceso de secado. 4onsiste en la eliminación de la pasta de amasado, hasta reducirla a un ?B.3e realiza de forma lenta y gradual, para evitar alabeos y resquebrajamientos. 8ndustrialmente se utilizan cámaras secaderas, que consisten en unos locales en los que se hace pasar aire caliente procedente del calor de recuperación de los hornos. C#cci!n 4uando se cuecen las arcillas a altas temperaturas, se producen unas reacciones que provocan en el material una consistencia p!trea y una durabilidad que las hacen adecuadas para el fin que se las destina. %isten distintos tipos de hornos -hornos hormigueros, hornos continuos, etcP.La temperatura en los hornos y el tipo de estos es variable en función de producto )@+ 9zulejos y tejería. DAA Q *AAA 4 9Loza y gres cerámico. *AAA Q *2AA 4 9;orcelana. *2AA Q *?AA 4
:. Ele&ent#s reales ;$e e&plean rec$%ri&ient#s cer'&ic#s. a6 B$9ías "e precalenta&ient# en &#t#res "i
%6 Catali)a"#res
c6 S#n"a la&%"a
"6 C'&ara "e c#&%$sti!n l hecho de recubrir el cielo de la cámara de combustión con un compuesto cerámico de barrera t!rmica genera menos perdidas de calor -termodinámicamente hablando el proceso se acerca más a uno adiabático lo que se transmite en una mayor fuerza aplicada al pistón. demás la distribución de la temperatura más uniforme evita la detonación pudiendo hasta incluso aumentar la relación de compresión.
e6 ='l-$las 3e utilizan recubrimientos cerámicos de barrera t!rmica en toda la válvula e%ceptuando el asiento, y el vástago en el que se aplica recubrimiento antifricción
6
Pist#nes+
3e pueden aplicar barreras t!rmicas con recubrimientos cerámicos en la corona del pistón para que beneficie el escurrimiento del aceite.
La foto muestra el recubrimiento cerámico anticorrosivo para correr con nitro metano.
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