![Page 1: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/1.jpg)
Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología de polvos
Procesado de cerámicos en forma de partícula
Introducción: Definición
Esquema principal del proceso de obtención
Obtención de polvos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M1
Granulación
Ejemplos:
• Procesado del SiC
• Procesado de Si3N4
Zircona PE
![Page 2: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/2.jpg)
“Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por enlaces iónicos y/o covalentes”.
MATERIALES CERÁMICOS
Introducción: Propiedades de los materiales cerámic os
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere de forma general a la arcilla. Sin embargo, el uso actual de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos.
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M2
![Page 3: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/3.jpg)
Introducción: Clasificación
Vidrios
Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla)
Basados en SiOBasados en SiO22 + aditivos para + aditivos para ↓↓ TTff
��CerámicaCerámica porosaporosa (Ladrillos,(Ladrillos, alfarería,alfarería, loza)loza)��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres) Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y
TRANSPARENTES TRANSPARENTES ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ DUROS A DUROS A TTambamb ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ RESISTENTES A CORROSIÓNRESISTENTES A CORROSIÓN
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M3
Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones:
��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres)��Cerámica refractariaCerámica refractaria ((MagnesitasMagnesitas, , cromitascromitas))
��OxídicasOxídicas��NoNo OxídicasOxídicas
Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y FeldespatosFeldespatos
�� ArcillasArcillas Alfarería,Alfarería, ladrillos,ladrillos, tejastejas……�� PorcelanasPorcelanas AislantesAislantes eléctricoseléctricos (Al(Al22OO33--SiOSiO22--KK22O)O)�� CorideritasCorideritas elementoselementos calefactorescalefactores (Al(Al22OO33--SiOSiO22--MgO)MgO)
![Page 4: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/4.jpg)
Introducción: Clasificación
Según aplicaciones:
Cerámica Estructural
Oxídica
Al2O
3
ZrO2
Mullita
Carburos
Según composición:
Refractarios: Al2O3, MgO, ZrO2
Abrasivos: SiC, Al2O3,diamante
Molde fundido de metales, hornos
Esmeriladoras, polvos pulido, herramientas de corte
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M4
NO Oxídica
Nitruros
Siliciuros
Boruros
Diamante
Eléctricos y magnéticos: BeO, Al2O3, AlN, ZnO, ferritas
Nucleares: UO2
Biológicos: SiC, Al2O3,ZrO2
herramientas de corte
Semiconductores, substratos, imanes, varistores…..
Prótesis, componentes dentales
Combustible nucleas
![Page 5: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/5.jpg)
Esquema general de procesado de los materiales cerá micos
1. Obtención de materia prima en forma de polvo
� Reacción en estado sólido� Precipitación a partir de soluciones� Precipitación a partir de fundidos� Precipitación a partir de fase vapor� Precipitación a partir de intermedios vítreos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M5
4. Tratamiento térmico
2. Preparación de materia prima
3. Conformado
![Page 6: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/6.jpg)
Esquema general de procesado de los materiales cerá micos
�A partir de polvos�A partir de pulpas
Sin calor Con calorColada en molde permeable
2.Preparación de materia prima
�Natural (molienda-purificación)� Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda)
3.Conformado
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M6
Sin calor Con calor
� Compactación uniaxial
� Compactación isostática (CIP)
� Compresión en caliente� Compactación isostática
en caliente (HIP)� Moldeo por inyección
(PIM)
Colada en molde permeableColada en cintaExtrusión
4.Tratamiento térmico
�Secado�Cocción (sinterizado)
![Page 7: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/7.jpg)
Esquema del proceso de obtención mediante tecnologí a de polvos
•Molienda•Mezcla Húmedo /seco
Polvos•Granulación•Globulización•Spray Drying
Granulado
• Compactación Uniaxial
• Isostática• Extrusión• PIM• Casting• Rapid Prototyping
Conformado
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M7
•Atmósfera•Vacío•SPS•HIP
Sinterización•Rectificado•Recubrimientos•Afilado
Acabado
![Page 8: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/8.jpg)
Procesado: HIP
Etapas:
Prensado isostático en caliente (HIP)
Fluido = gas inerte
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M8
Etapas:-polvo en molde (metálico o vidrio)-vacío en molde-molde en autoclave de ↑ P
Ventajas:-Buena distribución de P en el compacto → uniformidad de prop.-Obtención de formas más complicadas-Para piezas de ↑ dureza
Desventajas:-↑ precio de equipo-Poco control dimensional sobre producto-Discontinuidad del proceso.
"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC
![Page 9: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/9.jpg)
Procesado: ‘Tape Casting’
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M9
![Page 10: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/10.jpg)
Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si3N4
Propiedades:� ↑ Dureza� ↑ Resistencia desgaste� ↑ Resistencia a flexión
2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonalSe descompone a temperaturas altas
(1700ºC, N2+Si fundido)
(1880ºC en 1 bar N2)
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M10
� ↑ Resistencia a flexión� ↑ conductividad térmica� ↑ Resistencia a alta T.� Densidad 3 - 3,3 g/cm3
Enlace covalente, dónde el Si presenta hibridación sp3
y el N sp2.
Aplicaciones� Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de
corte, camisas de pistones…
![Page 11: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/11.jpg)
Cerámicas estructurales: Si 3N4
Componentes para turbinas de Si3N4: permiten la entreada de gases más caliente, aumentan la eficiencia en un 40%
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M11
SiSi33NN44 rotoresrotores
![Page 12: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/12.jpg)
Cerámicas estructurales: Si 3N4
Fabricación de los polvos
a) Nitruración de polvos de Si
3Si+2N2→Si3N4
b) Reducción carbotérmica de la sílice3SiO2 +6 C +2N2 →Si3N4 + 6CO
c) Reacción fase vapor
Exotérmica: arde, contaminación con elementos de molienda
Ligera contaminación con grafito
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M12
3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 HCl3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 H2
d) Precipitación y descomposición térmicaa) 3SiCl4 + 6NH3 →Si(NH)2 + 4 NH4Clb) Si(NH) →Si3N4 + 2 HH3
Elevadas trazas de Cl
Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales
![Page 13: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/13.jpg)
Cerámicas estructurales: Si 3N4 ����Principales rutas de procesado
Conformado
Si
Si +aditivos
Si3N4 + aditivos
Nitruración
Aditivos: óxidos metálicos, Y2O3, Al 2O3, MgO, ZrO 2… (3-15%mol)
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M13
SinterizaciónPrensado CalienteHIP
Pieza Final RBSN
Pieza Final SRBSN
Pieza Final SSN
Pieza Final Pieza Final mecanizado
RBSN: Sinterización reactiva: Reaction bonded silicon nitride
En presencia de atmósferas nitrurantes. Proceso largo a T: 1250º-1450ºC. Produce aumento de volumen, porosidad final ∼20%.
SSN: Sinterización Si3N4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T:
1700º-17850ºC
![Page 14: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/14.jpg)
Cerámicas estructurales: Ejemplo: SiCPrimer abrasivo artificial desarrollado a finales XIX (carbodurum). Material estructural para aplicaciones a elevada temperatura .Elevada resistencia a ↑T, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión.
Enlace covalente (12% iónico)Estructura cristalina: polimorfos β y α.
Presenta POLITIPISMO*:
Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes politipos del SiC
SecuenciaNo. hexagonal
(h) No. cubic
(k)
2H AB 1 0
3C ABC 0 1
4H ABCB 1 1
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M14
Estructura cúbica ( β-SiC) a = 4.3596 Ǻ 3C
Estructuras hexagonal y romboédrica (α-SiC):Hexagonal: (a = 3.078 Ǻ; c = n x 5.518 Ǻ)Romboédrico: (a = 3.073 Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R
Densidad (3.21 g/cm 3) y propiedades mecánicas idénticas
Bastidores espejos solares
*Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas.
4H ABCB 1 1
6H ABCACB 1 2
15R ABCACBCABACABCB 2 3
Aplicaciones� Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste,
válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas…
![Page 15: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/15.jpg)
Cerámicas estructurales: SiC
Composite SiC/SiC para componentes de turbinas
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M15
Tras 75000 h de ensayo se demuestra una dismunción de emisión de<15 ppm NOx y <10 ppm CO
![Page 16: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/16.jpg)
Cerámicas estructurales: SiC
Reducción Carbotérmica Polvo irregular
Proceso Acheson (Carborundum).
� A altas T (2300ºC): α-SiC. MoliendaSiO2 + 3C ⇒ SiC (α)+ 2CO
�A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño finoSiO + 3C ⇒ SiO+ 2CO
⇒
Obtención del Polvo de SiC
Edward Goodrich Acheson (Washington, 1856-1931), descubridor del carburo de silicio o carborundum
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M16
⇒
SiO2 + 3C ⇒ SiO+ 2COSiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO
Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico
Estructura β-SiCSiCl4 +CH4 → SiC + 4 HClSiH4 +C2H4 →2 SiC + 6 H2
Reacción Directa (T 1200ºC)
Si +C→ SiC
![Page 17: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/17.jpg)
Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)
Material bifásico que contiene 10% Si.Se forma por reacción de una mezcla SiC-C en Si líquido (vapor). 1550-1650ºC
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M17
Si
SiC primario
Grafito
SiC primario
1650ºC
SiCsecundario ββββ
Si ∼ 10% vol.
![Page 18: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/18.jpg)
Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)
Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4:Coeficiente de difusión muy bajosEnergía superficial intergranular muy elevada “coarsening”Se necesitan polvos muy finosT superiores a 2000ºCAtmósferas inertes.Aditivos: C y BC4
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M18
Aditivos: C y BC4
![Page 19: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/19.jpg)
Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)Sinterización a temperaturas más bajas (1800-2000ºC)Mayor tenacidad (6-7 vs. 3-3.5 MPa·m1/2)Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M19
SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2
![Page 20: Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología ...ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-polvos/material-de-clase-1/... · Tema 7. Procesado de materiales cerámicos](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022052709/5a720c3a7f8b9ac0538d530d/html5/thumbnails/20.jpg)
Cerámicas estructurales: ZrO 2
La zircona en inyectores para motores diesel� reducción emisiones.
� Excelente resistencia a la
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M20
� Excelente resistencia a la corrosión y desgaste, evita gripado.
� Aumenta la P de trabajo.