Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ingeniería División de Ingeniería Mecánica e Industrial

Materiales no metálicos

Tercer trabajo de investigación

“Vidrio”

Integrantes del equipo

Barraza Montiel Guillermo Alejandro

Martínez Oviedo Rogelio

Parrales Gallardo Valeria

Pliego Pliego Daniel

Villalobos Varela Sergio José

Profesor

M.I. Edgar Isaac Ramírez Díaz

Fecha de entrega

1 de octubre de 2014

a) Composiciones - Tipos

Los vidrios difieren de los cerámicos en el hecho de que no presentan una estructura cristalina. Se

conocen entonces como materiales amorfos.

Los vidrios comerciales más comunes son los vidrios de sosa-cal-silicato ya que se aprovecha la

abundancia de arena silícea o cuarzosa como materia prima.

A pesar de la abundancia de los vidrios de silicato, éstos no son los únicos vidrios. Otros óxidos, como el

óxido bórico B2O3 , la germania GeO2 y el óxido fosfórico P2O5 también forman vidrios. Existen también

otros compuestos que no son óxidos pero que también forman vidrios como los halogenuros, los

calcogenuros, que son compuestos de selenio, azufre y telurio y algunos materiales metálicos.

En términos generales y para términos de su uso, los distintos tipos de vidrios son:

Vidrio de sílice puro

SiO2: 99.5 % +

Vidrio de 96% de sílice

SiO2  96 % 

B2O3 3 %

Producido al formar un artículo más grande que del tamaño requerido, a partir de un vidrio especial de

borosilicato, lixiviando los ingredientes que no son silicato con ácido y dando un tratamiento a alta

temperatura para contraer el artículo y cerrar los poros.

Vidrio de sosa, cal y sílice

SiO2     70 %

Na2O: 15 %

CaO: 10 %

La adición de sosa y hasta potasa y de óxido de calcio al sílice baja el punto de ablandamiento en 800 -

900 °C por lo que es más fácil su fabricación. A este tipo de vidrios se les adiciona entre 1 y 4 % de MgO

para prevenir la desvitrificación y también se les incorpora de 0.5 a 1.5 % de alúmina para aumentar su

duración aumentando su resistencia química.

Vidrio de plomo, álcali y silicato

SiO2  30 - 70 %

PbO: 18 - 65 %

Na2O y/o K2O: 5 - 20 %

El óxido de plomo es normalmente un modificador de la red de sílice pero puede actuar además como un

formador de red. El óxido de plomo reduce el punto de ablandamiento e incrementa el índice de

refracción y poder dispersor.

Vidrio de borosilicato

SiO2  60 - 80 % 

B2O3 10 - 25 %

Al2O3 1 - 4 %

La sustitución de óxidos alcalinos por óxido de boro en la red vítrea del sílice da lugar a vidrios de más

baja expansión térmica. Cuando el B2O3 entra en la red del sílice, debilita su estructura y reduce

considerablemente el punto de reblandecimiento de los vidrios de sílice.

Vidrio de aluminosilicato

SiO2  5 - 60 %

Al2O3 20 - 40 %

CaO 5 - 50 %

B2O3 0 - 10 %

Vidrio de baja expansión y químicamente resistente que tiene una temperatura de servicio más elevada

que el vidrio de borosilicato pero que a su vez es más difícil de fabricar.

Vidrios ópticos

Con diferentes proporciones de SiO2 , Al2O3 , Na2O, K2O, B2O3 , BaO, ZnO, PbO:

Cronwnglass libero al bario, crownglass denso al bario, vidrio flint muy ligero, vidrio flint muy denso.

Vidrios especiales

Composiciones muy específicas y que varían con el uso que se les de. Se trata de vidrios inorgánicos

menos comunes y desarrollados para aplicaciones especiales.

Entre ellos se encuentra el vidrio fosfato con alta resistencia al HF, el vidrio soldadura suave, el vidrio

Lindemann, vidrio absorbente de neutrones con alto contenido de cadmio, entre otros.

b) Estructura

La estructura de los vidrios determina las propiedades que tengan éstos.

Silicatos

El componente básico de los silicatos es el tetraedro de SiO44­ con el ión silicio en el centro de cuatro    

iones oxígeno dispuestos de forma simétrica. Las unidades de SiO44­ pueden estar ligadas a otros

cationes o a átomos de oxígeno, y los silicatos se clasifican con base en la forma en que los silicatos están

enlazados.

Estructura vítrea o amorfa

La estructura de sílice vítrea o amorfa surge cuando las unidades de SiO44­ están dispuestas al azar. La  

red tridimensional aleatoria pone de manifiesto que los requisitos de enlazamiento también se

satisfacen. En general, cada uno de los formadores de vidrio de óxido comunes produce una red

aleatoria. Por ejemplo, el germanio produce una red tridimensional aleatoria, el óxido de boro una red

bidimensional aleatoria y el óxido fosfórico forma cadenas poliméricas lineales dispuestas al azar.

c) Propiedades

Vidrio Densidad[g/c

c]

Modulo

de

elasticida

d [GPa]

Modul

o de

Ruptur

a [GPa]

Resistencia

a la

Compresió

n

[GPa]

Modul

o de

Poisso

n

Capacida

d

Calorífica

[J/g·ºC]

Punto

de

Fusió

n

[ºC]

Conductivida

d Térmica

[W/m·K]

96% de Sílice 2.18 68 0.048 0.19 0.75 1.38

Borosilicato 2.4 64 0.055 1.2 800 1

Sosa, Cal y

Sílice

2.27 74 0.05 1 1000 1

Plomo, álcali y

Silicato

9.35 888

SiO2 99.5% 3.7-3.97 360 2.940 0.51 19

Aluminosilicat

o

3.75 83 2.5 0.23 0.9

Vidrios de Sílice Pura

-Baja expansión térmica.

-Alta temperatura de operación.

-Buena resistencia química.

-Buena resistencia eléctrica.

Vidrio de 96%de Sílice

-Temperatura de servicio más elevada que el sílice puro.

-Coeficiente de expansión muy bajo.

-Alta resistencia al choque térmico.

Vidrio de Sosa, Cal y Sílice

-Buen aislante eléctrico.

-Puede ser templado para aumentar su resistencia y temperatura de operación.

Vidrio de Plomo, Álcali y Silicato

-Bajo punto de fusión.

-Gran Densidad.

-Protegen de la radiación.

-Alto índice de refracción.

Vidrio de Borosilicato

-Baja expansión térmica.

-Buena resistencia química.

-Elevada resistencia eléctrica.

-Buena resistencia al choque térmico.

Vidrio de aluminosilicato

-Temperatura de operación muy elevada.

-Alta resistencia.

-Resistencia química mayor a la del Borosilicato.

-Mayor expansión térmica que la del Borosilicato.

d) Procesos de manufactura

VIDRIO PLANO

Bajo la denominación de vidrio plano se incluye todo aquél que haya sido conformado en forma laminar.

Las láminas no tienen que ser rigurosamente planas, sino que pueden estar curvadas o presentar un

relieve impreso en su superficie.

Se pueden clasificar de la siguiente manera

PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN DE VIDRIO PLANO

De los procedimientos anteriores el más utilizado hoy en día es de flotado.

● Procedimiento de soplado a boca.

La fabricación de vidrio plano soplado, que actualmente no posee más significación que la de su

importante valor histórico, se mantuvo, hasta épocas recientes como el único sistema de producción de

este tipo de vidrio, exceptuando la relativamente baja proporción de vidrio colado destinado en su

mayoría a la obtención de espejos.

El procedimiento más primitivo de soplado de vidrio plano, el de soplado en discos o en coronas y el otro

procedimiento de soplado de vidrio plano, que ha alcanzado mayor difusión que el anterior y que

continúa empleándose incluso en nuestros días es el de soplado en cilindros o manchones.

Mediante este procedimiento se han llegado a obtener hojas de vidrio de 2 por 0.75 m, lo que supone el

soplado y el manejo de manchones de un peso superior a 40 kg que dan idea de las especiales

facultades físicas y de la destreza que habían de lucir los sufridos y esforzados manchoneros.

● Procedimiento de soplado mecánico.

Los grandes crisoles llenos de vidrio fundido se situaban debajo de la máquina de estirado constituida

por una elevada torreta, a lo largo de la cual se deslizaba un tubo telescópico, en cuya parte inferior se

hallaba situada una caña con su boca ensanchada en forma de copa invertida. Para iniciar la operación de

estirado se sumergía el borde de la caña en el crisol y a continuación se extraía el vidrio elevando el tubo

lentamente, al propio tiempo que se inyectaba por la caña aire a presión. De esta forma era posible

estirar cilindros de más de 10 m de altura y de 0.80 m de diámetro.

Cuando el cilindro alcanzaba la longitud deseada, se cortaba por su parte inferior, se separaba de la caña

se recomenzaba el estirado de un nuevo cilindro.

Los cilindros obtenidos se seccionaban a la longitud deseada y a continuación se cortaban a lo largo de

una generatriz, se extendían, lo mismo que los manchones soplas a boca, y se recocían las láminas.

● Procedimientos de estirado mecánico .

La finalidad perseguida era conseguir extraer verticalmente, a partir de un baño de vidrio fundido,

contenido en un horno balsa, una lámina rectangular continua de vidrio que, inmediatamente después de

emerger, fuese cuidadosamente enfriada para evitar su deformación.

Se desarrollaron las siguientes variaciones del método:

-Sistema Colburn — Libbey-Owens .

La hoja nace directamente de la superficie del vidrio fundido, según muestra en la figura.

Dos parejas de pequeños rodillos dentados, refrigerados por agua, sujetan la lámina por sus bordes y

ejercen sobre ella una tracción ascendente.

Tras un breve recorrido de unos 60 a 70 cm a lo largo cual la hoja recién formada disipa parte de su calor,

pasando entre dos pantallas metálicas refrigeradas, es doblada en ángulo recto sobre un rodillo de

acero pulido y, a partir de ese momento, prosigue su avance en dirección horizontal a través de un largo

túnel o canal de enfriamiento de unos 60 m deslizándose bajo su propio peso sobre una serie de rodillos

transportadores forrados de asbesto.

-Sistema Fourcault.

El estirado de la hoja se inicia mediante un bastidor metálico especial que se sumerge en el vidrio

fundido. A fin de evitar la retracción transversal de la lámina recién formada, que se produciría por

efecto de su tensión superficial, y para mantener constante su espesor, se enfría lateralmente mediante

dos cilindros refrigerantes.

El avance de la lámina de vidrio, en este caso, transcurre verticalmente en todo su recorrido a largo de la

cámara de estirado, donde es elevada por varios juegos de rodillos de acero protegidos con asbesto. En

su camino ascendente se produce un recocido del vidrio por enfriamiento lento y gradual, de su

extracción, hasta la de unos 1000C que alcanza al final de la cámara. La velocidad de enfriamiento puede

regularse variando la ventilación de cámara a través de las pequeñas ventanas situadas a ambos lados de

la misma.

Cuando el borde libre de la lámina alcanza una determinada altura, se efectúa el corte de la hoja, bien

manualmente o mediante un sistema mecánico.

● Procedimiento de colado discontinuo.

Se cuela el vidrio fundido contenido en un crisol, sobre una superficie plana pulimentada y se lamina a

continuación mediante un rodillo metálico. La gruesa lámina de vidrio bruto así obtenida requiere

posteriormente un desbaste y pulido por ambas caras, a fin de eliminar todas sus irregularidades

superficiales.

Pero en Alemania se introdujo una importante innovación en este sistema, la cual consistía en colar el

vidrio entre dos cilindros laminadores. La colada de las tres toneladas de vidrio contenidas en un crisol

basculante se realizaba sobre mesas deslizantes o sobre un tren de rodillos transportadores que

conducían la hoja hasta el horno de recocido.

La ventaja de este procedimiento, en comparación con el primitivo de un solo rodillo, estribaba en la

posibilidad de obtener láminas de vidrio de menor espesor y más uniforme, lo que facilitaba la ulterior

operación de desbaste y pulido y acortaba el tiempo la misma.

● Laminado continuo.

El vidrio fundido contenido en la balsa, una vez afinado, pasa a una zona de acondicionamiento térmico,

llamada antecuerpo, sale al exterior rebosando por encima del labio de colada y continúa deslizándose

sobre una pieza refractaria intercalada entre éste y la laminadora, que tiene por objeto repartir

uniformemente la masa de vidrio entre los rodillos. La lámina de vidrio formada avanza horizontalmente a

través de una larga extendería donde se produce su recocido y enfriamiento.

● Procedimiento de flotado.

Con este proceso se obtiene directamente una lámina de vidrio pulida por ambas caras, sin necesidad de

ser sometida a ninguna operación posterior de desbaste y pulido. El vidrio adquiere por su cara superior

un pulido al fuego y por la inferior, el pulido especular que le comunica la superficie libre del baño de

estaño fundido sobre el que se desliza. Para proteger al estaño de su oxidación es preciso mantener en

la cámara una atmósfera reductora que se consigue haciendo pasar una corriente de nitrógeno con un

0.5 % de hidrógeno.

Después de afinado y acondicionado térmico el vidrio pasa del horno hasta el "spout” a través del canal.

En este la solera, a un nivel superior a la del horno, está provista de una cámara de refrigeración por aire

forzado con posibilidad de regulación, al objeto de poder modificar la temperatura del vidrio de fondo.

  

 TEMPLADO

La resistencia de una pieza de vidrio puede aumentarse al inducir intencionalmente esfuerzos residuales

de compresión en la superficie. Esto puede lograrse mediante un tratamiento térmico denominado

temple térmico. En ésta técnica, la pieza de vidrio se calienta a una temperatura mayor a la de transición

vítrea aunque por debajo del punto de ablandamiento. Luego se enfría a la temperatura ambiente en un

chorro de aire, o, en algunos casos en un baño de aceite. Los esfuerzos residuales se originan de las

diferencias en las velocidades de enfriamiento de las regiones superficiales y en el interior. Al principio,

la superficie se enfría más rápidamente y, una vez que la temperatura ha descendido por debajo del

punto de deformación, se hace rígida. En este momento, el interior, que se ha enfriado más lentamente,

se encuentra a una temperatura más alta (por encima del punto de deformación) y, por lo tanto, todavía

es plástico. Al continuar el enfriamiento, el interior intenta contraerse en un grado mayor que lo que le

permite el exterior que ahora se encuentra rígido. Así, el interior tiende a jalar hacia adentro la parte

exterior, o sea, a imponer esfuerzos radiales hacia el interior. Como consecuencia, después que la pieza

de vidrio se ha enfriado a la temperatura ambiente, experimenta esfuerzos de compresión en la

superficie, con esfuerzos de tracción en las regiones interiores.

La rotura de los materiales cerámicos casi siempre se debe a una grieta que se inicia en la superficie por

la aplicación de un esfuerzo a tracción. Para provocar la rotura de una pieza de vidrio templado, la

magnitud del esfuerzo de tracción aplicado externamente debe ser lo suficientemente grande para

superar en primer lugar el esfuerzo residual de compresión en la superficie, y además, tensionar

suficientemente la superficie para iniciar una grieta, la cual, puede entonces propagarse. En vidrio no

templado, la grieta se originará a un nivel de esfuerzos menor, en consecuencia, la resistencia a la

fractura será menor.

Propiedades adquiridas después del templado

Cuando un vidrio es templado, adquiere ciertas propiedades importantes. La resistencia a la flexión del

vidrio recocido al templarlo aumenta desde 400 kp/cm2 hasta 1.200–2.000 kp/cm2, lo que equivale de 4

a 5 veces la resistencia de un vidrio normal. La resistencia al choque térmico (diferencia de temperatura

entre una cara y otra de un paño que produce la rotura de éste) pasa de 60 °C a 240 °C, por lo que es

recomendado en puertas de hornos de cocina y lámparas a la intemperie.

El vidrio templado se utiliza en aquellas aplicaciones en las que es importante una alta resistencia.

Aplicaciones del vidrio templado

El vidrio templado se utiliza en aquellas aplicaciones en las que es importante una alta resistencia.

Este tipo de vidrio está destinado al acristalamiento en general y de seguridad, como puertas

correderas, entradas de edificios, mamparas de baño y ducha, divisiones interiores y otros usos que

requieren una mayor resistencia y seguridad. El vidrio templado no se puede transformar, es decir,

cortar, taladrar ni biselar, una vez que se ha templado. Tampoco puede ser modificado, por ejemplo,

pulido con chorro de arena ni grabado al ácido, ya que esto podría debilitarlo y causar daños prematuros.

TEMPLE POR INTERCAMBIO DE IONES

El templado químico se realiza sumergiendo al vidrio en un baño de sales de fusión a una temperatura de

450º aproximadamente. Mediante este proceso se produce un intercambio iónico donde los iones

contenidos en el vidrio ( Na +), más pequeños, se cambian por los iones contenidos en las sales ( K +) ,

más grandes. El mayor volumen de estos últimos comprimen la capa superficial del vidrio aumentando su

resistencia.

Ventajas :

- Ausencia de distorsiones ópticas - No hay riesgo de roturas espontáneas - Pueden templarse vidrios de

espesor inferior a 2 mm - Se pueden templar en el mismo baño vidrios de diferentes formas, espesores

y colores. - El vidrio templado químicamente puede retocarse ( cortarse, pulirse etc) después del

proceso.

Inconvenientes:

- Al contrario de lo que ocurre con el vidrio templado térmicamente, en caso de rotura, este vidrio se

fragmenta del mismo modo que un vidrio no templado, presentando aristas que pueden resultar

altamente lesivas para las personas.

Todo lo anteriormente expuesto nos lleva a concluir que el vidrio templado químicamente es idóneo

para su aplicación en determinados campos ( óptica, técnica aeroespacial etc) , pero no puede sustituir al

vidrio templado térmicamente en aquellos casos en los que sea necesario garantizar la seguridad de las

personas ( construcción, mobiliario etc).

Bibliografía

Composición y tipos de vidrio

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Estructura

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Templado por Intercambio de Iones

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