INTRODUCCIÓN

Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales, enlazados mediante uniones iónicas y/o covalentes. Se incluyen en esta categoría los productos de barro (ladrillos, losetas, alfarería y porcelana), vidrio, cemento y también los cerámicos modernos o de ingeniería (carburo de tungsteno) Ejemplos de materiales cerámicos son la sílice (o dióxido de silicio) ingrediente principal de la mayoría de los productos de vidrio; la alúmina (u óxido de aluminio) conocido como kaolinita, principal ingrediente en la mayoría de los productos de barro.

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INTRODUCCIÓN

Las materias primas cerámicas se transforman generalmente en productos sólidos por la acción del calor, como el cocido del barro o el calentamiento del vidrio para moldearlo por soplado. La palabra cerámica deriva del griego keramos, que significa barro de alfarero o utensilios hechos de barro cocido.

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INTRODUCCIÓN

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METALES NO METALES

Las cerámicas se forman mediante una combinación entre uno o mas elementos metálicos con uno o mas elementos no metálicos

HISTORIA

Se pueden nombrar cuatro cambios fundamentales o revoluciones a lo largo de la historia de la cerámica:

En el neolítico, conocido como la nueva edad de piedra (ubicado entre el 7000 a. C. y el 4000 a. C. el hombre nómada se sedentariza, y así como aparece el cultivo de cereales y el pastoreo, aparece la cerámica, un invento trascendental que revoluciono la vida del hombre ya que le proporciono el acceso de recipientes, por lo ya no era necesario estar cerca del agua ya que podían almacenarla, así como granos, semillas, productos molidos en sus propios medios. La cerámica reemplaza a la cestería. En esta etapa todavía no se conocen los hornos, las quemas se hacen a ras del suelo en forma de fogata.

El segundo tiene que ver con la aplicación de la rueda en el proceso de fabricación posibilitando así un seriado en la producción de objetos. El invento del torno de alfarero, ya en la Edad de lo Metales, vino a mejorar su elaboración y acabado

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HISTORIA

La cuarta revolución de la historia de la cerámica hace referencia a los hornos en donde se queman las piezas que permitió industrializar la cerámica.

La tercera revolución consiste en el descubrimiento y aplicación de los esmaltes vítreos que permitieron impermeabilizar los objetos con mayor dureza y resistencia al deterioro. Este fue descubierto casualmente durante el proceso de fundir los metales en los hornos de tierra, en el periodo conocido como Nuevo Imperio (1550 – 1069 a C.)

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Los materiales cerámicos se pueden clasificar en tres tipos básicos:

CLASIFICACIÓN

Basados principalmente en la sílice y que se diferencian de los otros cerámicos por no presentar una estructura cristalina.

CERÁMICOS TRADICIONALES:

Silicatos –caolines y materiales arcillosos- que se usan para la producción de artículos de barro tales como utensilios y ladrillos, abrasivos comunes y cemento.

NUEVOS CERÁMICOS

Los cerámicos más recientemente desarrollados, basados en compuestos que no son silicatos, sino óxidos y carburos que poseen generalmente propiedades físicas o mecánicas superiores o únicas comparadas con las de los cerámicos tradicionales.

VIDRIOS

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PROPIEDADES

Alta dureza y tenacidad debido a sus enlaces iónicos y covalentes pero también presentan baja ductilidad. La alta sujeción de los electrones en las moléculas cerámicas es la causa de que estos materiales sean conductores pobres de la electricidad Los fuertes enlaces dotan también a estos materiales con altas temperaturas de fusión, algunos de ellos, más que fundirse, se descomponen a altas temperaturas. Los materiales cerámicos presentan generalmente estructuras cristalinas más complejas que las de los metales.

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ENLACE COVALENTE: enlace que se produce entre elementos que se encuentran cercanos en la Tabla Periódica.

Comparación de la estructura de una cerámica cristalina y un vidrio (no cristalino) Los círculos celestes representan átomos de un no metal y los rosados de un metal.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Los materiales cerámicos son rígidos y frágiles, y exhiben un mejor comportamiento esfuerzo-deformación, caracterizado como perfectamente elástico. Esto se debe a que los enlaces iónicos y covalentes de los materiales cerámicos son más rígidos y no admiten deslizamiento ante los esfuerzos. Debido a las imperfecciones en su estructura cristalina, los materiales cerámicos fallan por fractura mucho más fácilmente que los metales, cuando se les aplica un esfuerzo. Su resistencia a la tensión y su tenacidad son relativamente bajas. Su desempeño es menos predecible que en los metales, debido a la naturaleza aleatoria de las imperfecciones y a las variaciones en los procesos, especialmente en productos hechos con materiales cerámicos tradicionales. Los materiales cerámicos son sustancialmente más resistentes a la compresión que a la tensión.

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PROPIEDADES MECÁNICAS

EJEMPLOS DE RESISTENCIA DE MATERIALES A LA TRACCIÓN

EJEMPLOS DE RESISTENCIA DE MATERIALES A COMPRESIÓN

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PROPIEDADES MECÁNICAS

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PROPIEDADES MECÁNICAS

Los métodos para mejorar las propiedades mecánicas en los materiales cerámicos son: Hacer más uniformes los materiales de partida; Disminuir el tamaño de los granos; Minimizar la porosidad Usar reforzamiento de fibras Usar tratamientos térmicos

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PROPIEDADES FÍSICAS

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Los cerámicos son más ligeros que los metales y más pesados que los polímeros. Los puntos de fusión son más altos que la mayoría de los metales, algunos materiales cerámicos se descomponen antes que fundirse. Las conductividades eléctricas y térmicas de la mayoría de los materiales cerámicos son más bajas que las de los metales pero el rango de valores es más amplio, lo cual permite que algunos se usen como aislantes, mientras que otros como conductores eléctricos.

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MATERIAS PRIMAS

Las materias primas con los que están compuestos cada grupo de materiales cerámicos son:

CERÁMICOS TRADICIONALES

Están constituidos por tres componentes básicos: arcilla (mineral), sílice (es uno de los componentes de la arena) y feldespato (mineral que se encuentra en la corteza terrestre compuesto principalmente por silicio y aluminio).

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MATERIAS PRIMAS

Las materias primas con los que están compuestos cada grupo de materiales cerámicos son:

CERÁMICAS INGENIERILES

Los nuevos materiales cerámicos son químicamente más simples que los cerámicos tradicionales, están constituidos por compuestos puros o casi puros tales como, óxidos, carburos (compuestos que se forman a partir de carbono y otros elementos), nitruros (se forman a partir de nitrógeno en estado de oxidación) y sales de boro.

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PRODUCTOS CERAMICOS

Alfarería y artículos de mesa: artículos de barro o terracota, loza y porcelana. Ladrillos y tejas: Los ladrillos para la construcción, los tubos de barro, las tejas y los tabiques se hacen de varias arcillas de bajo costo. Estos productos se forman por presión (moldeado) y cocido a temperaturas relativamente bajas. Refractarios la alúmina se usa frecuentemente como cerámico refractario, junto con la sílice. Abrasivos: Los materiales cerámicos tradicionales usados para productos abrasivos, como piedras de esmeril y papel lija.

PRODUCTOS CERÁMICOS TRADICIONALES

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PRODUCTOS CERAMICOS

Óxidos cerámicos: amplia variedad de aplicaciones, abrasivos (arenilla para ruedas de esmeril), biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes para aleación en vidrio, tabiques refractarios, insertos para herramientas de corte, conos aislantes de bujías y componentes de ingeniería. Los carburos cerámicos incluyen el carburo de silicio (SiC), apreciados por su dureza y resistencia al desgaste en las herramientas de corte. Nitruros: material ideal como recubrimiento superficial de las herramientas de corte. Aplicaciones de alta temperatura.

NUEVOS MATERIALES CERÁMICOS

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PROCESAMIENTO

PROCESAMIENTO DE CERAMICOS TRADICIONALES

Los procesos de formado de los productos cerámicos tradicionales requieren que el material inicial tenga forma de pasta plástica, compuesta de finos polvos mezclados con agua. Su consistencia determina la facilidad para formar el material y la calidad del producto final.

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PROCESAMIENTO

PROCESAMIENTO DE CERAMICOS TRADICIONALES

PREPARACION DE LA MATERIA PRIMA La materia prima cerámica se encuentra en forma de terrón rocoso y su reducción a polvo es el propósito de los pasos de preparación en el procesamiento cerámico. Operaciones de pulverización: el triturado y la molienda

PREPARACION DEL CUERPO CERAMICO Mezcla, homogeneización y amasado La pasta plástica consiste en polvos cerámicos –arcilla- y agua. Se le pueden agregar otros componentes para darle funciones especiales (fundentes, agentes humectantes)

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PROCESAMIENTO

SECADO El agua es importante en la mayoría de los procesos de formado pero luego debe removerse antes de quemar la pieza. Al quitarle la humedad, la pieza se contrae. El secado en producción se realiza en cámaras donde se controla la temperatura y la humedad.

MOLDEO Colado, prensado, extrusión Los procesos de formado pueden dividirse en base a la consistencia de la mezcla: Fundición o vaciado: la mezcla es una pasta aguada Métodos de formado plástico: se forma la arcilla en condición plástica Prensado semiseco: la arcilla esta húmeda pero posee baja plasticidad Prensado seco: la arcilla esta básicamente seca.

PROCESAMIENTO DE CERAMICOS TRADICIONALES

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PROCESAMIENTO

PROCESAMIENTO DE CERAMICOS TRADICIONALES

COCCION quemado o sinterizado Después del formado pero antes del quemado, la pieza cerámica esta verde. El quemado es el proceso de tratamiento térmico que sinteriza al material cerámico y se realiza en un horno. En el sinterizado se desarrollan uniones entre los granos cerámicos, haciendo al material mas denso y menos poroso.

PRODUCTO CERAMICO

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PROCESAMIENTO

PROCESAMIENTO DE NUEVOS CERAMICOS

Los nuevos cerámicos se basan en compuestos químicos mas simples, los cuales no poseen la plasticidad y facilidad de formado de las arcillas tradicionales cuando se mezclan con agua. Los polvos deben combinarse con otros ingredientes para lograr plasticidad y otras propiedades.

PREPARACION DE LA MATERIA PRIMA Los polvos iniciales deben ser mas homogéneos en tamaño y composición y los tamaños de partículas deben ser menores. Esta preparación incluye métodos mecánicos (los mismos que para los cerámicos tradicionales) y químicos (Descomposición de sales, Co-precipitación desales, Descomposición de compuestos organometálicos, Evaporación-condensación).

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PROCESAMIENTO

FORMADO Prensado en caliente: similar al prensado en seco pero a elevadas temperaturas. Así el sinterizado se lleva a cabo con el prensado Prensado isostático: se usa presión hidrostática para compactar los polvos cerámicos en todas direcciones. Procesos de bisturí: se usa para hacer laminas delgadas de material cerámico (para usos electrónicos como material de sustrato para circuitos integrados) Moldeo por inyección de polvos (MIP): las partículas de material cerámico se mezclan con un polímero termoplástico que proporciona las características adecuadas para la inyección en un molde.

PROCESAMIENTO DE NUEVOS CERAMICOS Prensado en caliente

Prensado isostático

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PROCESAMIENTO

SINTERIZADO Se omite el secado necesario en la cerámica tradicional. Las funciones del sinterizado son las mismas que antes.

ACABADO Estas operaciones tiene varios propósitos: incrementar la precisión dimensional; mejorar el acabado de la superficie; hacer cambios en la geometría de la pieza.

PROCESAMIENTO DE NUEVOS CERAMICOS

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Churro

CONFORMACIÓN Y MODELADO

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CONFORMACIÓN Y MODELADO

Torneado

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CONFORMACIÓN Y MODELADO

Colado

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CONFORMACIÓN Y MODELADO

Prensado ( uniaxial e isostático)

prensado uniaxial prensado isostático en frio

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Extrusión

CONFORMACIÓN Y MODELADO

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Cerámica roja o barro: denominada así por su color,

tanto cuando húmeda como una vez cocida, debido a su alto contenido en hierro. En la naturaleza se encuentran grandes cantidades de este tipo de arcilla, la mayoría de las veces a flor de tierra, aunque, en muchas ocasiones, en su estado natural, resulta una arcilla demasiado plástica, y contiene muchas impurezas naturales y sedimentadas, por lo que hay que someterla a un lavado y

decantado en depósitos utilizado para este fin. • Se hornea a no mas de 1000º. • No vítrea • Porosa. • Uso industrial y doméstico

CLASIFICACIÓN Y CONFORMACIÓN

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Gres: pasta cerámica, formada por arcillas naturales o

combinación de arcillas plásticas refractarias, sílice y feldespato. Sus principales características son su dureza y ser casi impermeable una vez cocido a su temperatura de sinterización vítrea. (1200° 1300°C Aplicaciones: sanitarios, tuberías de saneamiento, vajillas, alfarería. El mayor campo de aplicación es la producción de

pavimentos y revestimientos de baldosas para el suelo. •Color rojo o blanco. Vítreo • No poroso. Denso y duro • Industrial y doméstico • Resiste ácidos.

CLASIFICACIÓN Y CONFORMACIÓN

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Loza: El uso popular del término loza se aplica o refiere a la mayoría de

los objetos que conforman la vajilla doméstica, cuyo material original es el barro cocido. Pueden distinguirse dos tipos genéricos: la loza monocroma (por lo general blanca), y la loza decorada.

• Se hornea entre 950 y 1280º. • Color Blanca. Vítrea. • Segunda cocción. • Industrial y doméstica.

CLASIFICACIÓN Y CONFORMACIÓN

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Mayólica: es el nombre que se da

desde el renacimiento a un tipo de decoración cerámica sobre loza, con un esmalte de plomo opacificado con estaño, posteriormente se decora los diversos motivos con óxidos sobre la anterior base. La pasta es una arcilla de baja

temperatura natural . • Se hornea entre 950 y 980º. • Color Blanca. Vítrea. • Segunda cocción. • Siempre con recubrimiento • Industrial y doméstica.

CLASIFICACIÓN Y CONFORMACIÓN

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Porcelana china: La porcelana es un material

cerámico producido de forma artesanal o industrial y tradicionalmente blanco, compacto, duro, translúcido, impermeable, resonante, de baja elasticidad y altamente resistente al ataque químico y al choque térmico, utilizado para fabricar diversos componentes desde vajillas y jarrones, lámparas, esculturas y elementos ornamentales y decorativos.

Desarrollado por los chinos en el siglo VII u VIII. • Se hornea entre 950 y 980º. • Color Blanca. Vítrea. • Mono cocción. • Doméstica.

CLASIFICACIÓN Y CONFORMACIÓN

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Esmaltado o

Vidriado

ACABADOS

El esmalte, (o esmalte vidriado, o esmalte porcelánico) es el resultado de la fusión de cristal en polvo con un sustrato a través de un proceso de calentamiento, normalmente entre 750 y 850 ºC. El polvo se funde y crece endureciéndose formando una cobertura suave y vidriada muy duradera en el metal, el vidrio o la cerámica. A menudo se aplica el esmalte en forma de pasta, y puede ser trasparente u opaco cuando es calentado. El esmalte vidriado tiene muchas propiedades; es suave, resistente a las agresiones mecánicas o químicas, duradero, puede mantener colores brillantes durante mucho tiempo y no es combustible. Entre sus desventajas destaca su tendencia a romperse o hacerse añicos cuando el sustrato es sometido a deformaciones o esfuerzos

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Pulido que se hace a las piezas de barro al natural con herramientas de diferentes materiales, maderas, metales o huesos.

BRUÑIDO:

Son componentes de arcillas coloreadas natural o artificialmente, que se utilizan en la cerámica tradicional para recubrir el bizcocho o bañarlo cuando el barro tiene impurezas o cuando está muy granoso. Arcilla (blanca, roja, etc.) aproximadamente 70 %, antiplásticos (feldespato, cuarzo, etc.), un mordiente (esmalte transparente brillante o fundente alcalino) hasta un 30% y un elemento colorante (óxidos, pigmentos, carbonatos, etc.) que no supera el 20% del material arcilloso.

ENGOBE:

ACABADOS

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Son componentes que sirven para aplicar a la cerámica una superficie o acabado vítreo, impermeabilizando el barro y endureciendo. Como los vidrios, son predominantemente de sílice. Son polvos muy finos mezclados con agua para formar una pasta, que al aplicarla sobre la superficie de la cerámica forma una capa delgada y uniforme. Cuando la cerámica se cuece al rojo vivo o más comienzan a producirse una reacción entre los dos, especialmente en la cerámica, donde se forma cierta cantidad de vidrio cuando se acerca al punto de vitrificación en el horno. La cerámica de bajo fuego no alcanza temperaturas muy altas y no se produce la formación del vidrio en la arcilla, por lo que hay poca reacción con el vidriado, lo que se traduce en la dificultad de acoplarse.

ESMALTADO:

ACABADOS

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ESMALTADO A TERCER FUEGO:

Para aplicar los colores a tercer fuego, se procede sobre una pieza ya vidriada y cocida dos veces: la primera, hasta 900° C ('bizcocho') y la segunda, tras el vidriado, entre 1.260 y 1.400° C. Una vez decorado el azulejo o la pieza, se realiza una tercera, con una temperatura que oscila entre 750 y 800° C. Gracias a estas altas temperaturas se pueden conseguir variados colores.

ACABADOS

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Los colores para la cerámica se aplican a partir de óxidos colorantes COLOR:

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ACABADOS

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ACABADOS

Los óxidos de cobre dan colores "verdosos", como el de las viejas tuberías de cobre

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ACABADOS

Los óxidos de cobalto aportan tonalidades "azuladas"

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ACABADOS

El óxido de hierro da tonos marrones, como los colores de las puertas antiguas, las viejas herramientas de labranza, etc.

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ACABADOS

El dióxido de manganeso aporta tonos que van desde el negro hasta tonos ciruela/púrpura, pigmento tan antiguo que aun podemos ver su uso en el arte prehistórico.

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ACABADOS

La ilmenita (Titanio de Hierro) aporta colores tostados/marrones

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ACABADOS

El óxido de cromo generalmente produce tonalidades verdes

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OBJETOS DE CERÁMICA

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OBJETOS DE CERÁMICA

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BIBLIOGRAFÍA

Fundamentos de la Manufactura Modera. Mikell P. Groover. Capitulo 9; materiales cerámicos. Capitulo 19; procesamiento de productos cerámicos y cermets. Ciencia de Materiales para ingenieros. James F. Shackelford. Capitulo 1; materiales en ingeniería. Capitulo 8; cerámicas y vidrios

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