Tecnología de Materiales: Procesos y Propiedades de Cerámica y Vidrio

Cerámica

Pieza formada por mezcla de diferentes tipos de arcilla, moldeada y sometida a una cocción.

Tipos de Cerámica

• Cerámica porosa o basta: ladrillos, tejas, rasillas
• Cerámica vitrificada o fina: gres, porcelana, gres porcelánico

1. Materias Primas

Arcillas

Es un silicato de aluminio deshidratado, roca sedimentaria de otros tipos de roca, feldespatos descompuestos, arena de < 2 micras e impurezas de sedimentación.

Características de la Arcilla

• Plasticidad: Añadir agua sin que se convierta en líquido, mejor trabajabilidad. Índice de plasticidad (IP = LL - LP).
  • + Plasticidad: añadir carbonato cálcico, silicatos, desairear.
  • - Plasticidad: desengrasantes, arena, ceniza, chamota.
• Porosidad: + agua = + porosidad, velocidad de cocción alta = + porosidad, depende del agua de la arcilla.
• Color: Depende de dosis, impurezas, temperatura de cocción.

Desengrasantes

Según IP:

• Magras: IP baja, - trabajabilidad, + arena, - arcilla, - plasticidad, - adherencia.
• Grasas: IP alta, + trabajabilidad, - arena, + arcilla, + plasticidad, + adherencia.

Sustancias desengrasantes: chamota, ceniza, arena silícea.

Mejor trabajabilidad, - plasticidad, - adherencia, - contracción.

Agua

Contiene sales solubles que provocan eflorescencia.

2. Preparación de las Pastas para Mejorar

• Depuración: Eliminar sales (eflorescencias) y cal (caliches).
• División: Reducir a arcillas pequeñas.
• Homogeneidad: Mezcla íntima de arcilla, desengrasante y agua.
• Contenido de Humedad: Cantidad idónea para moldeo y cocción.

Procesos a seguir:

• Meteorización: Exponer al aire libre para eliminar impurezas.
• Maduración: Desgranado y reposo de tierras.
• Podrido: Conservar pasta en naves frías, sin aire y luz, humedad constante (caro, + plasticidad).
• Levigación: Arcillas con H₂O y reposar en balsas (caro).

3. Modelado

• A mano: Pasta blanda (25% de agua), acabado rústico.
• Extrusión: Pastas duras (15% de agua), desaireado mejora trabajabilidad, mayor densidad y homogeneidad en pasta.

Defectos: grietas en S, dientes de perro y curvatura de columna.

Prensado: Pastas secas (5-6% de agua), acabado preciso.

4. Secado

Evapora agua de amasado. Si se seca rápido, el proceso de evaporación será lento y habrá contracciones. Hay que aportar y renovar el aire.

5. Cocción

Convertir masa en material con resistencia y durabilidad.

• 200-250ºC: Elimina agua que queda del proceso de secado.
• A los 350ºC: Oxidación de impurezas que tiene la arcilla.
• 450-650ºC: Elimina agua de constitución, deja de ser plástica, irreversible.
• A 950ºC: Fin de cocción, a partir de aquí recristalización, etc.

Hornos: continuos (producto quieto y fuego en movimiento y viceversa) e intermitentes (hormiguero, campana o botella).

Cerámica Fina / No Porosa

1. Materias Primas

• Caolín: Arcilla pura, blanca, ingrediente principal cerámica fina.
• Arcillas grasas: Sedimentación de grano fino, con materia orgánica. Uso en cerámica fina: 60% vitrificada, 35% azulejos, 25% gres.
• Arcilla gres: Buena plasticidad, buen secado, poca porosidad.
• Barbotinas: Alto contenido de Óxido de Hierro, cal y álcalis. Para pastas de vidriado en porcelanas gres.
• Talco: Principal para azulejos por prevención de grietas capilares.
• Feldespatos y fundentes: Vitrifican y traslucen. Bajan Temperatura de fusión, bajo coste y solubles en agua.

2. Proceso de Fabricación

Prensado, extrusionado, colado.

Dos tipos de cocción: bicocción y monococción.

3. Productos

Tipos de absorción de agua (I: <3%, IIa: 3-6%, IIb: 6-10%, III: >10%). Tipo de moldeo (A: extruida, B: prensada).

Tipo de acabado: GL (esmaltada), UGL (no esmaltada).

• Azulejo: BIII, GL, porosa, monococción y bicocción.
• Majólica: III, revestimiento coloreado y poroso, acabado vítreo.
• Gres porcelánico: BI, no poroso sin esmalte, monococción.
• Pavimento gres: BI-BIIa, no poroso, con esmalte, monococción.
• Baldosín catalán: AIIb-III, poco poroso, no esmaltado.
• Refractario: Repele y absorbe calor. Para hornos. Alto contenido en alúmina y bajo en hierro, hasta 1700ºC.

Ladrillos

Dimensiones estándar: 29x14x(5, 7, 9) cm.

• Macizo: Perforaciones en tabla < 10% del volumen.
• Perforado (calat): Perforaciones en tabla < 10%, 3 perforaciones mínimas.
• Hueco (foradat): Perforaciones en canto y testa superiores a 16 cm².
• Aplantillado: No paralelepípedo.
• Mocheta (queixat): Corte cuadrado.

Defectos en Cerámica

• Caliche: Grano de óxido cálcico, producido durante cocción de la masa, se expande y da lugar a los desconchados.
• Exfoliaciones: Defectos en fase de moldeo, crea estructura laminar.
• Corazón negro: Mancha oscura en el interior del tocho. No afecta a la resistencia. Se produce en tochos muy compactos que quedan crudos.
• Eflorescencia: Manchas blancas superficiales a causa de cristalización de las sales solubles.

Vidrio

Material rígido formado por compuestos inorgánicos que carecen de temperatura de fusión fija.

Materias Primas

Vitrificantes

Forman la red vítrea y dan características principales.

• Sílice: (50-80%) Aumenta resistencia mecánica, estabilidad química, resistividad eléctrica, resistencia al choque térmico y transparencia a UV. Se obtiene a partir de cuarzo, cuarcitas, arena de cuarzo. Temperatura de fusión elevada.
• Óxido de Boro: Asociado a la sílice, deben resistir temperatura y mantener estabilidad al choque térmico. Aumenta resistencia mecánica, química, módulo elástico, dureza y disminuye coeficiente de dilatación térmica.
• Pentóxido de Fósforo: Elevada solubilidad. Vidrios para aplicaciones biomédicas u ópticas especiales.

Fundentes

Generan desorden en estructura amorfa. Rebajan la temperatura de fusión y facilitan la elaboración.

• Óxido de Sodio: 12-15%.
• Óxido de Potasio: <1%, aumenta viscosidad, periodo de trabajo, densidad, índice de refracción y brillo, disminuye estabilidad química.
• Óxido de Litio: Más caro y menos usado. Baja coeficiente de dilatación (vitrocerámica, tubos de TV, rayos X).

Estabilizantes

Corrigen la solubilidad.

• Óxido de Calcio: Tercer componente (8-13%). Aumenta estabilidad química y mecánica. Mejoras en fase de afinado.
• Óxido de Magnesio: Baja coeficiente de dilatación, aumenta resistencia al choque térmico, dureza y estabilidad térmica.
• Óxido de Bario: En vidrios ópticos. Aumenta densidad, sonoridad, índice de refracción y brillo.
• Óxido de Aluminio: Aumenta resistencia mecánica, estabilidad química, refracción, baja coeficiente de dilatación, aumenta viscosidad, trabajabilidad y tensión superficial.
• Óxido de Plomo: Aumenta elasticidad, sonoridad, resistividad eléctrica.
• Óxido de Zinc: Baja coeficiente de dilatación y aumenta resistencia al choque térmico, baja viscosidad a alta temperatura y alarga el intervalo de trabajo.

Moldeo y Conformación

• Soplado, Prensado, Laminado, Plano o Estirado.
• Flotado: Balsa de 1020 ºC de la que sale una lámina continua que pasa por rodillos y entra a una cámara de 1150 ºC sobre un baño de estaño. Pulido a ambas caras, arriba fuego y abajo estaño. Enfriado a 700 ºC, recalentamiento a 850 ºC, enfriamiento a 650 ºC.
• Colado: Moldes.

Acabados

• Templado: Enfriamiento rápido, resistencia 2-5 veces mayor.
• Termoendurecido: Tratamiento de seguridad, calentar a 400 ºC para detectar cromo.
• Recocido: Eliminan tensiones internas.
• Desbastado: Arena húmeda con abrasivo, caras planas y paralelas, no transparente.

Vidrio Comercial

• Plano: Por flotación, laminado o estirado (no plano). Reciben tratamiento de desbastado o pulido.
• Curvado: Molde refractario a 700 ºC para reblandecer y adaptar el vidrio al molde.
• De Seguridad: Armado (5-7 mm de grosor), multicapa (seguridad simple 3+3, seguridad fuerte 4+4/5+5/6+6, antirobo 6+6+6, antibala 10+10+2.5/6+6+6).
• Fibra de Vidrio: Aislamiento térmico y absorción acústica.
• Vidrios Reflectantes: Cara tratada para reflexión de radiación visible e infrarroja. Unión de diferentes vidrios.
• De Baja Emisividad: Dejan pasar radiaciones solares y no las de longitud de onda más larga (efecto invernadero).
• U-Glass: Fabricado por laminación y luego curvado en forma de U. Gran rigidez y translúcidos.
• Con Cámara: Con aire deshidratado en medio.
• Opacas: Impide el paso de la luz, color deseado.
• Translúcidas: Corrosión química en una de las caras.
• Pyrex: Vidrio borosilicatado, gran resistencia al choque térmico y químico.

Propiedades

• Densidad: 2.5 kg/dm³
• Dureza: 6.5
• Resistencia: 10,000 kg/cm³
• Flexión: 400 kg/cm² (plano), 1200-1400 kg/cm² (templado)
• Coeficiente térmico: 4.9 kcal/h·m²·ºC (simple), 2.4 kcal/h·m²·ºC (con cámara)