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6.1.- Tipos de materiales cerámicos.

Pieza de alfarería.

Los cerámicos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes criterios como su origen, su campo de aplicación, su estructura atómica, etc.

En general, los materiales cerámicos se suelen dividir en estos dos grandes grupos:

  • cerámicos tradicionales: normalmente, están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en la industria de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica.
  • cerámicos avanzados o industriales: denominados también cerámicos finos, de ingeniería, o de alta tecnología porque proporcionan alta resistencia a temperaturas extremadamente altas, bajo peso, alta dureza y alta resistencia a la corrosión. Se emplean para componentes para turbinas, para automóviles, para usos aeroespaciales, intercambiadores de calor, prótesis, herramientas de corte, etc. Están constituidas por compuestos puros o casi puros, tales como el óxido de aluminio, carburo de silicio , o nitruro de silicio.

Se mencionan a continuación algunos tipos de cerámicos industriales, que difieren básicamente en los compuestos de los que se componen:

  • Cerámicos a base de óxidos:
    • Alumina (óxido de aluminio, Al203). Se trata del cerámico a base de óxido más utilizado, ya sea en estado puro o como materia prima para mezclar con otros óxidos. Aunque se encuentra presente en la naturaleza, con un % importante de impurezas y propiedades no uniformes que le confieren un comportamiento poco fiable, en la actualidad la alumina se fabrica de manera completamente sintética para poder controlar su calidad.
      Por sus propiedades físicas y mecánicas (elevada dureza y resistencia moderada, se pueden utilizar hasta 1650ºC, y es buen aislante eléctrico y térmico) se utiliza en insertos de herramientas de corte y abrasivos, biocerámicos (huesos y dientes artificiales), aislantes eléctricos y térmicos, componentes electrónicos, ladrillos refractarios en aplicaciones a altas temperaturas, etc.,
    • Zirconia (óxido de zirconio, ZrO2). Presenta una resistencia hasta de 2200ºC, buena tenacidad, resistencia al desgaste y a la corrosión, baja conductividad térmica, y bajo coeficiente de fricción. Dopando la zirconia con óxidos de calcio o magnesio, se obtiene la zirconia parcialmente estabilizada (PSZ) , de mayor resistencia y tenacidad, y menor conductividad térmica, adecuada para aplicaciones como dados para la extrusión en caliente de los metales, como perlas de zirconia usadas como medio de esmerilado y de dispersión para recubrimientos para usos aeroespaciales, anticorrosivos, pinturas automotrices.
Imagen de discos de abrasivo fabricados en SiC.
  • Carburos:
    • Carburo de tungsteno (WC): formado por partículas de carburo de tungsteno con cobalto (Co) como aglutinante. Con el contenido en Co aumenta la tenacidad pero disminuye la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. Se emplea en herramientas de corte y materiales para dados y troqueles.
    • Carburo de titanio (TiC). Lleva níquel y molibdeno como aglutinantes, y tiene aplicaciones similares al WC, aunque no es tan tenaz.
    • Carburo de silicio (SiC): presenta buena resistencia al desgaste, al choque térmico y a la corrosión, bajo coeficiente de fricción, y conserva la resistencia a latas temperaturas. Se emplea en componentes de motores que trabajan a elevadas temperaturas, así como en abrasivos en piedras de esmeril.
Varios componentes de material cerámico para rodamientos fabricados en nitruro de silicio.
  • Nitruros:
    • Nitruro de boro cúbico (CBN): es después del diamante, la segunda sustancia más dura que se conoce. No se encuentra en la naturaleza, por lo que se fabrica sintéticamente para aplicaciones en herramientas de corte y en abrasivos de piedras de esmeril.
    • Nitruro de titanio (TiN): gracias a su bajo coeficiente de fricción, se emplea como recubrimiento de herramientas de corte mejorando y alargando su vida útil.
    • Nitruro de silicio (Si3N4): tiene elevada resistencia a la termofluencia a temperaturas elevadas, una dilatación térmica baja y una conductividad térmica alta. Es adecuado para componentes que trabajan a altas temperaturas como turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir.
  • Cermets: se pueden considerar materiales compuestos, formados por materiales cerámicos y metálicos, aglutinados mediante técnicas de metalurgia de polvos. Con diferentes combinaciones posibles, combinan la resistencia a la oxidación a altas temperaturas de los cerámicos con la tenacidad, ductilidad y resistencia al choque térmico de los metales. Su principal aplicación es en herramientas de corte, aunque algunos cermets han sido desarrollados para aplicaciones a altas temperaturas, como componentes de motores a reacción o frenos de aeronaves. También se emplean cermets como ánodos en pilas de combustible. El cermet más común es un carburo cementado, por ejemplo WC o TiC, embebido en una matriz metálica de cobalto o níquel.
  • Sialon: formado por nitruro de silicio con adiciones de óxido de aluminio, y otros óxidos y carburos, es empleado en herramientas de corte.
Imagen de fibra óptica.
  • Vidrios: el vidrio es un material cerámico obtenido a partir de materiales inorgánicos a altas temperaturas, que se distingue de otros cerámicos en que sus constituyentes son calentados hasta fusión y después enfriados hasta un estado rígido sin cristalización; tienen una estructura (no cristalina, sino que amorfa) de líquidos superenfriados, es decir, a una velocidad demasiado elevada como para permitir la formación de cristales.
Los vidrios no tienen un punto de fusión o solidificación definido como en un sólido cristalino, pero a medida que se enfría, gradualmente, se vuelve más y más viscoso; siendo fácil de modelar o darle forma, mediante soplado. La viscosidad de un vidrio es una de sus propiedades mas importantes.
Actualmente, existen más de 750 tipos de vidrios comerciales, cuyas aplicaciones van desde vidrios para ventanas, iluminación, tubos para TV, CRT, o utensilios de cocina, hasta vidrios especiales con propiedades mecánicas, eléctricas, químicas (anticorrosión), y características a temperaturas que los hacen adecuados para aplicaciones especiales. Se emplean vidrios especiales para fibras ópticas (comunicación por medio de luz) y en fibras de vidrios (para uso en plásticos reforzados). Además, la combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería.
Todos los vidrios contienen al menos un 50% de sílice (SiO2), compuestos de silicio y oxígeno.
  • Vitrocerámicas o cerámicos vidriados : son materiales cerámicos avanzados que combinan propiedades de los materiales cerámicos cristalinos con la de los vidrios. Se obtienen como los vidrios y por tanto pueden ser conformadas fácilmente pero luego, mediante un proceso térmico controlado, cristalizan hasta el 90 % de su masa vítrea. La mayoría de las vitrocerámicas tienen mejores resistencias al impacto mecánico que los vidrios (porque no hay poros) y al choque térmico (porque los coeficientes de dilatación térmica son muy bajos), y son muy resistentes a la corrosión provocada por la alta temperatura.

Reflexiona

¿Sabes de dónde viene el término "cermet"?

Para saber más

En este catálogo, encontrarás más información acerca de algunos de los materiales cerámicos mencionados en este apartado y empleados para herramientas de corte:

Para saber más

En este enlace podéis ver el funcionamiento de la fibra óptica e información sobre su producción.

Fibra óptica
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