Ceramicos Como Materiales Para Ingenieria

Las cerámicas técnicas como material para ingeniería Datos técnicos, ejemplos y aplicaciones para la elección de materiales cerámicos técnicos Por el ingeniero (FH) Klaus Wolf, FRIATEC AG, Mannheim

Las exigencias relacionadas con el rendimiento y con la resistencia al desgaste y a la corrosión sobrepasan cada vez más los límites de los materiales convencionales. Las excelentes propiedades de los materiales cerámicos y la creciente oferta de los mismos ofrecen al ingeniero nuevas perspectivas para resolver problemas.

Los materiales cerámicos requieren de una notable amplitud de miras por parte del ingeniero. Hasta el momento de la producción de un componente cerámico en su forma definitiva se hace necesaria una estrecha colaboración entre el diseñador de la aplicación y el suministrador de componentes cerámicos, ya que en el análisis de la solución de ingeniería mas idónea habrá que introducir un nuevo factor: el modo más rentable disponible para producir el componente cerámico. Las cerámicas de alta pureza de bases oxídicas y no oxídicas están ya muy lejos de la aún muy extendida definición según la cual la cerámica “tiene una bonita apariencia, es dura al tacto y, al caerse, se deshace en mil pedazos”. Con respecto a la clásica y conocida cerámica de silicato únicamente tienen en común los métodos de fabricación. En lo tocante a sus propiedades, estos materiales se hallan mucho más próximos al sinterizado de piezas metálicas. Los estudios de mercado más recientes referidos al uso industrial de estas cerámicas arrojan el siguiente resultado en las cuotas de mercado:

Óxido de aluminio (Al 2O3) 80% Óxido de circonio (ZrO2) 7% Carburo de silicio (SiC) 5% Nitruro de silicio (Si 3N4) 5% Otros 3%

Nivel de precios: Al 2O3 = 1, ZrO 2 = 5-20, SiC = 1-3, Si 3N4 = 20.

Razones de las diferentes cuotas de mercado

Históricas: El inicio de la producción industrial. La evolución histórica de los diferentes materiales es la siguiente: Óxido de aluminio hace 60 – 70 años Óxido de circonio hace 20 – 25 años Carburo de silicio hace 10 – 15 años Nitruro de silicio hace 10 – 15 años

Ámbitos de aplicación: Aproximadamente el 90% de todos los componentes cerámicos fabricados hoy en día se emplean en la electrotecnia. Con una cifra de ventas a nivel mundial de 6.400 millones de Euros de productos con cerámicas técnicas, esto supone unos 5.700 millones de Euros en componentes para electrotecnia. Aquí ha alcanzado el óxido de aluminio su mayor relevancia, gracias a sus excelentes propiedades, como son la alta resistencia eléctrica, la mayor resistencia dieléctrica, así como una capacidad para la metalización y la soldadura. El 10% restante de los componentes fabricados se reparten todos los materiales cerámicos, en función de sus propiedades, en los ámbitos de aplicación tales como el de la fabricación de maquinaria, el de la industria química, el de las altas temperaturas, el de los suministros de laboratorio, el de la tecnología farmacéutica, el de la óptica, el de la fabricación de reactores y otros.

Las cerámicas técnicas como material para ingeniería 2

Materia prima: En el precio de la materia prima influyen los siguientes factores: La disponibilidad del material de partida, el lugar y la situación de la zona de explotación, el proceso de depuración, la pureza exigida del material base, la composición química del material en polvo de partida y muchos más. El precio de la materia prima depurada y preparada para su procesamiento oscila en función de la pureza y la finura del grano. Incluso dentro de un grupo de materiales las diferencias de precio son enormes. Estos costes de la materia prima, sobre todo en caso de materiales de partida extremadamente caros, resultan decisivos para lograr una utilización económica del producto final.

Conformado, sinterizado y postprocesado: Estos procedimientos de fabricación tan diversos para los diferentes materiales cerámicos siguen ejerciendo aún hoy en día una influencia decisiva sobre los costes, y por lo tanto, sobre la utilización en la industria de las cualidades de la cerámica. Debido a la experiencia de muchos años en la producción y en el procesamiento, el óxido de aluminio aún lleva una enorme ventaja hoy en día a los demás materiales cerámicos.

Propiedades: Las posibilidades de utilización de las cerámicas en los diferentes ámbitos de aplicación se ven condicionadas por las propiedades requeridas en cada caso. Raro es el caso en el que resulta posible dar un servicio razonable en el ámbito de utilización de la cerámica Al 2O3, ya probada y acreditada desde hace décadas, con otras cerámicas, ya que las propiedades térmicas, químicas, eléctricas y químicas de los materiales cerámicos son totalmente diferentes. De los muchos ejemplos existentes, bastará citar el de una bujía de ZrO 2 o de SiC en comparación con la de hoy en día de Al 2O3, la cual además de tener un precio considerablemente más alto, únicamente presenta desventajas frente a esta última, o que ni siquiera funciona. Para que se incremente la cuota de mercado de las “nuevas” cerámicas también habrá que encontrar nuevos ámbitos de aplicación para las mismas. En este punto a los usuarios y a los fabricantes de cerámicas se les exige que creen el perfil de propiedades requerido para la aplicación y que elijan la cerámica apropiada a tal efecto. Desde la posterior fase de pruebas hasta su fabricación en serie suele transcurrir a un largo tiempo. La Tabla 1 muestra, a modo de ejemplo, el perfil de demanda del Al 2O3 en los diferentes ámbitos de aplicación.

Tabla 1

propiedades requeridas

térmicas mecánicas eléctricas químico- ópticas

demandas especiales

estructura del material

Aplicaciones y sectores industriales

++ demandas muy elevadas + demandas elevadas ( ) en aplicaciones especiales

Resist. a temp. elevadas

Resist. al cambio de temp.

Conductibilidad térmica

Resistencia a la rotura

Resistencia al desgaste

Resistencia a la fluencia

Resistencia eléctrica

Propiedades dieléctricas

Resist. a la corrosión

Transparencia

Acabado superficial

Adherencia de una metalización

Pureza

Densidad

Tamaño del grano

Bujías para la industria del motor

+ ++ + ++ + +

Guiahílos, industria textil (+) ++ + (+) + (+) Guiado de alambre, industria del transformado de metales ++ + ++ + + Cerámica de corte, industria del transformado de metales + ++ + ++ ++ + ++ ++ ++ Componentes de bombas, industria química + + + ++ ++ ++ (+) + (+) Industria electrónica ++ + + ++ + ++

...