Materiales Cerámicos Utilizados en la Fabricación de Quemadores de Gas Propano para Forjado de Acero

1. Fundamentos teóricos

1.1 Cerámicos

El término “cerámica” viene de la palabra griega “keramikos” que significa “cosa quemada”, indicando de esta manera el procedimiento habitual mediante el cual se obtienen las propiedades adecuadas de dichos materiales. Sin embargo, con el paso del tiempo y el avance y evolución de las técnicas de desarrollo y producción de materiales, el concepto de cerámica se amplió tomando en cuenta también a otro tipo de elementos donde el tratamiento térmico no fue necesario para su desarrollo.

En general se puede definir una cerámica como un material inorgánico no metálico que consta de elementos metálicos y no metálicos enlazados entre sí principalmente por enlaces iónicos y/o enlaces covalentes. La composición química de los materiales cerámicos puede variar debido al tipo de elementos que la componen y los enlaces que estos produzcan, y puede ir desde compuestos simples hasta mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

Las propiedades de los materiales cerámicos también tienen una alta gama de variación debido al tipo de enlace que sus elementos internos formen; pero en general se puede decir que los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles, con tenacidad y ductilidad sumamente bajas. Los cerámicos son generalmente buenos aislantes térmicos y eléctricos debido a la ausencia de electrones conductores. Además los materiales cerámicos tienen temperaturas de fusión relativamente altas y gran estabilidad química gracias a la estabilidad de sus enlaces fuertes.

Por todas las propiedades antes mencionadas, los cerámicos son materiales indispensables en muchas aplicaciones de ingeniería donde materiales metálicos y poliméricos no responderían de una manera tan eficiente como lo hiciese un cerámico. Globalmente, los materiales cerámicos que se utilizan en aplicaciones de ingeniería se pueden dividir en dos grupos: los materiales cerámicos tradicionales y los materiales cerámicos de ingeniería. Distintivamente, la cerámica tradicional está hecha de tres componentes básicos que son arcilla, sílice y feldespatos donde los casos más tradicionales de estas son los vidrios, ladrillos y azulejos usados en construcción y la porcelana eléctrica usada en la industria de la electricidad. Por otra parte las cerámicas de ingeniería consisten típicamente en compuestos puros o casi puros como óxidos, carburos y nitruros metílicos, especialmente los de silicio, cuyas aplicaciones van desde la tecnología automotriz hasta la producción de circuitos integrados.

La mayor parte de los productos cerámicos tradicionales y de ingeniería se fabrican compactando polvos o partículas en formas que posteriormente se calientan o se secan para que las partículas se unan entre sí. Los pasos básicos para el procesamiento de cerámicas por aglomeración de partículas son: 1) Preparación del material, 2) Formación o vaciado y 3) Tratamiento térmico o secado.

Debido a su proceso de conformado, las cerámicas presentan propiedades mecánicas muy propias de sí. Como un material, las cerámicas son relativamente frágiles. Además, muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus enlaces iónicos-covalentes. Por otra parte, este mismo tipo de enlace produce que los cerámicos carezcan de comportamiento plástico. Así cuando los materiales cerámicos se someten a esfuerzos suficientemente grandes, sufren una fractura frágil a causa de la separación de sus enlaces sin la posibilidad de reformación. Este comportamiento lo presentan mayoritariamente las cerámicas policristalinas, siendo también este grupo el de mayor importancia industrial por lo que casi todos los materiales cerámicos producidos en la actualidad tienden a ser frágiles.

Las fallas mecánicas de los materiales cerámicos se presentan principalmente por defectos estructurales. Las principales fuentes de fractura en los cerámicos son las grietas superficiales, los poros, las inclusiones y los granos grandes que se forman durante el procesamiento. Bajo estas circunstancias, los poros son una causa de falla mecánica que adquiere una especial importancia. Los poros son regiones donde se concentra el esfuerzo al que está sometido el cerámico y cuando este esfuerzo llega a un valor crítico, a partir del poro se genera una grieta que se propaga con relativa facilidad debido a que en este tipo de materiales no existen procesos grandes de absorción de energía como en los metales. Por lo que una vez que la grieta empieza a propagarse, esta continua creciendo hasta que se presenta la fractura. Los poros son también perjudiciales para la resistencia de los cerámicos ya que reducen el área transversal donde se aplica la carga y por consiguiente el esfuerzo que el material puede soportar es menor.

Así, la resistencia de un material cerámico está determinada por múltiples factores, entre los cuales la composición química, la microestructura y la condición de la superficie son los principales. Pero también ésta se ve afectada por la temperatura, el medio ambiente, el tipo de esfuerzo y la forma en que este se aplica.

Otro factor importante a evaluar en los cerámicos es la tenacidad a la fractura que estos tienen, la cual es baja debido a la combinación de enlace iónico y covalente. Este tema ha sido uno de los más investigados y en los que más intentos se han dado para cambiarlo, ya que a través de los últimos años se han buscado métodos de desarrollo de cerámicas como prensado con aditivos en caliente y reacciones de enlace para producir cerámicas con mayor tenacidad.

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