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LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES LMEC – 225

Guía de Laboratorio Taller de Fabricación de Materiales Cerámicos 1. Objetivos -

Estudiar los materiales básicos utilizados en la industria de la cerámica. Saber la preparación de los materiales básicos para la fabricación de la cerámica. Conocer los procedimientos de fabricación para las piezas cerámicas. Visitar el museo de cerámica de la localidad de Tiwanacu.

2. Fundamento Teórico Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos no metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían considerablemente, desde compuestos sencillos a mezclas de muchas fases complejas enlazadas. Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el óxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un módulo de conducción térmica 2.1. Estructura y Composición de un Objeto Cerámico Para poder entender las transformaciones que ocurren en un objeto cerámico necesitamos conocer su naturaleza y los principales materiales que lo componen.

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Los objetos de cerámica están formados a partir de PASTAS CERÁMICAS, que no son más que una mezcla de componentes que cumplen diferentes funciones: · Materiales plásticos: son los que aportan la capacidad de dar forma a las pastas. Son las arcillas y los caolines, ambos formados por caolinita (Al2O3.2 SiO2.2H2O). · Materiales antiplásticos (grasos): en crudo compensan el exceso de plasticidad y una vez cocidos aportan estructura y armazón a los objetos cerámicos. Son la sílice (en sus diferentes formas cristalinas: cuarzo, cristobalita y tridimita), la alúmina (Al 2O3) y la chamota (barro ya cocido y triturado a la granulometría deseada) · Fundentes: son los materiales de menor temperatura de fusión que ayudan a que fundir parcialmente a los materiales más refractarios. Los principales fundentes son los feldespatos. Además, las pastas cerámicas pueden tener otros componentes como los óxidos colorantes y otros que actúan variando sus propiedades físicas. Quizás el proceso físico-químico más importante que ocurre en el horno es el que puede denominarse con el nombre genérico de “sinterización” y que consiste en la consolidación de las diferentes materias primas que constituyen la pasta hasta formar una sustancia dura e inerte, tal como conocemos la cerámica cocida. Este proceso de sinterización es bastante complejo e incluye reacciones en estado sólido, formación de eutécticos, crecimientos cristalinos, formación de sustancias fundidas y fenómenos de transporte que, a su vez, dependen de la composición particular de cada pasta. 2.2. Procesamiento de Cerámicas El proceso de fabricación de cerámica puede ser diferente en cada caso. Las diferencias más notables de los procesos productivos individuales respecto al general se dan en las operaciones de preparación de las materias primas (molienda, humectación, amasado, etc.) y en el moldeo (prensado, extrusión, colada, torneado, etcétera). El proceso de producción general utilizado en la industria cerámica puede verse en la figura 1.

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Figura 1. Proceso general de fabricación de la cerámica Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices, o moldeados a mano, que son posteriormente calentados (coccionados) a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: 1. Preparación de material 2. Moldeado o vaciado 3. Tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.

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2.3. Materias Primas La mayoría de los productos cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy «críticas» tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos (como el carbonato de litio, por ejemplo). 2.4. Molienda En el proceso de molienda se realiza la trituración de la arcilla sin tratar que provenga directamente de la cantera, y se obtiene la materia prima con la granulometría y textura necesarias para su posterior conformado. Puede llevarse a cabo de dos formas distintas, por vía seca o por vía semihúmeda. Las arcillas secas y duras se preparan mejor en instalaciones por vía seca. Este tipo de sistema asegura la obtención de un porcentaje importante de partículas finas que se humectan con más facilidad y rapidez, obteniéndose una masa muy homogénea y de mayor plasticidad. Como consecuencia obtenemos un mejor acabado y una mayor resistencia mecánica, tanto del material seco como del producto cocido. Por otro lado, también puede llevarse a cabo este proceso por vía semi-húmeda, donde el proceso de humectación de la arcilla puede comenzar desde el mismo lecho de homogeneización. En estas condiciones el agua queda fuertemente ligada al cristal arcilloso, dando como resultado un aumento de la plasticidad y cohesión de la masa arcillosa, así como un aumento de su resistencia a las tensiones del secado. En algunos casos, la arcilla molida puede ser mezclada con distintos aditivos según los requerimientos de calidad del producto final. Existen distintos tipos de maquinaria para llevar a cabo este proceso según el tipo de molienda que se realice. Para la rotura de la arcilla en vía semi-húmeda se utiliza el molino de martillo o muelas. Si la trituración se realiza en la mina o cantera, se utiliza la desmenuzadora, que admite desde mineral seco hasta una humedad máxima del 20%. Para el proceso de mezcla es además usual la utilización del rallador alimentador rotativo, que permite obtener una perfecta mezcla entre los aditivos y la arcilla. 2.5. Conformado de las Piezas Cerámicas Los productos cerámicos industriales fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de Taller de Fabricación de Materiales Cerámicos

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conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbonita y extrusión son los métodos de modelado de cerámica que se utilizan más comúnmente. 2.6. Proceso de Fabricación de las Piezas Cerámicas 2.6.1. Amasado La arcilla debe estar lo bastante húmeda (en general entre valores de 12 a 15% de humedad) para que se pueda mantener unida cuando se trabaja. En el amasado se regula el contenido de agua de la mezcla de la arcilla mediante la adición de agua o vapor (el vapor puede provenir de una caldera auxiliar). Para el amasado de la arcilla, en las fábricas de cerámica se utiliza la amasadora, máquina especialmente diseñada para la homogeneización de una mezcla de arcilla y la incorporación de más agua o de colorantes y aditivos. En las condiciones del presente laboratorio este procedimiento es manual. 2.6.2. Moldeo En el caso del moldeo el proceso puede diferir en función del material a fabricar. Los sistemas de moldeo más empleados en la industria cerámica son:      

Moldeo manual: Cerámica artística, ladrillera. Tornos cerámicos: Cerámica artística, vajillas. Colada o vaciado: Loza sanitaria. Extrusión: Ladrillera. Prensado en semi-seco: Baldosas y azulejos. Prensado en seco: Azulejos, baldosas, refractarios, vajillas y piezas especiales.

2.6.3. Prensado La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados, por esta técnica se fabrican, por ejemplo, los ladrillos de construcción comunes. 2.6.4. Prensado en Seco Este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea, y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas.

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2.6.5. Compactación Isostática En este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado cartucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica a presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterizacion) para obtener las propiedades microestructurales requeridas. Productos cerámicos de este tipo son refractarios, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes. 2.6.6. Compresión en Caliente En este proceso se consiguen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión unidireccional como la isostática. 2.6.7. Extrusión Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este proceso es de aplicación común en la producción.

Figura 2. Extracción y moldeo de las piezas cerámicas

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2.6.8. Secado El objetivo del secado es la reducción del contenido de humedad de las piezas antes de su cocción, es una operación compleja en la que convergen múltiples factores: naturaleza de la arcilla, grado de preparación y homogeneización, tensiones que pueden haber tenido lugar durante el moldeo, diseño y formato de la pieza, uniformidad o desuniformidad de secado, etc. El tipo de secado que se lleve a cabo influirá en la resistencia y calidad final de la pieza después de su cocción. El secado de una pieza cerámica de cualquier tipo transcurre en dos fases: -

Eliminación del agua de mojado a velocidad constante manteniéndose húmeda la superficie de la pieza. En esta etapa se produce una contracción en la pieza igual al agua eliminada. La velocidad de eliminación del agua decrece manteniéndose seca la superficie de la pieza. La contracción de esta etapa es muy pequeña.

El problema fundamental del secado es evitar que la contracción que sufre la pieza origine agrietamientos y roturas. Este condicionante controla la velocidad de secado ya que un secado excesivamente rápido puede agrietar la pieza. Para eliminar estos defectos en las piezas hay que evitar que los gradientes de humedad en la pieza sean excesivamente elevados. 2.6.9. Cocción La cocción es la fase más importante y delicada del proceso de fabricación de productos cerámicos. En este proceso se confiere a la pieza las propiedades deseadas, al mismo tiempo que se muestra si las fases precedentes (amasado, moldeo y secado) se han llevado a cabo correctamente o no. Las piezas se cuecen en hornos cerámicos (hornos eléctricos especiales para llegar a las temperaturas deseadas), a una temperatura que va desde 875ºC (considerado estado biscocho) hasta algo más de 1000ºC (esmaltado-Vidrio fundido) a 1200°C (Cerámica gress). 2.7. Tipos de Hornos para la Cocción de Piezas Cerámicas 2.7.1. Horno de Túnel El principio del horno de túnel es que está formado por una zona de fuego fija, mientras las piezas a cocer se desplazan. Dentro del horno se distinguen tres zonas: precalentamiento, cocción y enfriamiento. 

Precalentamiento: en esta zona existe una corriente de aire caliente procedente de la zona de cocción que circula en sentido contrario al material. Normalmente se utiliza como fuente térmica el calor recuperado del horno y se pretende que el material pierda su contenido en agua (tanto la absorbida superficialmente como la estructural) aumentando la temperatura de manera progresiva.

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Cocción: los quemadores de combustible se ocupan de conseguir la curva de cocción óptima en la parte central del horno. Enfriamiento: el material se somete a enfriamiento progresivo, con el objetivo de evitar grietas en las piezas por un contraste brusco de la temperatura. Figura 3.

Figura 3. Horno de Túnel 2.7.2. Horno Hoffmann A diferencia del horno túnel, en este caso el material a cocer se mantiene estático, y es el fuego el que se desplaza a lo largo de las distintas cámaras hasta conseguir una curva de cocción de características similares a las generadas en los hornos túnel. Este tipo de horno está formado por una serie de cámaras unidas, que son llenadas por el material seco proveniente del secadero, donde los quemadores se desplazan de una cámara a otra, cociendo el material. Este sistema también permite el precalentamiento de la mercancía y la refrigeración de los gases de escape. Figura 4.

Figura 4. Horno Hoffmann Taller de Fabricación de Materiales Cerámicos

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2.7.3. Horno eléctrico Su característica principal es por el modo de cocción parcialmente cerrado con pequeños conductos de aire para que filtre el cambio de aire por dentro, este horno es mediante resistencias eléctricas y placas de ladrillo refractario alternado con las resistencias dando así una temperatura mayor a 800°C. Su uso es más artesanal, brinda la cocción de piezas pequeñas o en poca cantidad, es más utilizada por quienes tienen una producción mínima o artística (piezas elaboradas a mano siendo piezas únicas).

Figura 5. Horno Eléctrico 2.7.4. Horno de Campo Es un horno con el método de cocción artesanal que se utilizaba desde los inicios de la civilización de Tiwanaku. Pariti es la isla de donde se conseguía más piezas para la utilización ya sea utilitarios o de tipo ofrenda, en dicha isla se halla horno tipo cúpula, este horno era elaborado con Adobe (ladrillos de barro y paja seca), juntamente con bosta (excremento de animal), el cual utilizaban como combustible, y piezas defectuosas las cuales actuaban como paredes refractarias. Esa tradición o modo de quema aún sigue, pero su modo de trabajo ya es más al aire libre y el viento es quien actúa como medidor de temperatura

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Figura 6. Horno de Campo 2.7.5. Horno CONDORWASI Es un trabajo de horno Arsenal mediante la utilización de un turril, rejillas y ladrillos refractario, este horno es conocido y utilizado ya que da un tipo de acabado ahumado, llega a una temperatura de 600°C a 950°C, dependiendo la alimentación de fuego que se haga. Su modo de uso es netamente artesanal, y fue creado con el fin de dar más opciones de quema, es también un modo artístico de trabaje lo que son tipos de acabado y experimentación de pastas con diferentes ingredientes (se puede sustituir la chamota o sílice por material organico).

Figura 7. Horno CONDORWASI Taller de Fabricación de Materiales Cerámicos

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3. Procedimiento práctico del laboratorio El laboratorio de cerámica se desarrolla en la localidad de Tiwanacu de la ciudad de La Paz o, excepcionalmente, en los ambientes de la carrera. El fin del taller práctico, es que él estudiante tenga relación manual con los tipos de arcilla que existen en la localidad y en la ciudad de La Paz, teniendo asi la elaboración de una pieza con la pasta que preparan. Durante la visita a la localidad de Tiwanacu, se ofrecerá una explicación sobre los materiales a utilizarse en la preparación de la pasta y se hará una visita a los depósitos de arcillas de la región. Durante esta misma actividad se procederá a: 1. Extracción de la arcilla. 2. Molienda de la arcilla. 3. Preparación y mezcla de ingredientes cerámicos (pasta basica 70% de arcilla, 20% de chamota o sílice, 10% de talco cerámico o Poke). 4. Dosificación de agua y amasado. 5. Reposo o maceración de la pasta. 6. Modelado o elaboracion de pieza. 7. Secado de la pieza. 8. Coccion de la pieza elaborada (estado bizcocho de 800°C a 1000°C) 4. Cuestionario e Informe del Laboratorio El informe del laboratorio debe contener mínimamente:    

Las respuestas al cuestionario adjunto. Descripción de los materiales y equipos usados y para las piezas cerámicas. Descripción del procedimiento de preparación de las piezas cerámicas, acompañado de material gráfico (dibujos o fotografías). Recomendaciones y cuidados de las piezas cerámicas.

1. ¿Cuál es el lugar de procedencia de los materiales usados para las piezas cerámicas? 2. ¿A qué temperatura de cocción tiene que estar la pieza cerámica dentro del horno y porque? 3. ¿Qué precauciones se tiene que tomar en cuenta para que no sufra desperfectos la pieza dentro del horno de cocción? 4. ¿Qué tipos de hornos existen para la cocción de piezas cerámicas? (Describa cada uno)

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5. ¿Cuál es el horno más utilizado en el Altiplano y porque? 6. ¿Qué es la molienda? 7. ¿Cuál proceso de producción general utilizado en la industria de la cerámica? 5. Bibliografía https://books.google.com.bo/books?id=TuWaxjnVOqIC&pg=PA8&source=gbs_toc_r&cad=3#v=on epage&q&f=false http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-losmateriales/contenido/TEMA%204-%20MATERIALES%20CERAMICOS.pdf http://www.si3ea.gov.co/Portals/0/Gie/Procesos/ceramica.pdf http://sifunpro.tripod.com/piezas_ceramicas.htm http://ceramica.name/tecnologia_ceramica/Archivos/Hornos%20ceramicos.pdf Horno CONDORWASI, Fernándo Chiti, Buenos Aires Argentina Horno artesanales de la región- Ramírez,nedda, investigadora Ceramista Preparado e investigación de pastas- Mg en cerámica CORTES,Sergio Madrid-España https://books.google.com.bo/books?id=TuWaxjnVOqIC&pg=PA8&source=gbs_toc_r&cad=3#v=onepage&q& f=false http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-los-materiales/contenido/TEMA%204%20MATERIALES%20CERAMICOS.pdf http://www.si3ea.gov.co/Portals/0/Gie/Procesos/ceramica.pdf http://sifunpro.tripod.com/piezas_ceramicas.htm http://ceramica.name/tecnologia_ceramica/Archivos/Hornos%20ceramicos.pdf

NOTA.- El presente documento es un extracto y compilación de las diferentes páginas de internet y otra bibliografía arriba especificadas, adecuada para el presente laboratorio, no debe considerarse como autoría original del Docente o del Auxiliar de la Materia.

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