Processos de Fabricació i Propietats de Metalls, Ceràmiques i Vidres

Mètodes de Fabricació de Metalls

Els metalls es poden crear mitjançant diversos mètodes:

Emmotllament

• El metall fos es diposita en un motlle.
• Ideal per a formes complexes o materials poc dúctils (ex: ferros colats).

Deformació de Metalls

El material es deforma amb esforços superiors a la seva resistència màxima.

Treball en Fred

• Augmenta la resistència, però redueix la ductilitat.
• Es pot recuperar la ductilitat amb una recuita.

La Recuita: Etapes i Importància

La recuita és un procés de tractament tèrmic (temperatures i temps controlats) que ens ajuda, per exemple, a obtenir fils de coure. Per a la recuita, la temperatura ha de ser superior al 40% de la temperatura de fusió absoluta del material. Hi ha 3 etapes per a la recuita:

1. Recuperació: Es mantenen les propietats mecàniques i millora la conductivitat elèctrica i la resistència a la corrosió.
2. Recristal·lització: Es formen nous grans cristal·lins sense defectes i es recuperen les propietats mecàniques.
3. Creixement del gra: Cal evitar aquesta etapa, ja que els grans augmenten de mida i s'empobreixen les propietats mecàniques.

Deformació en Calent

• És equivalent a la deformació en fred seguida d'una recuita.
• Es realitza a temperatures elevades per evitar la pèrdua de ductilitat.
• Ideal per corregir defectes en metalls colats.

Hi ha moltes variants per a la deformació:

Altres Mètodes de Conformació

Mecanització

• Utilitza eines com torns o serres per donar forma al metall.

Soldadura

• Uneix peces mitjançant fusió local (ex: soldadura per arc o làser).

Sinterització

• El metall en pols es compacta i s'escalfa sense fondre's, aconseguint una unió per difusió.
• Utilitzat en materials amb alt punt de fusió (ex: ceràmics).

A continuació, es mostren les temperatures en què es realitzen els tractaments:

Metalls Específics: Coure, Llautó i Alumini

Exemple Pràctic: Coure Trefilat

El coure es trefila en fred per a cables elèctrics. Després d'una deformació del 80%, es necessita una recuita per evitar esquerdes. El diàmetre mínim sense recuita és de 1,6 mm, partint d'un fil de 8 mm.

Materials Ceràmics i Vidres

Classificació dels Materials Ceràmics

• Ceràmiques: Materials policristal·lins o parcialment amorfs obtinguts per sinterització.
• Vidres: Materials amorfs.
• Vitroceràmiques: Materials policristal·lins obtinguts a partir d'un vidre.
• Ciments: Endureixen per reacció química a temperatura ambient.

Les ceràmiques no es poden fondre ni deformar plàsticament (són fràgils), per la qual cosa es conformen per sinterització. En aquest procés, les partícules se solden entre elles a temperatures inferiors a la de fusió (T < Tf), obtenint així el material ceràmic.

Tecnologia de Conformació Ceràmica

• Compressió: El motlle s'omple amb pols granulada i es compacta.
• Conformació plàstica: Es prepara una mescla amb comportament plàstic.
• Emmotllament: La mescla es fa per partícules en suspensió dins d'un líquid.

Microestructura de les Ceràmiques

Conté porus i microesquerdes. La porositat (P) es calcula amb:

Obtenció i Conformació de Vidres

Els vidres s'obtenen per refredament ràpid. Per donar-los forma (conformar), es realitza a temperatures elevades (T < Tf), on la viscositat disminueix i el material flueix més fàcilment.

Obtenció i Conformació de Vitroceràmiques

La vitroceràmica és un material ceràmic policristal·lí obtingut a partir d'un vidre.

Propietats dels Materials Ceràmics

Propietats Relacionades amb la Temperatura de Fusió

Aquestes propietats estan relacionades amb la temperatura de fusió (TF), que indica la intensitat d'atracció entre els àtoms:

• Alta duresa
• Baixa dilatació tèrmica
• Alta rigidesa (mòdul d'elasticitat, E, elevat)

Aplicacions: Revestiments antidesgast, contenidors de metalls fosos, aïllants elèctrics.

Propietats Relacionades amb l'Enllaç Iònic-Covalent

• Fràgils: Sense deformació plàstica i poc tenaços (no tenen plans de lliscament).

Resistència Mecànica

• La resistència a tracció (σut) és baixa i variable a causa de les microesquerdes. Disminueix (σut↓) quan el volum augmenta (volum↑), ja que hi ha més probabilitat d'esquerdes.
• La resistència a compressió (σuc) és aproximadament 10 vegades superior a la de tracció (10·σut), per tant, resisteixen molt més.
• Flexió: La resistència a flexió (σuf) és superior a la de tracció (σuf > σut).
• Fatiga estàtica: Les esquerdes creixen sota càrrega constant, provocant fractura sense avís.

Vidres i Ceràmiques Tradicionals

Matèries Primeres

Quars, feldespat, argila.

Transformacions durant la Cocció (a 1200ºC)

• Argila → Mul·lita (3Al2O3 · 2SiO2) + quars + líquid
• Feldespat → Líquid vitri (uneix partícules).
• Quars → No es transforma significativament, ja que la seva temperatura de fusió (TF) és de 1700ºC.

Compostos de la Família Sílice-Alúmina

• Sílice (SiO2): Segons el diagrama de fases, el SiO2 no dissol l'alúmina, ja que no hi ha cap línia que indiqui solubilitat.
• Alúmina (Al2O3): L'Al2O3 tampoc dissol el SiO2.
• Mul·lita (~ 3Al2O3 · 2SiO2): Per a composicions intermèdies (70-80%), la sílice i l'alúmina reaccionen per formar aquest compost intermedi. No és una dissolució de SiO2 en Al2O3 o viceversa, sinó un compost diferent amb una estructura cristal·lina pròpia.

Tipus de Vidre Silicat

• Sòdico-càlcics: SiO2 + Na2O + CaO. Usats en ampolles i finestres.
• Borosilicats (PYREX): Baixa expansió tèrmica i alta resistència al xoc tèrmic.
• Al plom: Cristall decoratiu amb propietats òptiques interessants.
• Flint: Usat en lents òptiques (ulleres, etc.).

Vidre Trempat

• Refredament ràpid → La superfície queda a compressió → Major resistència.
• La resistència a tracció del vidre trempat (σut_trempat) és igual a la tensió de compressió superficial (σ_compressió) més la resistència a tracció del vidre sense trempar (σut_base).