Esmaltes de porcelana y revestimientos cerámicos

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La mayoría de las cerámicas son óxidos de metales, o mezclas o soluciones de los mismos. Sin embargo, algunos materiales cerámicos contienen poco o ningún oxígeno. En general, la cerámica es más dura, más inerte y más frágil que los materiales orgánicos y los metales. La mayoría de los revestimientos cerámicos se utilizan para aprovechar las dos primeras propiedades y minimizar la tercera.

Esmaltes cerámicos de baja temperatura

La excelente resistencia a la corrosión de algunos metales, especialmente el aluminio y el cromo, se debe a la excelente adherencia de sus películas de óxido.

La razón por la que el aluminio no se corroe es que, a diferencia del hierro, sus productos de óxido forman una película muy protectora. En el pasado, se pensaba que esta protección requería una relación mística entre el metal y su óxido, pero los recientes conocimientos sobre la estructura de los metales y los óxidos metálicos han permitido desarrollar aleaciones que forman películas más estables y adherentes.

En la actualidad se acepta que estas películas de óxido pueden espesarse y estabilizarse mediante tratamiento térmico, electrólisis o reacción química.

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La presencia de estos recubrimientos en metales y aleaciones influye mucho en propiedades como la emisión y absorción de radiación, las características de fricción y humectación, y las propiedades eléctricas y electroquímicas.

Los revestimientos cerámicos suelen contener compuestos de metales distintos del metal base. La mayoría de ellos son óxidos, de naturaleza amorfa o criptocristalina.

Pueden dividirse en dos grupos:

Reactivos químicos

Son óxidos metálicos naturales que se modifican químicamente para formar revestimientos más estables o densos. Esta categoría incluye el tratamiento con cromato del aluminio, el estaño y el zinc, el anodizado electrolítico y el tratamiento con fosfato soluble del hierro. Las películas formadas son más inertes a la mayoría de los productos químicos que las películas de óxido normales y este proceso se conoce como “pasivación”.

Coloides inorgánicos

Las partículas coloidales son lo suficientemente pequeñas como para que su energía superficial sea suficiente para la unión.

Estas partículas pueden formarse en una suspensión coloidal conocida como lodo o barbotina. Entre ellos se encuentran coloides naturales como las arcillas hidrofílicas y materiales fibrosos o en forma de placa finamente molidos como el amianto, la mica, el grafito, el titanato de potasio, el monohidrato de alúmina, el hidrato de circonio y el sulfuro de molibdeno.

Algunos coloides inorgánicos son verdaderos soles muy finamente dispersos. Según el contenido de sodio, el grado de alcalinidad y el grado de dilución, pueden ser líquidos finos, líquidos viscosos o semisólidos semitransparentes. Los nuevos soles acuosos incluyen otros silicatos alcalinos, hidratos y fosfatos ácidos de aluminio, titanatos y silicatos de alquilo, e hidratos de cal.

Estos revestimientos suelen procesarse por secado o coagulación. La película y el sustrato secos suelen calentarse lo suficiente como para eliminar todo rastro de humedad, como en el caso de los lubricantes, los emisores termoeléctricos y los revestimientos fluorescentes, con lo que se “fija” irreversiblemente el revestimiento para su uso final.

Alternativamente, la fuerza de adhesión relativamente baja de la película seca puede utilizarse para fijar el revestimiento mediante un calentamiento adicional. Esta es la base del esmaltado de porcelana mediante el “proceso húmedo”.

Proceso a media temperatura en la cerámica

En el rango de temperaturas de 538 a 1093°C, la mayoría de los vidrios de silicato se funden. En esta región se produce la fusión de los polvos vítreos (normalmente denominados fritas) y la formación del vidrio a partir de los materiales constitutivos, lo que constituye la base del esmaltado de la porcelana.

La principal diferencia entre el acristalamiento y el esmaltado es el sustrato. Si el sustrato es un metal, el revestimiento vítreo se denomina esmalte; si se aplica a un cuerpo cerámico, como la porcelana, la loza, la terracota, la cerámica o la electrocerámica, el revestimiento se denomina esmalte.

Como estos revestimientos son vítreos, pueden ser transparentes, pero la mayoría de los esmaltes y muchos vidriados contienen una sustancia cristalina finamente dividida que los colorea y los hace más o menos opacos.

Los esmaltes se utilizan principalmente para proporcionar resistencia a la corrosión, al calor, al desgaste y a la abrasión, pero también se utilizan con frecuencia para dar un aspecto atractivo.

Los esmaltes vítreos no se pueden clasificar fácilmente. Una solución de esmalte típica puede contener más de diez componentes diferentes, incluidos los que forman una red vítrea o vidriosa (feldespato, frita, bórax y otras fuentes minerales de silicatos, fosfatos y boratos).

Los modificadores suelen ser compuestos alcalinos y alcalinotérreos y plomo. También incluyen fundentes, paklificantes, agentes de suspensión y arcillas, así como óxidos refractarios, destinados a disolverse en el vidrio fundido y aumentar su viscosidad. También pueden incluirse óxidos y otros compuestos como el cobalto, el níquel, el manganeso, el arsénico y el antimonio para mejorar la adherencia entre el vidrio y el metal.

Esmaltes cerámicos de porcelana

La mayoría de los esmaltes de porcelana están formados por dos o más capas de vidrio aplicadas por separado y fundidas entre sí.

Su propósito es adherirse firmemente al sustrato metálico y evitar la interacción no deseada entre el sustrato y el esmalte, así como la formación de gas del metal.

Los colores azul, marrón y negro de la mayoría de los pelos de fondo se deben a este aditivo. Cuando no se requiera un color más claro (piezas de la gama, pinturas resistentes al calor, algunas aplicaciones resistentes al desgaste), basta con una capa base sobre el metal de base.

Aunque puede ser necesaria una “capa superior” para resistir el ataque químico, la abrasión, el impacto, el calor o la intemperie, los esmaltes se utilizan más a menudo para dar un acabado duradero y atractivo al hierro y las aleaciones ferrosas.

Se llaman esmaltes de “porcelana” porque son principalmente blancos. Los primeros esmaltes contenían antimonio y circón para darles su opacidad y blancura, pero hoy en día se utilizan más el óxido de circonio y el dióxido de titanio.

El óxido de circonio y el dióxido de titanio no sólo son muy opacos, sino que también tienen una excelente resistencia a los ácidos. Como resultado, los esmaltes que contienen titanio pueden aplicarse ahora en una sola capa no sólo sobre una capa base adecuada, sino también sobre aceros especiales.

Estos esmaltes pueden fundirse sobre acero que contenga titanio, acero prerrevestido con una fina película de níquel o acero prerrevestido con fosfato de hierro a temperaturas inferiores a 760°C.

En el hierro fundido, los esmaltes se utilizan para los utensilios de cocina y los productos sanitarios de alta gama. Algunos productos químicos (tanques, bombas, etc.) también son de hierro fundido.

La rigidez y la amortiguación acústica de la fundición, así como su resistencia a la deformación térmica, permiten aplicar una capa de vidrio de protección más gruesa que en la fundición o en la fundición esmaltada.

Se han desarrollado esmaltes especiales para la industria química y para los depósitos de agua caliente.

A menudo se denominan “revestimientos de vidrio” y pueden contener todos los ácidos, excepto el ácido fluorhídrico y el ácido fosfórico térmico, soluciones alcalinas moderadas hasta el punto de ebullición y agua a presiones de hasta 3500 MPa.

El esmaltado no se limita a los materiales ferrosos: los primeros esmaltes decorativos se utilizaban en metales preciosos y en objetos de cobre y joyas. Más recientemente, se han desarrollado esmaltes adecuados para el aluminio.

Estos esmaltes pueden cocerse a temperaturas muy inferiores a 538°C. Aunque no tienen la dureza ni la resistencia a la corrosión de los esmaltes de acero, estos esmaltes de aluminio proporcionan un acabado atractivo y duradero para placas de acero, extrusiones y piezas de fundición.

La mayoría de los esmaltes se aplican al sustrato mediante un proceso húmedo, pero algunos revestimientos se aplican espolvoreando o tamizando una composición en polvo directamente sobre la superficie calentada. Este “proceso en seco” se utiliza principalmente para los productos químicos y los artículos sanitarios de hierro fundido.

Las propiedades mecánicas de los esmaltes cerámicos

Las propiedades mecánicas de los esmaltes están muy influenciadas por la composición, el grosor y la forma del sustrato, así como por el tipo, el grosor, el método de aplicación y las condiciones de cocción de la capa de esmalte.

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En general, los revestimientos de esmalte finos son los que mejor soportan los impactos y las tensiones térmicas y mecánicas. Los revestimientos muy finos (de 1 a 4 mils de grosor) sobre acero o aluminio no se dañan al doblar, taladrar, cizallar o perforar. Para las aplicaciones normales (por ejemplo, electrodomésticos, muros cortina y paneles estructurales, señalización) se requieren revestimientos más gruesos, en los que la capa de vidrio suele tener un espesor de 3 a 20 mils.

Los accesorios de fontanería de hierro fundido tienen un revestimiento vítreo de más de 40 mils de espesor, y algunos depósitos de productos químicos tienen un vidrio protector de 6,4 mm.

Para conseguir la máxima resistencia al desconchado, los esmaltes deben apoyarse en un sustrato duro y relativamente grueso. Si el producto esmaltado debe resistir la flexión y la torsión, se requiere un sustrato más fino y dúctil.

La elección del metal para el esmaltado de porcelana

La elección del metal para el esmaltado de porcelana y su preparación tienen una gran influencia en las propiedades del composite.

El “hierro esmaltado” es esencialmente un acero base de muy bajo contenido en carbono y de solera abierta. Los aceros ordinarios de bajo carbono SAE (Society of Automobile Engineers) y AISI (American Iron and Steel Institute) rara vez son capaces de producir esmaltes perfectos, especialmente cuando se laminan en caliente.

Los materiales esmaltados de mayor calidad pueden contener titanio para reducir aún más el contenido de carbono y aumentar la resistencia a la deformación y al pandeo.

Para sustratos más gruesos, es posible utilizar acero plano básico de calidad “brida”. Sin embargo, si el nivel de impurezas es elevado, puede ser necesario cocer el esmalte en una atmósfera inerte para eliminar los defectos de “ebullición”.

En algunos casos, el acero aluminizado puede utilizarse en una atmósfera de horno moderadamente oxidante.

El acero o el hierro fundido

El acero o el hierro fundido también pueden esmaltarse, pero el carbono de la superficie se oxidará durante el tiempo de cocción relativamente largo necesario para fundir y endurecer el sustrato. La pureza del metal no es tan estricta para el hierro fundido como para el acero.

El tratamiento de la superficie de los metales cerámicos

El tratamiento de la superficie de los metales suele consistir en la eliminación de toda la cascarilla y la suciedad (puede ser necesario un chorro de arena para los materiales más pesados), seguido de un ligero decapado para minimizar el grosor de la capa de óxido.

Para algunos metales y el hierro fundido, el chorro de arena o el granallado por sí solos pueden ser suficientes para el pretratamiento. Los esmaltes especiales pueden requerir un tratamiento de baño de fosfato o un recubrimiento a base de níquel, cobre o aluminio.

El metal sobre el que se aplica el esmalte debe tener un grado de deformación razonable. Deben evitarse las rebabas, los bordes afilados, los diámetros exteriores pequeños y las grandes variaciones en el grosor del sustrato. Las juntas de soldadura deben ser sólidas y metalúrgicamente similares al metal base.

Esmaltes y vidriados refractarios

Como el esmalte de porcelana fundida se enfría con el sustrato, es importante que la contracción total que se produce durante el enfriamiento sea aproximadamente igual para el metal y el vidrio.

Si la contracción del metal es mayor que la del esmalte, éste se comprimirá y podrá romperse o astillarse fácilmente.

Los vidrios de silicato más refractarios suelen tener un bajo coeficiente de dilatación térmica y, por tanto, deben utilizarse sobre metales con un bajo coeficiente de dilatación.

Muchos esmaltes refractarios contienen polvos finos de sílice u óxido de cromo, que se disuelven en el vidrio durante la fusión y reducen aún más el coeficiente de dilatación.

Por esta razón, estos esmaltes se limitan a determinados aceros inoxidables y metales base refractarios, como las aleaciones de níquel-cromo.

La temperatura de trabajo de los aceros inoxidables vidriados y las aleaciones de níquel es de unos 954°C en los colectores de escape de los motores de los aviones, los revestimientos de los turbocompresores, las cámaras de combustión de los motores a reacción y los quemadores comerciales.

Los revestimientos cerámicos finos y conductores pueden utilizarse como elementos de calefacción resistivos, por ejemplo, en los parabrisas de los aviones.

Muchos de ellos están formados por óxidos y subóxidos de estaño con bismuto, antimonio, cadmio y arsénico. Se aplican calentando el vidrio hasta alcanzar un color rojo apagado y rociándolo con un haluro de estaño soluble en condiciones ligeramente reductoras.

Al enfriarse en el aire, el haluro de estaño se descompone en un complejo conductor. Si es lo suficientemente fina, esta capa es muy transparente.

Recubrimientos de alta temperatura

Para que el revestimiento cerámico se adhiera al sustrato por el método de esmaltado, el sustrato y el vidrio deben calentarse hasta la temperatura de fusión del vidrio.

Sin embargo, el método de fusión no ha funcionado bien con materiales de alto punto de fusión. La mayoría de los revestimientos cerámicos refractarios deben aplicarse con técnicas relativamente nuevas debido a su naturaleza amorfa o cristalina.

La mayoría de los materiales cerámicos son refractarios, pero algunos pueden ser vaporizados por un arco eléctrico o un vacío caliente.

Cuando el silicio metálico o los haluros de silicio se vaporizan en presencia de una pequeña cantidad de oxígeno, se puede aplicar fácilmente una fina película de sílice amorfa al sustrato a temperaturas relativamente bajas.

Se dice que la principal transferencia tiene lugar en forma de monóxido de silicio, que se recombina con el oxígeno al enfriarse. Este proceso se utiliza para obtener películas ópticamente transparentes para la protección fina de lentes, ciertos componentes eléctricos y reflectores metálicos.

Otros revestimientos cerámicos

Otros revestimientos cerámicos pueden producirse mediante la vaporización de uno o más componentes del revestimiento. Por ejemplo, el grafito puede recubrirse con los respectivos carburos de silicio, boro, aluminio y cromo, el nitruro de silicio puede formarse sobre el metal de silicio y los recubrimientos de siliciuro pueden aplicarse a metales como el tungsteno y el molibdeno. Sin embargo, estos procesos son caros y no pueden utilizarse para muestras grandes o formas complejas.

Pulverización térmica de llama o de arco

Muchos óxidos metálicos y compuestos intermetálicos pueden calentarse por encima de su punto de fusión mediante una llama química o un arco eléctrico.

Los recubrimientos obtenidos por pulverización de partículas cerámicas casi sin fundir sobre sustratos no calentados son interesantes y sirven para diversos fines.

La mayoría de los procesos son propios, siendo la principal diferencia la forma en que se introduce el material en la fuente de calor.

Los revestimientos obtenidos por este método pueden ser muy porosos o acercarse a la densidad teórica del material pulverizado.

Como no es necesario calentar el sustrato, la necesidad de igualar el coeficiente de dilatación térmica es menor que en los revestimientos vítreos. Los revestimientos porosos son notablemente resistentes a los choques térmicos y mecánicos, pero ofrecen poca protección química.

El vidrio resistente al calor, los esmaltes y algunos esmaltes de porcelana son excelentes sustratos, aunque suele ser necesario desbastar el sustrato antes de aplicar este revestimiento.

La adhesión es principalmente mecánica y las pruebas de adhesión utilizadas para los esmaltes de porcelana no parecen aplicarse a estos revestimientos. Todavía no se ha establecido ninguna prueba o norma de rendimiento.

Los revestimientos por pulverización de llama se componen de materiales cerámicos puros, metales y algunos polímeros orgánicos. Las mejoras en la pulverización con llama permiten producir revestimientos densos de grafito pirolítico resistentes a la erosión por los gases calientes.

También pueden utilizarse mezclas de polvos cerámicos y metálicos para producir cermets y revestimientos graduados, y pueden obtenerse propiedades eléctricas, magnéticas y dieléctricas específicas a partir de dichas mezclas y revestimientos multicapa.

La estructura de los materiales cerámicos revestidos con llama puede diferir de la de los materiales a granel, ya que cada partícula se enfría rápida e individualmente.

Las composiciones indeterminadas son comunes y las tensiones dentro del revestimiento y entre el revestimiento y el sustrato son complejas.

No obstante, los revestimientos de plasma de llama y de arco ya se aceptan en la tecnología de misiles, en aplicaciones de metalurgia y fundición, y como revestimientos resistentes al calor y al desgaste en sustratos metálicos, cerámicos y poliméricos.

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