CATEGORIE DI SINTERIZZAZIONE
VETRIFICAZIONE
Una elevata porzione del materiale si
trasforma in fase liquida
SINT. IN PRESENZA DI FASE LIQUIDA
Una piccola porzione del materiale si trasforma in
fase liquida: metodo utilizzato per produrre la
maggior parte dei prodotti ceramici
NON REATTIVA
REATTIVA
SINT. ALLO STATO SOLIDO
Avviene in assenza di fase liquida
EVAPORAZIONE-CONDENS. PROCESSI DIFFUSIVI
Porcellana: esempio di
sinterizzazione in flusso viscoso
Caolino - quarzo (smagrante) - feldspato (fondente) nella proporzione 50/25/25.
100°C: evaporazione dell’l’acqua in eccesso
560°C: si libera l’acqua di cristallizzazione – metacaolino
1100 °C: cristallizzazione di mullite 3Al 2O3⋅2SiO2
Mullite - quarzo - liquido (oltre il 60% ⇒ fase vetrosa)
quarzo
zone vetrose
pori
fase liquida
derivante dai
feldspati
Aghi di mullite
Prodotti ceramici
tradizionali
Struttura
Stato della
superficie
Colore
porosa
non smaltata
supporto colorato
Piastrelle
porosa o greificata
smaltata o non
supporto colorato o
bianco
Sanitari
porosa o greificata
smaltata
supporto bianco
greificata
smaltata
supporto bianco
Laterizi
Porcellane
tecniche
Laterizi: prodotti a pasta porosa: cotti tra 800 e 900°C e quindi vetrificati
solo parzialmente
Mattoni da pavimentazione (clinkers): ben vetrificati e posseggono una
struttura compatta, con ridotta porosità ed elevate caratteristiche di durezza,
resistenza meccanica e resistenza all’abrasione.
Porcellana e il grès: maggiormente vetrificati (e perciò cotti alle
temperature più elevate) - ampiamente utilizzati nell’industria chimica per la
loro resistenza agli acidi
Porcellana: talmente vetrificata da essere completamente esente da
porosità e translucida in sezioni sottili
Grès un po’ meno vetrificato (porosità 2 - 4%) ugualmente definito prodotto
a pasta compatta
Microstruttura fine
Microstruttura a grana grossa
Pori isolati entro i grani
REFRATTARI
Materiali aventi elevata stabilità meccanica, termica e inerzia chimica in
ambienti dove si svolgono processi fisico-chimici ad alta temperatura
Materiali la cui temperatura di fusione è superiore a 1500 °C
Composti chimici puri ad alto punto di fusione: Al2O3 e MgO; costosi e difficili da
formare. La maggior parte dei refrattari industriali sono perciò costituiti da miscele di
composti ceramici.
I refrattari sono materiali policristallini che contengono una o più fasi cristalline,
generalmente una fase porosa e spesso una fase vetrosa
I refrattari sono di solito fragili a temperatura ambiente, hanno una bassa resistenza
meccanica e mostrano deformazione plastica ad elevate temperature
Proprietà dei refrattari densi (con bassa porosità)
- Alta resistenza alla corrosione
-Alta resistenza all'erosione, penetrazione di liquidi e gas
Proprietà dei refrattari isolanti (ad elevata porosità)
- Elevato isolamento termico
- Elevata resistenza allo shock termico
Refrattari: classificazione
aspetto
fisico-morfologico
Tradizionale: natura chimica e
comportamento
ACIDI: possono venire a contatto con sostanze acide
-Formati
- silicei
-Informi
- silico alluminosi
-fibrosi
- alluminosi
BASICI: Possono venire a contatto solo con sostanze basiche
- magnesiaci
- forsteritici
Classificazione in funzione della
- cromo magnesiaci
- magnesio cromitici
composizione chimica
- dolomitici
NEUTRI
- cromitici
Silicoalluminosi:
Al2O3 < 44%
Alluminosi:
PROVE SPERIMENTALI
Silicei:
-peso specifico assoluto ed apparente
Magnesiaci:
-porosità apparente e totale
-resistenza meccanica a freddo e a caldo
Speciali:
-refrattarietà piroscopica e sotto carico
-comportamento al creep
-proprietà termiche (dilatazione, conducibilità) e
termomeccaniche (resistenza allo shock termico)
-resistenza alla corrosione
Al2O3 > 44%
SiO2 > 95 - 98%
MgO ≅ 90%
A base di SiC
A.Z.S. elettrofusi
La resistenza allo shock termico aumenta se:
- aumenta la capacità di deformazione plastica
- aumenta la resistenza a rottura
- aumenta il coefficiente di trasmissione del calore
- minore è il coefficiente di dilatazione
La resistenza allo shock termico viene comunque sempre misurata
sperimentalmente con prove che prevedono cicli successivi di riscaldamento e
brusco raffreddamento. La resistenza viene usualmente espressa come
numero di cicli che hanno portato alla rottura del provino, ovvero indicando
che il provino è rimasto integro dopo un numero prefissato di cicli.
La valutazione della resistenza all'attacco chimico si esegue ad esempio
misurando la profondità di attacco raggiunta dopo trattamento alla temperatura
di esercizio di un blocchetto di refrattario che presenta un foro cieco contenente
una pastiglia di scoria
MATERIALI CERAMICI AVANZATI
•strutturali
•funzionali (o elettroceramici)
•rivestimenti
•compositi
Ceramici strutturali
accurato controllo della purezza delle materie prime e delle diverse fasi del
processo produttivo ⇒ microstruttura controllata, controllo delle cause che
comportano l'elevata fragilità
Principali ceramici strutturali: allumina (Al2O3), carburo di silicio (SiC), nitruro di
silicio (Si3N4), Sialon (SiAlON), ossido di zirconio (ZrO2), carburo di boro (B 4C)
Elevata durezza, bassa densità, resistenza meccanica ad alta temperatura,
resistenza al creep, resistenza alla corrosione
Difetti: elevato costo del prodotto finale, scarsa affidabilità, scarsa riproducibilità
Allumina (Al2 O3)
La densificazione può essere completa, con cottura che varia da T = 1400-1450 °C per 88 % Al2O3
a T > 1750 °C per 99,7% Al2O3 con cicli di circa 36 ore. Tuttavia, l’utilizzo di polvere di allumina
reattiva prodotta per via chimica può far calare la T di cottura a 1550-1600°C per 99.7% Al2O3.
La resistenza e la tenacità dell’allumina possono essere aumentate significativamente con
l’introduzione di particelle fini di ZrO2. Questo effetto si ottiene introducendo particelle di ZrO2
inferiori al mm di diametro, che al raffreddamento dopo cottura, rimangono nella fase tetragonale
(metastabile per T < 1100 °C) a causa del vincolo, imposto dalla matrice, all’espansione di volume
che accompagnerebbe la trasformazione da tetragonale a monoclina. Particelle di ZrO2 più grosse
possono essere stabilizzate nella forma tetragonale anche dal drogaggio con Y2O3.
Carburo di silicio (SiC)
Il carburo di silicio viene prodotto commercialmente con un processo che differisce di poco dal processo messo a
punto nel 1892 da Acheson. Si utilizza la reazione tra sabbia silicea e coke in un forno a resistenza elettrica
SiO2(l) + 3 C(s) → SiC(s) + 2 CO(g)
(1)
La miscela è conduttrice e viene riscaldata in corrente continua fino a 2700 °C. Il prodotto, un aggregato di cristalli
neri o verdi, si ottiene dopo numerosi giorni.
Poiché il carbonio è abbastanza solubile in silicio liquido, si può ottenere il carburo per cristallizzazione ad alta
temperatura (circa 1650 °C) da un fuso sovrasaturo in SiC:
Si(l) + C(s) → SiC(s)
(2)
Buona conduttività elettrica e termica
Tradizionale utilizzo SiC come abrasivo
La reazione con l’ossigeno porta alla formazione di uno strato di silice
vetrosa che fa da barriera all’ulteriore penetrazione di ossigeno
⇓
applicazione nelle turbine a gas ad alta temperatura
La sinterizzazione del carburo di silicio è resa particolarmente difficile dai bassi coefficienti di diffusione di C
e Si (il legame Si-C è covalente per il 90 %). Piuttosto che densificazione si ha ingrossamento del grano
LSinterizzazione senza pressione (SSiC)
- ottenimento di prodotti ad alta densità viene realizzato principalmente con tre metodi:
- Pressatura a caldo (Hot Pressed SiC, HPSiC)
-Sinterizzazione reattiva (Reaction-bonded SiC, SiSiC)
Nitruro di silicio (Si3N4)
Il nitruro di silicio è particolarmente interessante come ceramico strutturale perché mantiene
elevata resistenza meccanica e al creep ad alta temperatura e possiede notevole resistenza allo
shock termico.
Lo sviluppo di questo materiale è stato stimolato, come per il SiC, dalla possibile applicazione nelle
turbine a gas ad alta temperatura.
Il nitruro di silicio viene ottenuto per reazione di silicio con azoto a T > 1200 °C:
3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s)
-sinterizzazione reattiva
-pressatura a caldo
-sinterizzazione in assenza di pressione.