Cerámica técnica en la práctica: tornillos cerámicos, rodamientos cerámicos y rodamientos híbridos

Las cerámicas técnicas son cerámicas utilizadas en aplicaciones técnicas especializadas. Debido a sus propiedades especiales, como la resistencia a altas temperaturas y a los productos químicos, a menudo son la mejor opción en ciertas aplicaciones como los componentes de metal, por ejemplo. En este artículo se muestran algunas de sus posibles aplicaciones y se analiza la composición del material y la producción de cerámica técnica.

¿Qué son las cerámicas técnicas?

Las cerámicas técnicas, también llamadas cerámicas especiales o cerámicas de alto rendimiento, están optimizadas para aplicaciones técnicas. Se diferencian de las cerámicas convencionales, por ejemplo, por pureza, procesos de horno y tamaño de grano tolerado.

Estandarización de cerámica técnica

La cerámica técnica está sujeta a varios estándares. Por ejemplo, existen los siguientes estándares para la cerámica de óxido:

• DIN EN 60672: Define la clasificación del grupo, los términos y los procedimientos de prueba. También se especifican los requisitos mínimos para las propiedades, como la resistencia a la flexión.
• DIN 40680: Define tolerancias generales para componentes cerámicos en el campo de ingeniería eléctrica.
• DIN EN 14232: Trata con cerámica de alto rendimiento y enumera términos, incluidas definiciones.
• ISO 15165: Contiene un sistema de clasificación cerámica de alto rendimiento.

Ciertos métodos de prueba también están estandarizados. DIN EN 725 contiene, por ejemplo, especificaciones para impurezas y densidad, entre otras cosas para polvos cerámicos de alto rendimiento.

Materiales para cerámica técnica

Cerámica es un término genérico para varios materiales inorgánicos no metálicos. Como regla general, se usa una mezcla de polvo cerámico, aglutinante orgánico y líquido para generar un compuesto crudo, que luego debe curarse (por ejemplo, en un proceso de sinterizado a altas temperaturas). La cerámica se puede dividir en tres categorías principales: cerámica, cerámica sinterizada y compuestos cerámicos de uso especial. La cerámica técnica es uno de los compuestos cerámicos de uso especial. En general, las cerámicas técnicas pueden subdividirse en cerámicas oxídicas y no oxídicas, siendo las cerámicas oxídicas, como el óxido de aluminio, las más utilizadas. Las cerámicas oxídicas están formadas por óxidos metálicos y se caracterizan por su estabilidad química, resistencia y capacidad de aislamiento eléctrico. Las cerámicas no oxídicas presentan una gran resistencia al desgaste (resistencia a la abrasión), una conductividad térmica posiblemente mejor y resistencia a las cargas mecánicas. Además, se dividen en:

• Cerámicas de nitruro: Las cerámicas de nitruro contienen nitrógeno. El nitruro de silicio, por ejemplo, tiene una alta resistencia al choque térmico y alta resistencia al desgaste. El nitruro de boro tiene buena lubricidad.
• Cerámicas de metal duro: Las cerámicas de metal duro contienen carbono. Son especialmente duras, con el metal duro de boro como uno de los materiales más duros. El carbono de silicio tiene un punto de fusión alto (aprox. 2700 °C) y es químicamente estable.
• Cerámica de sílice: Las cerámicas de sílice se basan en dióxido de silicio. Los ejemplos incluyen porcelana y esteatita. La esteatita tiene buenas propiedades dieléctricas y a menudo se utiliza como aislante en ingeniería eléctrica.

La siguiente tabla proporciona una descripción general de la clasificación de los diferentes tipos de cerámica:

Procesos de fabricación para cerámica técnica

Existen varios procesos de fabricación para cerámica técnica. El prensado isostático en caliente (HIP), también llamado sinterizado a alta presión, se utiliza para fabricar cerámicas con muy alta densidad y baja porosidad.

Sin embargo, también es posible imprimir componentes de cerámica técnica directamente en una impresora. El proceso LCM (fabricación de cerámica basada en litografía), por ejemplo, utiliza un monómero sensible a UV y un polvo cerámico como materia prima. El proceso de LDM (modelado de deposición de líquido) implica humedecer y compactar la materia prima cerámica, seguido de la aplicación de esta última capa por capa utilizando una impresora.

Propiedades de la cerámica técnica

Las propiedades de la cerámica técnica las convierten en la opción preferida en aplicaciones especializadas. Debido a su alta resistencia a la temperatura, son adecuadas para su uso en aplicaciones de alta temperatura, como la generación de energía. No pierden su integridad estructural cuando se calientan. Las cerámicas técnicas también son químicamente más resistentes que otros materiales, ya que pueden ser químicamente inertes.

Sin embargo, la alta dureza y densidad de la cerámica va acompañada de una resistencia reducida en el momento de la rotura, que debe tenerse en cuenta en el diseño:

• deben evitarse o, al menos, minimizarse los bordes afilados, las esquinas y las muescas. Esto puede provocar grietas y tensiones. En su lugar, se pueden utilizar bordes redondeados, por ejemplo.
• Deben evitarse los ajustes excesivamente apretados, ya que también provocan grietas.
• Al taladrar, se debe utilizar un radio suficientemente grande para evitar tensiones.
• La cerámica técnica aísla la energía eléctrica de forma muy eficaz. Su uso puede tener que evitarse si no se desea este efecto.

Las siguientes tablas proporcionan una descripción general de varias propiedades de la cerámica técnica, en particular de óxidos de aluminio, junto con una comparación con otros materiales:

Uso de cerámica técnica

La cerámica técnica se utiliza normalmente para requisitos especializados. Como regla general, los materiales cerámicos son resistentes a la corrosión y a la temperatura, aislantes eléctricos y, al mismo tiempo, relativamente ligeros, resistentes a la compresión y al desgaste. Si se tiene en cuenta la mayor fragilidad de la cerámica en el diseño, la resistencia mecánica de la cerámica de alto rendimiento permite no solo el ahorro de peso y el uso a temperaturas más altas, sino también una menor generación de calor, reducción del ruido operativo y una vida útil más larga de los rodamientos. Las piezas estándar, como tornillos y arandelas, también están disponibles en las cerámicas técnicas.

Rodamientos de cerámica y rodamientos híbridos

Los rodamientos de cerámica son resistentes a los productos químicos y son adecuados para aplicaciones de funcionamiento en seco sin lubricación. Gracias a las excelentes propiedades de enrollado de los cuerpos de rodillos cerámicos, son extremadamente adecuados para altas velocidades de rotación. Los rodamientos completamente cerámicos no se oxidan y no pueden verse influenciados por campos magnéticos, pero son susceptibles a las tensiones de choque y tracción. Las aplicaciones incluyen, por ejemplo, equipos de limpieza, equipos de galvanizado y equipos de grabado.

Los rodamientos de cerámica están disponibles como rodamientos totalmente cerámicos e híbridos. Los elementos rodantes hechos de cerámica de alto rendimiento y también los anillos de rodamiento hechos de acero de los rodamientos de bolas se instalan en rodamientos híbridos. Como resultado, un rodamiento híbrido combina los beneficios de ambos materiales, lo que mejora el rendimiento. Los rodamientos híbridos son adecuados para su uso a altas velocidades de rotación y en condiciones de lubricación difíciles. Los rodamientos híbridos y de cerámica también se recomiendan para aplicaciones de altas temperaturas de hasta 1000 °C, en entornos que inducen corrosión, en construcciones ligeras (hasta un 60 % más ligeras que los rodamientos de acero) y cuando se requiere aislamiento eléctrico. Sin embargo, cuando se utilizan rodamientos cerámicos, es importante tener en cuenta que estos se expanden en menor medida que, por ejemplo, los rodamientos de acero. Si se especifican diseños expuestos a influencias de alta temperatura para el uso de rodamientos cerámicos, estos no se pueden reemplazar fácilmente por rodamientos de acero.

Tornillos de cerámica

Además de las propiedades mencionadas anteriormente para cerámica en general, los tornillos cerámicos también son particularmente convenientes debido a las siguientes propiedades: aislamiento eléctrico, no magnéticos y ligeros, los que los diferencia de los tornillos metálicos. Pueden utilizarse, por ejemplo, en conjuntos electrónicos o en aplicaciones para las que la interferencia magnética no es deseable (p. ej., también electrónica, equipo médico).

Los tornillos cerámicos están, por ejemplo, disponibles en las siguientes variantes:

• Tornillos de circonio: muy duros, resistentes al desgaste, resistentes a los choques térmicos
• Tornillos de óxido de aluminio: muy duros, resistentes a la temperatura
• Tornillos de nitruro de silicio: especialmente ligeros debido a la baja densidad

Instrucciones de instalación

Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos para garantizar que el componente cerámico se incorpore lo mejor posible en el diseño:

• Los componentes de cerámica son muy susceptibles a los golpes; por lo tanto, se debe tener especial cuidado durante la instalación.
• Los tornillos cerámicos siempre deben apretarse al par. Son más frágiles que los tornillos metálicos, por lo que el par debe ser inferior, por ejemplo, 0,04 para M3, 0,05 para M4, 0,30 para M8 y 0,50 para M10.
• Se recomiendan arandelas para una mejor distribución de la carga.
• La alineación es especialmente importante para los rodamientos de bolas: Las cargas desiguales pueden provocar fallos prematuros.