Diagramas de fases binarios

La siguiente figura es un ejemplo de diagrama de fases de dos sustancias A y B.

Cuando mezclamos dos sustancias cristalinas diferentes, el comportamiento de la mezcla es distinto al esperado ya que cambia el punto de fusión y también el equilibrio entre fases.

En el eje horizontal del diagrama varía la proporción entre los dos componentes de la mezcla y en el eje vertical se representa la temperatura. 

Las temperaturas Ta y Tb representan los respectivos puntos de fusión de las sustancias A y B cuando están ellas solas sin mezclar.

Al calentar una mezcla de A y B, el punto de fusión se indica por la línea «LIQUIDUS LINE». Por encima de esa línea, las dos sustancias A y B están fusionadas y en estado líquido. Por debajo de esa línea habrá una sustancia fusionada (fase líquida)  y la otra será sólida (fase sólida). Y por debajo de la temperatura “Te” ambas sustancias serán sólidas.

En este ejemplo, la composición 40% de A y 60% de B tiene el punto de fusión más bajo y se conoce como «mezcla eutéctica«, y la temperatura de fusión de la mezcla Te es la «temperatura eutéctica» del sistema A-B. La temperatura Te será siempre una temperatura inferior a Ta y Tb para cualquier par de sustancias cristalinas puras A y B, y es la temperatura mínima a la que funde la mezcla entre A y B.

Un hecho interesante es que para cualquier proporción de mezcla entre A y B, cuando se alcanza la temperatura Te comienza a aparecer fase líquida en una de las dos sustancias. De hecho, a cualquier temperatura por encima de la temperatura eutéctica pero por debajo de la LIQUIDUS LINE en la proporción de mezcla que tengamos, en el equilibrio, tendremos una fase líquida más cierta cantidad de la sustancia A o B dependiendo de si la proporción de la mezcla está a la izquierda o a la derecha de Te, respectivamente. 

En verdad las cosas son algo más complicadas que lo descrito, ya que al mezclar dos sustancias y aumentar la temperatura con frecuencia se forman nuevos compuestos por la combinación de las sustancias originales, de modo que ya no se trata solo de la mezcla de dos sustancias sino que debemos tener en cuenta los compuestos que se forman. 

Si realizamos un diagrama binario de sílice y alúmina podemos comprobar que se forma un compuesto nuevo llamado mullita.

Cuando están solos, la temperatura de fusión de la sílice es 1753ºC y la temperatura de fusión de la Alúmina es 2050ºC. Ambos óxidos pueden considerarse refractarios por tener una alta temperatura de fusión, siendo la alúmina más refractaria que la sílice.

La mullita 3(Al2O3)・2(SiO2) es el único compuesto estable que se produce en la mezcla de sílice y alúmina y su temperatura de fusión es de 1850ºC .

Tiene la capacidad de coger una parte de la alúmina de la mezcla y mantenerla en estado sólido (en su contenido hay entre el 56% y el 79% de Al2O3).

En el diagrama de fases de sílice y alúmina aparecen dos eutécticos. El primer eutéctico se forma entre la sílice y la mullita a 1595ºC. El segundo eutéctico se forma entre la mullita y la alúmina a una temperatura de 1840ºC.

Las temperaturas de los eutécticos son también las temperaturas a las que se solidifican las composiciones eutécticas cuando las enfriamos desde su estado líquido.

Decimos que tenemos una «Composición Eutéctica» cuando la mezcla de “Sílice con Mullita” o de “Mullita con Alúmina” tiene las proporciones adecuadas para lograr las temperaturas de fusión más bajas posibles.

El sistema binario sílice-alúmina podemos verlo como la intersección de dos curvas de solubilidad (sílice-mullita y mullita-alúmina). La refractariedad y la resistencia van aumentando según aumenta el porcentaje de mullita de la mezcla y también las temperaturas de fusión.

Como ya sabemos, en realidad ninguna pasta cerámica se compone sólo de sílice y alúmina, ya que siempre habrá presencia de óxidos fundentes que modifican el diagrama binario que acabamos de ver. Si queremos ver el diagrama de cambios de estado de sílice-alúmina-fundente debemos utilizar diagramas triaxiales de cambio de estado.

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