Quizás haya oído hablar del uso del zirconio en componentes industriales o coronas dentales debido a su dureza. Pero ¿se ha preguntado alguna vez por qué esta cerámica es tan resistente? El secreto reside en un proceso llamado endurecimiento por transformación. En este artículo, aprenderá cómo funciona.
¿Cómo funciona el proceso de endurecimiento por transformación de zirconio?
También conocido como dióxido de circonioLa zirconia es un material volátil que existe en tres fases cristalinas diferentes.
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La fase monoclínica (cuando está a temperatura ambiente)
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Fase tetragonal (cuando está a mayor temperatura)
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Fase cúbica (cuando está a una temperatura muy alta)
Funciona así: cuando circonia (zro2) Al enfriarse a altas temperaturas, se transforma de la fase tetragonal a la monoclínica. Mientras esto ocurre, se produce una expansión de volumen dentro del rango de 3-4%, lo que puede causar grietas en el material. Si bien esto es indeseable, en ciertas condiciones, esta transformación puede controlarse para favorecer el proceso.
Aquí está el truco: mantener cerámica zro2 En su fase tetragonal, se añaden estabilizadores como itria (Y₂O₃), magnesia (MgO), etc. Estos elementos controlan el tamaño del grano para evitar transformaciones de fase indeseadas. Como resultado, la dureza de la zirconia se mantiene independientemente de los cambios de temperatura.
Cuando esto ocurre, solo se puede activar su transformación a la fase monoclínica al aplicar tensión. Por lo tanto, cuando comienza a formarse una grieta, la tensión que rodea la punta activará su transformación a la fase monoclínica.
La transformación se acompaña de una expansión de volumen que sella la grieta, dificultando su propagación. En resumen, una Zirconia endurecida por transformación Tiene un mecanismo de defensa que evita que se fracture o agriete. Mientras que otros materiales se debilitan al agrietarse, Cerámica de óxido de circonio se hace más fuerte.
Aplicaciones reales del endurecimiento por transformación de la zirconia
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Implantes dentales, puentes y coronas: El zirconio se utiliza para prótesis dentales porque soporta la tensión de la masticación sin astillarse ni agrietarse. Además, es biocompatible, por lo que no causará reacciones adversas en el organismo.
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Herramientas de corte: Los metalúrgicos y maquinistas prefieren el zirconio para fabricar cuchillos y hojas por su increíble durabilidad. Además, su rendimiento es mayor cuando se utiliza en condiciones de corte a alta velocidad que pueden agrietar otros materiales.
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Recubrimientos de barrera térmica: Conductividad térmica del óxido de circonio es bastante bajo, lo que lo convierte en el aislante térmico perfecto. Por esta razón, los ingenieros aeroespaciales lo utilizan como revestimiento de barrera térmica para motores a reacción y turbinas de gas. Protegerá los componentes metálicos del calor extremo y ciclo térmico y mejorar su vida útil.
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Implantes ortopédicos: La zirconia se utiliza para las articulaciones de la cadera y los reemplazos de rodilla debido a su resistencia al estrés y al desgaste en los movimientos corporales.
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Componentes automotrices: Algunos de los componentes del motor, piezas del inyector de combustible y válvulas están fabricados con material de zirconia para una alta resistencia al desgaste. Estructura cristalina de zirconia Es perfecto para motores de alto rendimiento porque puede soportar altas temperaturas y estrés mecánico.
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Instrumentos quirúrgicos: Este material se utiliza para fabricar pinzas, tijeras y bisturíes, manteniéndolos afilados, resistentes a la corrosión y al desgaste. Además, tienen una larga vida útil y son resistentes a las fracturas incluso después de múltiples ciclos de esterilización.
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Sellos y rodamientos industriales: El dióxido de circonio se utiliza para fabricar cojinetes y sellos que pueden soportar cargas pesadas, fricción y entornos hostiles.
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Relojes de lujo: La zirconia se utiliza para fabricar muchas de las cajas de relojes de lujo que conocemos. Se prefiere este material porque las hace ligeras, resistentes a los arañazos, atractivas y duraderas.
La mayoría de las veces, los fabricantes tienen que conformarse con el material superior. Bandas de lijado de zirconio vs. cerámicaSin embargo, la zirconia sobresale cuando se trata de aplicaciones de alto estrés.
Los desafíos del endurecimiento por transformación de zirconio y sus soluciones
Degradación a baja temperatura (envejecimiento)
El envejecimiento es el principal desafío asociado con el proceso de endurecimiento por transformación. Al exponer la zirconia a la humedad y a bajas temperaturas, se produce una transformación de fase no deseada. Como resultado, se debilita y aparecen microfisuras que dan lugar a superficies rugosas.
La solución: Utilice materiales de alta pureza con estabilizadores avanzados como la ceria (CeO₂) en lugar de la itria tradicional (Y₂O₃). Esto mejorará la resistencia de la zirconia al envejecimiento.
La zirconia se vuelve frágil si los tamaños de grano son demasiado grandes
Zirconia endurecida por transformación Puede perder su tenacidad si el tamaño del grano se expande excesivamente en la fase tetragonal. Cuanto mayor sea el tamaño del grano, más propenso será el material a transformaciones espontáneas sin tensión externa. Como resultado, notará que el material se vuelve más susceptible al agrietamiento.
Quizás se pregunte por qué la cerámica de zirconio, que se supone que es resistente, puede tener tamaños de grano grandes. Bueno, es posible que el material no haya pasado por un proceso adecuado. sinterización procesos durante la fabricación. Por lo tanto, las partículas no se calentarán uniformemente por debajo de la punto de fusión del ZRO2, lo que resulta en tamaños de grano altos. No se puede utilizar este tipo de zirconio para aplicaciones de alta tensión, como componentes de motores o herramientas de corte.
La solución: Utilice zirconio nanogranulado. Como alternativa, puede controlar cuidadosamente las temperaturas y los tiempos de sinterización para lograr el tamaño de grano óptimo.
Altos costos de fabricación
La producción de Zirconia endurecida por transformación Implica procesos complejos. Es necesario dopar con estabilizadores y ser preciso en la sinterización del material, que es mucho más difícil de lo que parece. También es necesario mantener un control estricto sobre el tamaño del grano, la estabilidad de fase y la pureza. Por ello, la zirconia es más cara que otros materiales cerámicos.
La solución: Los investigadores están trabajando en la impresión 3D y mejorando la eficiencia de sinterización para reducir los costos de fabricación.
Resistencia limitada al choque térmico
Aunque la zirconia es resistente, es propensa a choques térmicos si se expone a cambios bruscos de temperatura. Cuando se produce un choque térmico, se observan microfisuras en la superficie, especialmente si se trata de un componente delgado.
La solución: Utilice recubrimientos térmicos graduados o cerámica híbrida para mejorar la resistencia al choque térmico.
¿Cuáles son los avances recientes en el fortalecimiento de la transformación?
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Zirconia nanogranada: para mejorar el efecto endurecedor
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Dopantes avanzados: para mejorar la resistencia al envejecimiento y la tenacidad.
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Cerámica híbrida: combinación de zirconio con otros materiales para un mejor rendimiento en determinadas aplicaciones.
Palabras finales
El proceso de endurecimiento por transformación es lo que distingue a la zirconia de otras cerámicas, ya que no solo la hace resiliente, sino también autorreforzante. Así que, la próxima vez que escuche hablar de la zirconia, sabrá por qué es lo suficientemente resistente como para detener las grietas.