Resistencia al desgaste de la cerámica de zirconio frente a la de alúmina

Introducción

Hoy en día, los ingenieros recurren a la cerámica de zirconio y alúmina para aplicaciones que exigen alta resistencia al desgaste. ¿Por qué? Porque son excelentes abrasivos en la industria cerámica avanzada. Curiosamente, comparten propiedades similares, lo que dificulta a ingenieros, fabricantes y algunos ortopedistas elegir la mejor opción. Probablemente se esté preguntando: ¿cuál es la cerámica más resistente al desgaste? El artículo de hoy responderá a esta pregunta frecuente y le mostrará algunas propiedades clave que hacen que la zirconio y la alúmina sean excelentes para resistir el desgaste. Aprenderá sobre sus estándares de rendimiento y sus diferencias. ¡Comencemos!

Resistencia al desgaste de las cerámicas de zirconio y alúmina

El desgaste causado por la fricción ha llevado a muchas empresas e industrias a buscar materiales cerámicos técnicos con una gran capacidad para resistir o reducir el impacto de la fricción y el desgaste. Las cerámicas de zirconio y alúmina son materiales muy resistentes que pueden soportar trabajos pesados. La resistencia del zirconio al desgaste es tan fuerte que puede preservar eficazmente la vida útil y el rendimiento de sus equipos. Imagine un material cerámico que no sea tan voluminoso, pero que no se rompa fácilmente. Es tan resistente que incluso a temperaturas extremas que alcanzan los 2100 °C, aún tendría que pasar por un proceso riguroso para agrietarlo. Estará de acuerdo en que las piezas de maquinaria industrial que trabajan incansablemente durante horas en condiciones de calor corren el riesgo de desgastarse debido a la fricción constante. Entonces, ¿qué otro material consideraría para recubrir o producir algunas de estas piezas de maquinaria si no fuera el zirconio?

La alúmina es otro material muy duro, con propiedades similares a la zirconia. Es una de las pocas cerámicas avanzadas del mercado que puede competir con la zirconia. De hecho, tiene una excelente dureza de 9 en la escala de Mohs y su resistencia al desgaste también es impresionante. Esto significa que, al igual que la zirconia, también se puede utilizar para fabricar piezas de maquinaria resistentes. Sin embargo, la cerámica de alúmina tiende a conducir el calor y la electricidad ligeramente mejor que la zirconia; ambas mantienen una excelente resistencia al desgaste. Así que, como cirujano ortopédico, dentista que trabaja con esmaltes y materiales dentales en hospitales, ingeniero o fabricante que busca producir maquinaria pesada, repuestos para vehículos, equipos eléctricos e industriales, ¿cuál de estos materiales sería su mejor opción? Difícil decisión, ¿verdad? No se preocupe, abordaremos sus diferencias con casos concretos en las siguientes secciones.

Cerámica de zirconio vs. cerámica de óxido de aluminio

Cerámica de zirconio (ZrO2)

La zirconia es un material cerámico cristalino muy resistente, también llamado óxido de zirconia (ZrO₂). Se forma como un óxido de zirconio y existe de forma natural en una forma llamada Baddeleyita Tiene un aspecto blanco marfil o amarillento. Los productos de zirconio son excepcionales y se consideran los mejores abrasivos del mercado cerámico gracias a su alta resistencia y estabilidad, así como a su gran resistencia a temperaturas extremadamente altas, fracturas, tensiones mecánicas y productos químicos corrosivos. Su excepcional densidad y resistencia al desgaste permiten obtener los mejores resultados incluso en condiciones adversas. La cerámica de zirconio, en sus diferentes formas y tamaños, es ideal para aplicaciones refractarias, rodamientos, piezas de maquinaria pesada, electrónica, automoción y aeroespacial.

Se transforma en diferentes formas al entrar en contacto con altas temperaturas, de ahí el uso de estabilizadores como la itria y la ceria. Esto explica la disponibilidad de diferentes grados, como la alúmina endurecida con zirconia (ZTA), la zirconia estabilizada con magnesia, la zirconia estabilizada con itria y la zirconia estabilizada con ceria. Se ha descubierto que la zirconia es altamente biocompatible y, dado que no se desgasta fácilmente ni reacciona negativamente con las sustancias químicas del cuerpo, cirujanos y ortopedistas la utilizan ahora en casos relacionados con huesos y dientes.

Hoy en día, la zirconia se ha convertido en un producto comercial con una alta demanda a pesar de ser muy costosa, difícil de encontrar y producir, registrando ventas globales de más de $900 millones, principalmente debido a su excelente resistencia al desgaste. Los creadores de mercado proyectan una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) de 6%. Se puede afirmar con seguridad que se puede producir cerámica de zirconia mediante diversos métodos, como la calcinación térmica, la cloración, la carburación o el uso de hidróxido de sodio (NaOH) o bicarbonato de sodio (NaCO3) para descomponer la forma natural a altas temperaturas de aproximadamente 2800 °C. Si aún no está interesado en la producción, puede adquirir cerámica de zirconia con nosotros en Cerámicas GGSCerámicas. Somos proveedores confiables de algunos de los mejores productos de zirconia que puede encontrar en el mercado.

Propiedades de la cerámica de zirconio

Ahora bien, algunas propiedades de la Zirconia (ZrO2) que la hacen realmente atractiva y resistente al desgaste son:

• Tiene una clasificación de tenacidad a la fractura sólida de 10 MPa·√m.

• Su dureza Vickers es de 1.220 y 8,5 en la escala de dureza Mohs.

• A 20°C su resistencia a la flexión está comprendida entre 180 MPa y 1000 MPa.

• Tiene un módulo elástico de aproximadamente 250 GPA.

• Tiene un punto de fusión que oscila entre 1.170 °C y 2.700 °C.

• Tiene una resistencia a la compresión, tenacidad y biocompatibilidad muy altas.

• Tiene una densidad de hasta 6,2G/Cc.

• Posee una rigidez dieléctrica de unos 300 V/mil.

• Tiene una resistividad volumétrica de 5 x 10-3 a temperaturas que alcanzan los 700°C.

• A 20°C posee una magnífica resistencia a la tracción de 300 MPa.

• Tiene una tasa de absorción de agua del cero por ciento.

• Posee un alto nivel de resistencia a los golpes y conductividad térmica de 3,5 W/mk.

Aplicaciones industriales de la cerámica de zirconio

Algunos casos ideales en los que puedes utilizar estos productos de cerámica de Zirconia son:

• El campo médico en la producción de esmaltes y huesos

• Aplicaciones de ingeniería mecánica que conllevan altas tensiones y temperaturas o entornos de trabajo intensos.

• Producción de rodamientos de bolas y anillos para máquinas pesadas.

• Producción de piezas electrónicas

• Aplicaciones aeroespaciales

• Producción de tarros, medios o morteros de molienda, especialmente con la ayuda de tipo alúmina endurecida con zirconio.

• Producción de otras piezas cerámicas estructurales en válvulas, bombas e instrumentos analíticos.

Cerámica de alúmina (Al2O3)

La cerámica de alúmina, también conocida como cerámica de óxido de aluminio (Al₂O₃), se fabrica industrialmente a partir de aluminio y oxígeno. Es un compuesto cristalino blanco o, a veces, rosado, conocido comercialmente como corindón, aunque se puede producir principalmente a partir de bauxita, su forma natural. Al igual que la zirconia, la alúmina también es una opción cerámica técnica muy brillante y resistente al desgaste. Es una alternativa más económica a la zirconia, con una amplia gama de propiedades químicas y eléctricas que la hacen útil para muchas industrias. Un dato curioso es que estas propiedades se pueden mejorar si se utilizan aditivos en el proceso de producción. Algunos de los diversos procesos de producción incluyen la colada en barbotina, el mecanizado con diamante, el prensado isostático y el moldeo por inyección.

Las cerámicas de alúmina son muy resistentes a la corrosión y al desgaste gracias al aluminio de alta pureza que se utiliza en su producción. Esto significa que cuanto mayor sea el contenido de alúmina pura, mejor será la resistencia al desgaste y la conductividad térmica. Existen diferentes grados de cerámica de alúmina, como la alúmina hidratada, la alúmina calcinada y la alúmina tabular. Todos estos grados se basan en el contenido de óxido de aluminio, los diversos componentes y los aditivos utilizados por el fabricante.

La cerámica de alúmina está ganando popularidad en el mercado cerámico global debido a sus excelentes propiedades. Algunas de ellas son:

• Una tenacidad a la fractura de 4,5 MPa·√m

• Un módulo elástico de 400 GPa

• Su capacidad para soportar temperaturas de hasta 2.000°C.

• Una densidad de 3,965 g/cm3

• Una resistencia a la compresión muy alta de aproximadamente 3.500 MPa

• Su capacidad para resistir el ataque de ácidos o álcalis fuertes, incluso a altas temperaturas.

• Un alto elresistencia al choque térmico y conductividad térmica

• Una clasificación de dureza de 18 GPa

• Una resistencia a la tracción de 200 MPa

• Una resistencia a la flexión entre 500-600 MPa a 25°C

• Una conductividad térmica de 45 W/mK a 25 °C

• Una rigidez dieléctrica de 16 kV/mm a 25 °C

• Una resistividad volumétrica que varía entre 10¹⁴ y 10¹⁶.

Aplicaciones industriales de la cerámica de óxido de aluminio

Algunas de las formas en que se puede aplicar y utilizar con éxito la resistencia al desgaste de la cerámica de alúmina son:

• Puede producir componentes de alto desgaste, como válvulas de grifo y piezas de máquinas industriales.

• Producción de componentes eléctricos y aisladores de alta tensión

• Producción de componentes de máquinas como rodamientos de bolas, tubos láser, rodillos, anillos de sellado, ejes de precisión, etc.

• Puede obtener piezas semiconductoras útiles a partir de cerámica de alúmina.

• Puede ayudarle a producir boquillas de soplado y revestimientos de hornos.

• El ejército lo utiliza para la producción de balas, chalecos antibalas, blindaje balístico y termopares.

• Las industrias aeroespacial y automotriz utilizan cerámica de alúmina en la producción de repuestos de vehículos y naves espaciales.

Comparación entre cerámica de zirconio y cerámica de óxido de aluminio

Tras la discusión hasta el momento, se ha resuelto la cuestión de cuál es la cerámica más resistente al desgaste. Se ha visto la solidez técnica de estos dos materiales cerámicos. De hecho, la zirconia se impone como una cerámica resistente al desgaste mejor y más duradera para aplicaciones técnicas de alta precisión, a pesar de su elevado coste de adquisición y producción. Por otro lado, la alúmina es una opción más económica y común para aplicaciones menos exigentes. A continuación, se presenta una tabla que muestra la clara diferencia entre la resistencia al desgaste de la zirconia y la alúmina.

Entonces, ¿cerámica de zirconio o de óxido de aluminio? La decisión es suya. Depende de lo que desee y de los resultados que desee obtener con su aplicación, ya sea como médico, ingeniero o alguien que busca materiales cerámicos de alta resistencia al desgaste.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el óxido de zirconio (ZrO2) no es un buen conductor térmico? 

Esto se debe a la disposición de los átomos de oxígeno y zirconio en la estructura cristalina de ZrO2.

¿Puede la Zirconia también llamarse un Metal?

No, puedes llamarlo un material cerámico o un óxido metálico semiconductor porque puede conducir electricidad.

¿Cuál de estos dos materiales cerámicos es mejor para los implantes médicos?

La zirconia tiende a ser más adecuada para implantes médicos/quirúrgicos debido a su naturaleza resistente, gran biocompatibilidad y capacidad para soportar estrés/fracturas extremas.

Conclusión

El zirconio y la alúmina han allanado el camino para la producción de equipos que resisten cualquier tipo de desgaste. Su fiabilidad inigualable, ya sea en condiciones de alta tensión, temperaturas de trabajo intensas o fracturas repentinas, es algo que casi todos los fabricantes y usuarios buscan. Ahora es el mejor momento para invertir y superar las barreras de la cerámica global como estos dos pesos pesados. La buena noticia es que puede contactarnos rápidamente en Cerámicas GGSCerámicas Para los mejores productos de zirconia, alúmina endurecida con zirconia y cerámica de alúmina. ¡No espere! ¡Únase al tren en movimiento ahora!