Todo lo que necesitamos saber sobre la Zirconia Estabilizada

Conocida a menudo como acero cerámico, la zirconia es una cerámica técnica resistente que se ha utilizado en diversas aplicaciones. Ofrece una gran resistencia al desgaste, es extremadamente dura y posee buena estabilidad térmica. Sin embargo, la zirconia suele estabilizarse para retardar sus cambios de comportamiento con respecto a las cargas térmicas.

¿Qué es la Zirconia?

El dióxido de circonio (ZrO₂), a menudo denominado zirconia, se encuentra en su forma más pura en el mineral natural de baddeleyita. El dióxido de circonio también se puede fabricar sintéticamente a partir de circón. El circón (ZrSiO₄) se encuentra a menudo en depósitos minerales o arenosos. La zirconia sintética (ZrO₂) se prepara fundiendo el soporte de circón a muy alta temperatura. La figura muestra la amplia gama de propiedades de la cerámica.

Las propiedades del ZrO2: un vistazo rápido

Conocer las propiedades de la cerámica de ZrO₂ es fundamental. Analicemos sus principales propiedades.

¿Para qué se utiliza la Zirconia?

Enumerando algunas de las aplicaciones destacadas de ZrO2:

• Para la fabricación de válvulas para equipos de alta presión como válvulas de bola y los asientos asociados.

• Recubrimiento de barrera térmica en motores Diesel y material refractario

• sensores de oxígeno

• Coronas y puentes y otras restauraciones dentales y prótesis en el cuerpo.

• Para preparar cerámica templada Cuchillos, hilos y alambres

• Se utiliza como fotocatalizador

• La zirconia cúbica se utiliza como diamante sintético, lo que resulta rentable en comparación con los diamantes reales.

• Se utiliza para fabricar membranas en pilas de combustible debido a su capacidad de intercambio iónico.

Zirconia cúbica: un sustituto del diamante

El dióxido de circonio en su forma cristalina se conoce como circonia cúbica. La circonia cúbica es un mineral sintético. A veces también se le conoce como silicato de circonio, ya que se le suele confundir con circón. La circonia cúbica es un metal preferido por quienes aprecian los diamantes y no pueden permitirse uno. En el mercado global, la circonia cúbica se utiliza a menudo como gema sintética.

Su naturaleza cristalina es isométrica y constituye un buen material para la fabricación de diamantes. La densidad de la zirconia cúbica oscila entre 5,5 y 6 g/cm³. Es relativamente dura. Su dureza en la escala de Mohs se encuentra entre 8 y 8,5. Su índice de refracción oscila entre 2 y 2,18.

Además de usarse como diamante, la zirconia cúbica también se utiliza como implantes dentales, componentes estructurales en industrias y prótesis.

El efecto de la temperatura sobre el dióxido de circonio (ZrO2) y la necesidad de estabilización

Analicemos el comportamiento del dióxido de circonio a diferentes temperaturas de operación. El ZrO₂ experimenta una transición de fase a la temperatura a la que se somete. Durante el cambio de temperatura de 1173 °C a 2370 °C, el ZrO₂ cambia de estructura monoclínica a tetraédrica. Además, al alcanzar los 2690 °C, el ZrO₂ se vuelve cúbico y, al aumentar aún más la temperatura, se funde.

Dado que la transición de fase también indica un cambio de volumen, la cerámica es propensa a agrietarse y otras deformaciones. Por lo tanto, la estabilización del ZrO₂ es fundamental para que el metal funcione a diferentes temperaturas de aplicación.

Zirconia estabilizada con itria (Y2O3.ZrO2)

El YSZ se prepara mediante estabilización a temperatura ambiente con óxido de itrio (Y₂O₃). La estabilización implica la sustitución de Zr₄₃ por iones de itrio más grandes, como Y₃₃, en la red cristalina. Los radios iónicos de Zr₄₃ e Y₃₃ son de 0,82 A y 0,96 A, respectivamente.

Los estabilizadores comunes, además del itrio, son la magnesia (MgO), la ceria (CeO₂), el calcio (CaO), la hafnia (HfO₂) y la alúmina (Al₂O₃). La zirconia de itrio estabilizada (YSZ) tiene una estructura cúbica.

Ventajas de la zirconia estabilizada con itria (Y2O3) (ZrO2)

Las ventajas de la zirconia de itrio se enumeran a continuación:

• Ofrecen una resistencia extrema

• La cerámica YZS tiene alta resistencia a la temperatura, a menudo se utiliza como revestimiento refractario y de barrera térmica.

• Son resistentes a la corrosión.

• YSZ no sufre oxidación y se puede utilizar donde hay riesgo de oxidación.

Aplicaciones de la zirconia estabilizada con itria (YSZ)

Odontología

La zirconia estabilizada con itrio (YSZ) se utiliza en odontología debido a su dureza, biocompatibilidad y naturaleza químicamente inerte. Se utiliza en coronas dentales, puentes y ciertas restauraciones dentales. Su resistencia a la corrosión en presencia de humedad convierte a la zirconia de itrio en el mejor componente dental.

Refractario

La extrema dureza de la cerámica de itrio la convierte en un componente ideal para recubrimientos refractarios y de barrera térmica en motores. El zirconio de itrio también se utiliza para proporcionar aislamiento térmico y la manipulación de objetos calientes.

Pilas de combustible

La zirconia estabilizada con itria (YSZ) se utiliza en la producción de celdas de combustible de estado sólido. La conductividad del ion oxígeno y el retardo de electrones son las propiedades principales estudiadas. La temperatura de operación oscila entre 800 y 1000 °C.

Otros usos

Otros usos de la cerámica de itrio son su excelente rendimiento en la fabricación de cemento de extrema durabilidad. El YSZ se utiliza en recubrimientos y en el rectificado de precisión.

Zirconia estabilizada con magnesia (MSZ)

El MSZ, en comparación con la zirconia estabilizada con itria (YSZ), presenta menor conductividad térmica y mayor estabilidad en condiciones de humedad. Es resistente al desgaste, extremadamente tenaz y químicamente inerte. En su estructura, el MSZ presenta precipitados tetragonales con granos cúbicos. Estos precipitados contribuyen a la estabilidad de la cerámica en su fase monoclínica.

Propiedades de la zirconia de magnesio

• La temperatura de funcionamiento es superior a 220 °C.

• Las características principales son alta estabilidad térmica y resistencia al desgaste.

• Menor conductividad térmica

• La expansión térmica ayuda a formar la unión del metal con la cerámica.

• Resistencia a ácidos y bases

Las principales aplicaciones de MSZ

• Utilizado como cerámica estructural/técnica.

• Componentes y accesorios de válvulas de precisión

• Manguitos y pistones de bomba

• Componentes de combustible de óxido sólido

• Se utiliza en la conformación de tubos.

Circonio estabilizado con calcio (CSZ)

El CSZ se forma al añadir óxido de calcio al dióxido de zirconio para estabilizarlo. El punto de fusión de esta cerámica es de 2700 °C. Su densidad es de aproximadamente 5,6 g/cm³. Se utiliza en situaciones donde se requiere una alta estabilidad térmica. Ofrece una resistencia extrema a los impactos y al calor.

Otras aplicaciones incluyen recubrimientos para garantizar resistencia al desgaste y recubrimientos refractarios y de barrera térmica.

Circonio estabilizado con ceria (CSZ)

Este tipo específico de cerámica, como su nombre indica, utiliza ceria para estabilizar la zirconia en su red cristalina. Es químicamente resistente y se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren altas temperaturas. La adición de ceria mejora la conductividad del oxígeno. Se utiliza en pilas de combustible y sensores de oxígeno.

La densidad de la cerámica se encuentra en el rango de 6,6 g/cm³ y la pureza de la zirconia estabilizada con ceria es de aproximadamente 99 1TP³T. Las aplicaciones de la CSZ incluyen materiales de molienda de alta estabilidad en pinturas e industrias afines. También se utiliza como catalizador en sistemas de escape de la industria automotriz.

Zirconia estabilizada con alúmina (ASZ)

El ASZ se fabrica combinando alúmina de alta calidad en la red cristalina de ZrO₂. Su porcentaje de alúmina varía entre 10 1TP₃T y 50 1TP₃T, según el grado requerido. Ofrece alta tenacidad a la fractura y gran resistencia. El ASZ se utiliza en aplicaciones automotrices, aeroespaciales y en componentes de la industria médica.

El ASZ también se utiliza en la fabricación de herramientas de corte. Se emplea en aplicaciones que requieren contrapartes cerámicas de alto rendimiento. La estabilización le permite funcionar a la perfección en condiciones adversas. La densidad de alúmina utilizada en el ASZ es de aproximadamente 3,7 a 3,8 g/cc.

Zirconia parcialmente estabilizada

La zirconia parcialmente estabilizada (PSZ) contiene aproximadamente 10 1TP₃T de MgO. Esta cerámica ofrece una tenacidad extrema y es compatible con temperaturas más altas. La PSZ presenta una estructura tetragonal que, a mayor temperatura, se volvería monoclínica. Este tipo de cerámica contiene aproximadamente entre 41TP₃T y 10 1TP₃T de YSZ.

Las ventajas del PSZ incluyen baja conductividad térmica, mayor estabilidad estructural, gran tenacidad y rentabilidad. Se utiliza a menudo en termopares. Si la gran tenacidad es una prioridad, los ingenieros suelen optar por el PSZ en lugar del completamente estabilizado.

La tenacidad a la fractura del PSZ es de 12 MPam½ y está mezclado con MgO 10%. Ofrece una buena capacidad de absorción de impactos. Esta cerámica se utiliza como pasadores en áreas de soldadura y suele ser beneficiosa para la industria del petróleo y el gas.

Cuadro comparativo de cerámicas prominentes

En resumen

Los avances en la tecnología de materiales han garantizado el mejor material para cada campo. La funcionalidad es clave a la hora de elegir cerámica de nueva generación para la aplicación deseada. La estabilización garantiza su óptimo rendimiento a la temperatura deseada. En cuanto a adaptabilidad, sin duda, la cerámica de zirconio estabilizada es superior.