Alúmina endurecida con circonio (ZTA)

La alúmina endurecida con circonio (ZTA) es una cerámica de ingeniería que combina las propiedades de las cerámicas de alúmina y circonio para proporcionar resistencia mecánica y resistencia al choque térmico, lo que la hace adecuada para aplicaciones ortopédicas, como cabezas femorales y revestimientos acetabulares, e industriales, como sellos de válvulas, bujes, piezas de bombas, herramientas de corte, componentes de motores y sellos de válvulas. Se puede encontrar en aplicaciones ortopédicas como cabezas femorales y revestimientos acetabulares, mientras que las aplicaciones industriales incluyen sellos de válvulas bujes sellos de válvulas bujes piezas de bombas herramientas de corte herramientas de corte o componentes de motores.

La ZTA se produce mediante gelcasting utilizando polvos de alúmina y circonio estabilizado con itria. Este proceso incluye la preparación de la pasta, el moldeo, el secado con disolventes con procesos osmóticos y de secado al aire, la pirólisis y la sinterización como pasos finales.

Dureza

La alúmina endurecida con circonio es un material ideal para aplicaciones que requieren alta resistencia y tenacidad, ya que se produce mediante la transformación inducida por tensión de finas partículas tetragonales de circonio en una matriz de alúmina. Este proceso produce una distribución uniforme del tamaño de las partículas que da lugar a propiedades mecánicas superiores, como dureza, resistencia a la fractura y tenacidad, además de ofrecer resistencia química y al desgaste.

Las partículas de circonio dispersas en una matriz de alúmina no suelen transformarse debido a las interacciones químicas entre ellas y las partículas de alúmina, pero pueden activarse al someterlas a esfuerzos para sufrir una transformación. Las partículas de circonio transformadas crean tensiones de compresión en los frentes de grieta que impiden la propagación; su transformación da lugar a una mayor tenacidad que la alúmina tradicional.

Claussen describió por primera vez el endurecimiento por transformación en 1976 y se caracteriza porque las partículas interactúan con los frentes de grieta para desviarlos, al tiempo que crean tensiones de compresión por delante de las puntas de grieta, aumentando así la tenacidad a la fractura de los materiales (Claussen 1976). Este efecto aumenta la tenacidad a la fractura.

La ZTA puede fabricarse mediante prensado isostático en caliente y se adapta bien a los materiales de pares de fricción para prótesis de cadera, habiendo demostrado una supervivencia superior a la de las cabezas femorales cerámicas fabricadas con óxido de circonio estabilizado con itria (Y-TZP) (Figura 7.10). Además, su gran contenido en alúmina y su mayor densidad ayudan a mitigar los fenómenos de envejecimiento observados en el Y-TZP, que provocan una transformación t-m exagerada y una degradación mecánica con el paso del tiempo (figuras 7.11 y 7.12).

La ZTA es una excelente elección de material para implantes médicos que deben ser resistentes a la corrosión y a la exposición a fluidos corporales, como los utilizados en quirófanos y motores de turbina en funcionamiento. En comparación con la alúmina tradicional, la ZTA ofrece una resistencia superior a la corrosión química; puede soportar entornos duros sin degradarse ni fallar. Además, la ZTA presenta una excepcional resistencia al choque térmico, lo que significa que puede tolerar cambios rápidos de temperatura, como los componentes de hornos y motores de turbina, sin agrietarse ni romperse bajo presión.

Durabilidad

Los compuestos AZ son extremadamente resistentes debido a las partículas de circonio endurecido dispersas en una matriz de alúmina. Cuando se exponen a tensión, las partículas alteran su estructura cristalina de tetragonal a monoclínica, lo que provoca una expansión y compresión del volumen que ayuda a detener la propagación de grietas. Esta propiedad, conocida como endurecimiento por transformación, hace que el ZTA de HMA Wear Solutions sea ideal para aplicaciones que requieren altos niveles de resistencia, tenacidad y dureza.

La durabilidad aumenta aún más cuando se somete a choques térmicos. Las partículas de circonio dispersas en una matriz de alúmina absorben la energía de los cambios rápidos de temperatura, protegiéndolas de la fractura y el agrietamiento debidos a la tensión provocada por los cambios bruscos de temperatura. Por ello, la cerámica puede utilizarse con seguridad en equipos expuestos a cambios bruscos e intensos de temperatura, como componentes de hornos o piezas de motores de turbina, sin riesgo de fallo.

La alúmina endurecida de circonio es conocida por su resistencia a la corrosión. Por ello, puede utilizarse en equipos que entren en contacto con líquidos corrosivos o productos químicos como ácidos de grabado y productos de limpieza. Además, la resistencia mecánica al desgaste de este material lo hace adecuado para implantes médicos o dispositivos que entren en contacto con fluidos corporales o productos químicos como soluciones de limpieza.

Gracias a su durabilidad y resistencia a la corrosión, los materiales compuestos de zirconia-alúmina (ZTA) se utilizan en numerosos sectores. Los fabricantes de herramientas de corte optan con frecuencia por los materiales fuertes y resistentes de la ZTA para crear herramientas de corte; además, se ha extendido su uso para la producción de equipos médicos, como dispositivos de implantes ortopédicos, como cabezas femorales y revestimientos acetabulares.

Los materiales de ZTA utilizados en aplicaciones médicas resisten bien gracias a su mayor tenacidad a la fractura -hasta 20 veces mayor que la de la alúmina sola-, lo que ayuda a reducir el riesgo de fallos por fragilidad que podrían causar efectos adversos en la salud de los pacientes.

Resistencia a la corrosión

La alúmina endurecida con circonio es un material duro y quebradizo diseñado para soportar altas temperaturas y entornos agresivos. Resiste la corrosión y los ataques químicos y tiene numerosas aplicaciones en sectores como el aeroespacial, la industria manufacturera y la automoción, así como una resistencia mecánica superior, resistencia al choque térmico y bajos índices de desgaste.

Las cerámicas ZTA difieren de las cerámicas tradicionales en que están formadas por compuestos de alúmina y circonio, producidos mezclando estos materiales en suspensión antes de sinterizarlos a temperaturas elevadas. La sinterización produce partículas de zirconia en fase tetragonal finamente dispersas dentro de una matriz de alúmina; cuando las grietas avanzan a través de esta matriz, su energía desencadena transformaciones de fase que producen una expansión de volumen que contrarresta eficazmente cualquier tensión presente; esto hace que aparezcan fracturas desviadas en múltiples lugares dentro de ella, dispersando la energía de fractura al tiempo que se disipa la energía de fractura por completo.

La composición de este material puede adaptarse en función de la aplicación prevista, ajustando la proporción de alúmina y circonio según sea necesario para satisfacer sus requisitos específicos. Por ejemplo, podría añadirse más circonio a su formulación para aumentar la resistencia a la tracción, mientras que más alúmina aumentaría la resistencia al envejecimiento hidrotérmico y a la corrosión.

La línea de productos ZTA-96 se desarrolló para ofrecer soluciones rentables para aplicaciones que requieren desgaste, corrosión y estabilidad a altas temperaturas. Disponible en una gran variedad de formas y tamaños con tolerancias y acabados personalizados, esta cerámica puede ofrecer un rendimiento fiable en aplicaciones exigentes.

La alúmina endurecida de circonio es conocida desde hace tiempo por su resistencia al desgaste y la corrosión, así como por su excelente estabilidad química, características ambas que la hacen muy adecuada para aplicaciones médicas en las que los fluidos corporales o los productos químicos entran en contacto con ella. Además, la zirconia se considera un candidato atractivo para implantes dentales y quirúrgicos por sus propiedades superiores de compatibilidad biológica.

Biolox Delta de CeramTec de Plochingen, Alemania, se lanzó a la venta comercial como uno de los primeros materiales ZTA disponibles comercialmente en 2000 como material de sustitución de implantes para cabezas femorales y revestimientos acetabulares. Compuesto por una matriz de alúmina reforzada con óxido de circonio y aluminato de estroncio, que proporcionan mecanismos de desdibujamiento de la punta de la grieta y mecanismos de endurecimiento, junto con óxido de cromo para evitar la corrosión en condiciones de baja temperatura, se han implantado más de 320.000 cabezas femorales y 160.000 insertos con esta cerámica restauradora, según informa CeramTec.

Resistencia al choque térmico

Los granos de zirconia combinados con una matriz de alúmina producen un material con una excepcional resistencia al choque térmico, lo que lo hace perfecto para aplicaciones que implican temperaturas extremas. Además, los compuestos de alúmina-circona tienden a superar a la alúmina pura en términos de durabilidad, incluso bajo una exposición prolongada al chorro de arena.

La ZTA ofrece una gran resistencia a la fractura, lo que la convierte en un material ideal para aplicaciones en las que no se desean materiales frágiles. Sin embargo, para obtener la máxima resistencia y tenacidad, los materiales compuestos de alúmina-circonia deben sinterizarse y compactarse correctamente; una temperatura demasiado baja podría provocar defectos puntuales y reducir la resistencia a la flexión.

Los compuestos de alúmina-circonia ofrecen una excelente resistencia al desgaste en herramientas de corte y otros componentes abrasivos, y presentan una baja fricción para ofrecer una mayor inercia química y un menor coste en comparación con materiales similares utilizados para implantes ortopédicos. Su combinación de propiedades hace que estos compuestos sean muy deseables en aplicaciones médicas.

Al someter a tensión los compuestos de alúmina-circona, la circonia tetragonal metaestable se transforma en circonia monoclínica y se produce una expansión del volumen de los cristales de circonia, lo que hace retroceder las puntas de las grietas y mejora la tenacidad; este efecto se conoce como endurecimiento por transformación inducido por tensión.

La alúmina endurecida con circonio es conocida por su resistencia y durabilidad, a la vez que por su aislamiento eléctrico, lo que la convierte en un material fantástico para componentes que requieren aislamiento mecánico y eléctrico, como los manguitos.

Los compuestos de alúmina y circonio fabricados con circonio estabilizado con itria (8YSZ) han demostrado ser superiores a los fabricados con alúmina no estabilizada, a un coste igualmente competitivo. Las aplicaciones ideales incluyen las aplicaciones en las que son esenciales tanto la resistencia a la abrasión como unas buenas propiedades de aislamiento eléctrico: ¡hasta 1500 grados C de temperatura están dentro de su capacidad!