Tecnología de la Fabricación
Los aditivos estabilizantes se deben distribuir uniformemente dentro de los polvos de partida para las cerámicas de zirconia. La distribución homogénea se puede lograr por la coprecipitación controlada de los hidróxidos los cuales son descompuestos por calcinación que produce polvos de tamaños de partícula finos. Los polvos sinterable activos son producidos comercialmente, generalmente por la hidrólisis de una mezcla de ZrOCl2 y de YCl3 para precipitar el hidróxido mezclado. El método produce un polvo que tiene un tamaño de partícula muy fino, cerca 0.3 milímetro. Los métodos alternativos para fabricar polvos activos incluyen el C VD y la oxidación hidrotérmica.
Los polvos de Zirconia se pueden formar usando técnicas tales como “slip casting”, prensado en seco, y moldeado por inyección. La cerámica puede ser densificada por sinterización, prensado en caliente, o prensado isostático en caliente, con tal que el tratamiento térmico del material sea apropiado para desarrollar la microestructura deseada. Otros métodos de la fabricación, tales como sinterización por microondas, están también bajo investigación. La sinterización por reacción se ha utilizado para producir microestructuras de las partículas del zirconia en varias matrices cerámicas.
Zirconia Parcialmente Estabilizada
PSZ se abarca de una matriz cúbica de zirconia que tiene una fina dispersión de partículas tetragonales. Los aditivos estabilizantes están en la orden de varios % en peso de MgO, de CaO, o de Y2O3 para producir las microestructuras apropiadas. Los polvos primero se sinterizan a una temperatura apropiada, solución recocida en la región cúbica monofásica del diagrama de fase de la zirconia, y entonces es sometido a un tratamiento térmico (envejecido) en la región bifásica para nuclear y hacer crecer los precipitados tetragonales dentro de la matriz cúbica. Una gama crítica del tamaño, desde submicrométrico a varios micrómetros, existe para la transformación inducida por stress de las partículas tetragonales del zirconia. Si el material envejecido es demasiado largo y los precipitados crecen más que el tamaño crítico, las partículas se transforman espontáneamente a la fase monocíclica al enfriarse a la temperatura ambiente; si las partículas son más pequeñas que el tamaño crítico, la transformación no ocurre. El límite crítico del tamaño depende del constreñimiento de la matriz y de la composición del zirconia. Mientras que se aumenta el contenido del óxido estabilizante, la energía libre química asociada a la transformación de la fase disminuye y por lo tanto se induce a partículas más grandes pueden que permanezcan en la forma tetragonal metastable.
Zirconia Tetragonal Polycrystalina
La cerámica de TZP se puede producir por composiciones estabilizadas usando Y2O3 (2-4 mol de %) o el óxido del cerio (IV), CeO2 (9-14 mol de %) por sinterización en la región tetragonal monofásica del diagrama de fase. Para conservar la fase tetragonal a la temperatura ambiente, el tamaño de grano se debe mantener muy pequeño (generalmente < 1 μm). Cada grano es frenado por los granos circundantes de transformarse a la forma monocíclica estable. Los materiales de TZP exhiben valores excepcionalmente altos de la resistencia a la fractura y alta dureza. EL TZP de óxido de itrio, sin embargo, exhibe una disminució n seria de la dureza cuando es envejecido en aire entre 150 y 300 ºC. Debido a un tamaño de grano fino y la presencia de una fase del límite de grano, las cerámicas de TZP muestran pseudosuperplasticidad a 1200 ºC. Esta característica proporciona las oportunidades para el conformado de piezas de este material.
Zirconia Cerámica Endurecida
Las partículas de Zirconia se pueden encajar en matrices del para formar una variedad de cerámicas endurecidas por transformación. Los matrices incluyen el Al2O3, el b2-alumina, el mullita, Si3N4, SiAlON, TiB2, MgO, y el disilicio de molibdeno MoSi2. Los requisitos son que la matriz no reaccione con el ZrO2 y que tenga un módulo elástico suficientemente alto para conservar el ZrO2 en el estado tetragonal. Las partículas del zirconia pueden entonces transformarse como hacen en materiales de PSZ o de TZP. Se obtienen resultados óptimos de dureza usando zirconia muy fina (generalmente de < 1 μm). ZTC son formados generalmente por la mezcla de los polvos del zirconia y la matriz, y sinterizando o preparando químicamente polvos de la composición mezclada por coprecipitación. La síntesis por mezcla del polvo da partículas intergranulares mientras que la ruta química produce los intragranular. Las características mecánicas son optimizadas manteniendo una fase muy bien dispersada del zirconia y evitando crecimiento de la partícula durante la sinterización. Sin embargo, las temperaturas de la sinterización deben ser bastante elevadas hasta alcanzar una densidad completa.
Mecanismos del Endurecimiento
Los mecánicos de transformación de tetragonal monocíclica pueden efectuar a la dureza de la cerámica.
Endurecimiento por Transformación Inducida por Tensión
El campo de tensión de una grieta puede iniciar la transformación martensítica; las partículas transformadas se expanden contra la matriz, dando por resultado la tensión de compresión en la superficie de la grieta. Esta tensión actúa para reducir la eventual propagación de la grieta. Las partículas que se han transformado en la vecindad de la grieta abarcan lo que se llama zona de proceso. Esta zona tiende a blindar el extremo de la grieta donde la tensión es aplicada.
Capas superficiales Compresivas
La transformación espontánea de tetragonal a monocíclica de las partículas de zirconia puede ocurrir en o cerca de la superficie de una parte macroscópica como resultado de la ausencia del constreñimiento hidrostático cerca de la superficie libre. Las partículas amplían e inducen una tensión de compresión. Esta capa superficial compresiva conduce a una alta tensión de la fractura y en algunos casos la fuerza puede ser doblada. El pulido superficial se ha encontrado como el método más eficaz de inducir esta transformación.
Endurecimiento de la Microgrieta
El endurecimiento ser puede resultar de las microgrietas residuales y de la tensión inducida en las microgrietas. Se forman las microgrietas residuales cuando las partículas tetragonales conservadas son más grandes que un cierto tamaño crítico que las hace transformar espontáneamente al enfriarse. Las tensiones generadas alrededor de las partículas transformadas inducen microgrietas entre las partículas y la matriz. Las microgrietas pueden extender se en el campo de tensión de la grieta al propagarse, o al desviarse la grieta al propagarse, de tal modo que al absorberse o al disiparse la energía de fractura, aumenta la dureza de la cerámica. Sin embargo, aunque se aumenta la dureza de la fractura, la presencia de microgrietas inducidas por tensión o residuales puede dar lugar a una reducción significativa en la resistencia a la fractura. Debido a la creciente resistencia a la fractura, las microestructuras que tienen microgrietas residuales son útiles en las situaciones que se requiere resistencia al choque térmico. Estos materiales se deben procesar cuidadosamente para producir las partículas bastante grandes para que se puedan transformar, pero bastante pequeño para causar solamente el desarrollo limitado de la microgrieta. La microestructura de los materiales del zirconia se puede diseñar para obtener combinaciones óptimas de la resistencia y de la dureza a la fractura controlando la cantidad relativa al endurecimiento por transformación inducida por tensión y a las microgrietas. La dependencia de la temperatura de las características mecánicas también se correlaciona con diversos mecanismos del endurecimiento. El endurecimiento por transformación proporciona altas resistencia y dureza a temperaturas bajas e intermedias pero su eficacia disminuye conforme la temperatura aumenta. El endurecimiento de la microgrieta es un mecanismo menos eficaz del endurecimiento pero es esencialmente independiente de la temperatura.
Desviación de la Grieta
La desviación de la grieta puede producirse cuando las partículas se transforman delante de una grieta al propagarse. La grieta se puede desviar por el campo de tensión residual localizado que se produce como resultado de la transformación de la fase. La fuerza se reduce con eficacia en la porción desviada de la grieta al propagarse dando por resultado el endurecimiento de la pieza.