BOLETÍN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE
Ce ámica y Vid io
ARTICULO
•••
Fluencia a al a empe a u a de compues os alúmína-cí cona
J.
M. CALDERÓN MORENO, A. RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ y A.DOMINGUEZ RODRÍGUEZ
Dp o.
de Fis. de la Ma . Condensada. Ins i u o de Ciencia de Ma e iales. Uni e sidad de Se illa-CSIC. 41080 Se illa
Se ha es udiado la mic oes uc u a y la espues a mecánica en comp esión a al a empe a u a de dos ce ámicos de alúmina e o zada
con ci cona (ZTA), ab icados median e mezcla de pol os y median e sol-gel con p ecu so es de ci cona, pa a de e mina la in luen-
cia del p ocesado. Las p ime as p esen an g andes aglome ados de pa ículas de ci cona y mayo amaño de g ano de alúmina, mien-
as que el ma e ial ab icado a pa i de p ecu so es p esen a una mic oes uc u a más homogénea. Se han ealizado ensayos en com-
p esión a empe a u as en e 1300 y 1450 °C, ensiones desde 20 a 600 MPa, y elocidad de de o mación de 2 x 10'^ s'^, encon ando
ac u a ágil a T < 1400 °C , y compo amien o plás ico es aciona io a T > 1400 °C pa a ambos ipos de mic oes uc u a.
Palab as
cla e:
alúmina,
ci cona,
compues o
ce ámico, ZTA, luencia.
High empe a u e c eep o alumina-zi cona composi es
Mic os uc u e and high empe a u e comp essi e c eep o w^o ci cona oughened alumina
(ZTA) ce amics, ab ica ed by pow^de p ocessing and sol-gel p ecu so s p ocessing, has been s udied, in o de o de e mine he
in luence o p ocessing. Fo he samples ab ica ed om powde s, he mic os uc u e is less homogeneous, wi h la ge agglome a-
es o ci cona, and g ea e alumina g ain sizes. Comp essi e es s a empe a u es be ween 1300 °C and 1400 °C, s esses be ween
20 and 600 MPa, a an s ain a e o 2 x 10"^ s"^ ha e been ca ied ou . B i le ac u e beha io was ound o bo h ma e ials below
1400 °C, and s a iona y plas ic de o ma ion abo e his empe a u e.
Key wo ds: alumina,
ci cona,
ce amic
composi es,
ZTA,
c eep.
INTRODUCCIÓN
Hay disponibles en la li e a u a di e sos esul ados sob e las
p opiedades mecánicas de alúmina e o zada con ci cona
(ZTA) (1-3). Todos ellos mues an una ue e dependencia de la
acción de olumen de cada componen e, la p opo ción en e
ci cona e agonal y ci cona monoclínica, así como del amaño
de g ano (TG) de la ci cona. G een, Hannick y Swain (4) eco-
gen la mayo ía de es os esul ados. Los es udios sob e la ac-
u a en ZTA han mos ado un inc emen o en el Kj^. (has a 10
MPam^ /2) , con con enidos c ecien es de ci cona, en pa icula
pa a pequeños amaños de g ano (< 1 pm) (5).
Es os au o es conside an que el inc emen o o al en la ena-
cidad de ac u a es una combinación la ans o mación ma -
ensí ica de la ci cona y la mic o isu ación. La p ime a sólo es
posible si hay pa ículas de Z 02 e agonal ( -Z 02)p esen es,
y la segunda ac úa si las pa ículas de ci cona en los bo des de
g ano se ans o man a monoclínicas du an e el en iado as la
sin e ización a al a empe a u a del ce ámico. En algunos
casos,
la mic o isu ación condujo a una educción de la esis-
encia a la de o mación de la mues a, pa icula men e g a e
pa a pa a al os po cen ajes y TG de ci cona (6).
Pa a e i a de ec os, algunos in es igado es han some ido a
p ensado en calien e (HIP) las mues as as sin e iza las (6),
ob eniendo mejo es esis encias, en pa icula pa a -Z 02.
Alguna mejo a en la ensión alcanzada en lexión se ha egis-
ado pa a olúmenes de ci cona de has a el 10% (5). O os
au o es han es udiado la esis encia as a aque é mico (7).
Es e pa áme o su e una g an disminución si la mues a se
calien a po encima de la empe a u a de ans o mación de la
ci cona y luego se en ía po debajo de ella. En es e es udio,
nues o obje i o es conoce los e ec os de la di e en e ab ica-
ción de la mues a en la mic oes uc u a y en el compo a-
mien o mecánico.
TÉCNICAS EXPERIMENTALES
A) Ma e ial
Se ha es udiado la e olución de la mic oes uc u a de dos
ZTA poHc is ales ce ámicos con 94.5 ol% de AI2O3 y S5 ol%
de Z 02. En un caso, el p ocesado ue ealizado median e una
mezcla en ase líquida de pol os pu os y dispe san es. La alu-
mina se añadió en o ma de a-Al203 y el pol o de ci cona, de
al a pu eza (99.995%), en la o ma monoclínica m-Z 02. La
densi icación se ealizó, as el secado, po comp esión uniaxial
en calien e, a 1600 °C, alcanzando la densidad eó ica. Es e ipo
de ma e ial se á denominado pd-ZTA.
En los o os ma e iales, el p ocesado se desa olló median e
una écnica sol-gel usando una solución de AI2O3 y un p e-
cu so de Z 02, pa a consegui un mejo mezclado de los
componen es. T as la calcinación, amizado y secado, se apli-
có la comp esión uniaxial en calien e a 1600 °C, ob eniendo
mues as de densidad eó ica. Es e ma e ial se á denominado
pc-ZTA.
Bol.
Soc. Esp. Ce ám. Vid io, 35 [5] 345-348 (1996) 345
J.
M. CALDERÓN, A. RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
B) Ensayos Mecánicos
Se han ealizado ensayos mecánicos en comp esión en ai e
sob e mues as de 3x3x5 mm, a elocidad de de o mación
cons an e (CSR) de 1.7 xlO"^ s" . Las empe a u as a ia on
desde 1300 a 1450 °C. Se eligió es e ango de alo es a pa i de
esul adosde la li e a u a, con la in ención de de e mina la
empe a u a a pa i de la cual cada ma e ial se de o ma
siguiendo un egimen plás ico es aciona io.
C) Obse aciones Mic oes uc u ales
Supe icies pulidas de mues as de o madas y sin de o ma
se obse a on en mic oscopía elec ónica de ba ido (MEB).
Algunas ue on a acadas é micamen e en ai e a 1450 °C pa a
e ela la mo ología de los g anos. Algunos pa áme os mic o-
es uc u ales (dis ibución de la ci cona , TG, y o ma) ue on
es udiados en un analizado de imágenes, sob e imágenes
omadas en MEB, el TG se de e mino median e la exp esión
TG = (A/TC)^/2,
siendo A el a ea de cada g ano, pa a un nume o su icien e de
g anos (> 500).
MICROESTRUCTURA DE MUESTRAS NO
DEFORMADAS
A) ZTA p epa ada median e mezcla de pol os
Los g anos de Z 02 es án homogéneamen e dis ibuidos a lo
la go de la ma iz de AI2O3. Una imagen de la mic oes uc u-
a puede obse a se en la Figu a 1. Un 20% de la acción de
olumen o al de ci cona son pequeñas pa ículas (< 0.5 pm) y
es án no malmen e empo adas en g andes g anos de alúmina,
los g anos de alúmina ienen un amaño medio de 4.7 ± 0.7 pm.
O o 60% de Z 02 son g anos en e 0.5 y 7 pm de diáme o.
Es e 60% es á si uado en jun as de g ano y uniones iples.
Finalmen e, el es an e 20% de Z 02 son la gos aglome ados (>
7 pm, con un amaño máximo de 38 pm
)
si uados en e los g a-
nos de AI2O3. Es os aglome ados ienen una o ma de len eja,
con su sección máxima o ien ada en el plano pe pendicula al
eje de comp esión en calien e del sin e izado.
Algunos es udios han ecogido mic oes uc u as simila es
(8,9).
Las pa ículas pequeñas de Z 02 son no malmen e a a-
padas du an e el c ecimien o de los g anos de alúmina en el
p ocesado. Heue , Claussen, K i en y Rühle (10) obse a on
que los g anos así a apados, con un amaño de g ano meno
de 0.5 pm, son en su mayo ía e agonales, y es muy imp oba-
ble que se ans o men a monoclínicas den o de una ma iz
ígida, como la AI2O3 (11), mien as que los g anos más g an-
des,
usualmen e si uados en las on e as de g ano, son p inci-
palmen e monoclínicos. Cuando la dispe sión de la ci cona en
la ma iz no es su icien emen e bueno, las pa ículas monoclí-
nicas pueden aglome a se, y o ma las pa ículas g andes
obse adas en es e y o os es udios (12).
La p esencia de la Z 02 monoclínica p omue e una pob e
esis encia al a aque é mico. Es e compo amien o es debido a
la ans o mación ma ensí ica. Cuando se calien a du an e el
sin e izado, a aque é mico o ensayo mecánico, las pa ículas
monoclínicas se ans o man en e agonales. Cuando se
en ian, uel en a se monoclínicas, c eando g ie as, pa icu-
la men e al ededo de las pa ículas g andes mencionadas p e-
iamen e. Va ios abajos de G een en a izan es a obse ación
(7,13).
En la Figu a 2, omada sob e una supe icie pulida y a acada
é micamen e, es ácil obse a la o mación de g ie as en e las
pa ículas de Z 02, en especial en e los aglome ados de
mayo amaño.Todas las obse aciones con i man la ac i idad
de la ans o ma ion ma ensí ica du an e, en gene al, cual-
quie ciclado é mico po encima de la empe a u a de ans-
o mación.
B) ZTA p epa ada con p ecu so es
En es as mues as, las pa ículas de Z 02 es án ambién uni-
o memen e dis ibuidas en la ma iz. Sin emba go, se obse a
al compa a la con la de pd-ZTA una dis ibución de TG de ci -
cona mucho más concen ada: un 95% del núme o o al de
pa ículas ienen un TG más pequeño de 1 pm, la mayo ía
ocluidas o embebidas en g anos de AI2O3, con un TG medio de
2.6±0.3 pm. En la Figu a 3 se obse a una imagen en MEB del
ma e ial.
Cuando las mues as ue on pulidas y a acadas é micamen-
e pa a su análisis mic oes uc u al, no se obse ó a anca-
mien o de g anos o isu ación as el ciclado é mico po enci-
ma de la empe a u a de ans o mación. La ausencia de g an-
Fig.
1: Mic og a ía en MEB del ma e ial
pd-ZTA.
Fig.
2: Mic og a ía en MEB del ma e ial
pc-ZTA.
346 Bole ín de la Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. Vol. 35 Num. 5 Sep iemb e-Oc ub e 1996
FLUENCIA
A
ALTA TEMPERATURA DE COMPUESTOS ALÚMINA-CIRCONA
Fig. 3: G ie a causada po los
aglome ados
de
ci cona
as el
ciclado
é mico.
400
sod
.|
20C
ioq-
—^—I—'—I—'—'—'—"—'—'—'
A
4 ic
W, '—'—•"
>*Z AVCC=1.7x10-^s-^ ><^ 385IVPa
-^— 1300QC
^— 1350<>C
-e--
1400^0
-^^^ 1450OC 231IVPa
aa"::aDg3
D'^Doa—B-=—a—B—
95 MPa
51WPa
-^-
5 6
DEFORMAaÓN(%)
Fig. 4: Resul ados de ensayos a
elocidad
de
de o mación
cons an e en pd-ZTA a di e-
en es empe a u as.
450,
400U
•§
-T
1 T
I • I ' ' ^ 1 ' ' • ' •^434| ÍPa' •
pc-ZTA CSF^lTxlO"*
S'^
296 MPa
en D D a
D—e—a
157 MPa I
54IVPa
Fig. 5:
en es
DEFORMACIÓN (%)
Resul ados de ensayos a
elocidad
de de o mación cons an e en pc-ZTA a di e-
empe a u as.
des g anos monoclínicos de ci cona es esponsable de es a
mejo mic oes uc u a. Los g anos de Z 02 son su icien emen-
e pequeños, incluso si es án en las on e as de g ano, pa a
man ene su es uc u a e agonal.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Pa a las elocidades de comp esión usadas, a T < 1400 °C
ambos compues os su en ac u a ágil, as su i de o ma-
ción elás ico-plás ica, pe o sin alcanza un es ado es aciona io
de de o mación. Las mues as de pc-ZTA alcanzan ensiones
ípicamen e más al as que las medidas pa a las mues as pd-
ZTA. Pa a empe a u as mayo es que 1400 °C ambos ipos de
mues a se de o man en égimen plás ico es aciona io. El paso
de un égimen a o o puede obse a se cla amen e en las Fig.4
y 5, que ecogen ensayos mecánicos sob e ambos ma e iales.
Se han analizado en o os abajos (14) los mecanismos de
de o mación p esen es en el égimen plás ico pa a ambos
ma e iales, así como la mic oes uc u a as la de o mación, en
ellos se pone de mani ies o como los aglome ados de Z 02 ^^
los bo des de g ano ienen el e ec o nega i o de se o igen de
daños,
así como limi a la de o mación an es de la ac u a. Las
mues as ab icadas usando la écnica de p ecu so es con ie-
nen muy pocas de es as pa ículas, y las mues as se man ienen
in ac as has a mayo es alo es de de o mación p e io a la ac-
u a. Como se obse a en la Figu a 3, la p esencia de es os
aglome ados causa una deg adación de la mic oes uc u a a
al a empe a u a.
La mejo dispe sión de la ci cona en la ma iz en pc-ZTA,
e i ando la o mación de g andes pa ículas in e g anula es
monoclínicas, conduce a un mejo compo amien o mecánico
en al a empe a u a. En las mues as de pd-ZTA, que con ie-
nen pa ículas más g andes de ci cona en las on e as de
g ano, la conexión de las ca idades c eadas es más ácil po la
mic o isu ación inhe en e p esen e en las mues as, y condu-
ce a una limi ación en la de o mación o al posible an es de la
ac u a ágil po c eación de mac og ie as, y ambién a la
imposibilidad de medi es ados es aciona ios de de o mación
po encima de una ensión c í ica a pa i de la cual la c ea-
ción de daños es demasiado se e a. Po o o lado, en las
mues as pc-ZTA, donde se ha medido una dis ibución más
es echa de TG, con pa ículas más -Z 02 pequeñas, sólo se
de ec an es ados es aciona ios, y no el égimen de c eación de
daños.
También hay ca idades en las mues as de o madas,
pe o la meno mic o isu ación esul a en un mejo espues a
mecánica.
CONCLUSIONES
La ansición al égimen de de o mación plás ica no depen-
de del di e en e p ocesado de los dos ma e iales, con idén ica
composición. La empe a u a en es e caso es la a iable unda-
men al pa a es ablece el ango de de o mación plás ico.
El ma e ial ZTA p ocesado a pa i de p ecu so es, con
meno mic o isu ación, es un candida o mejo pa a las aplica-
ciones en al a empe a u a que el ce ámico ZTA p ocesados a
pa i de pol os, en los cuales se in oduce la mic o isu ación
con la p esencia de g anos de ci cona monoclínicos.
Es e abajo se ealizo den o del p oyec o MAT91-0978
CICYT del M. E.C. •
Bole ín
de la
Sociedad Española
de
Ce ámica
y Vid io. Vol. 35 Num. 5
Sep iemb e-Oc ub e
1996 347
J.
M.
CALDERÓN,
A.
RAMIREZ DE ARELLANO LOPEZ,
A.
DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
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and
C eep P ope ies
o
Alumina/Zi conia
Ce amics" J. Eu . Ce . Soc. 15, 983-988 (1995).
Recibido: 10-1-96
Acep ado: 12-10-96
Ma e iales Re ac a ios
y
Side u gia
160 páginas
P ecio:
Socio 4.500 p as.
No socios 6.000 p as.
Expe iencias y pe spec i as de la
u ili-
zación de ma e iales e ac a ios en la
indus ia side ú gica.
D. E nes o Badía A ucha, Je e de ob as
y e ac a ios de Al os Ho nos de
Vizcaya, y D. Ignacio La bu u E eño:
Re ac a ios pa a ho nos al os en AHV.
D. Gabi no de Lo enzo y D. F ancisco
Egea Molina: Re es imien os e ac a-
ios en ho no al o de Ensidesa.
D. Jesús Ma ía Vale io, de S.A.
Eche a ía: Cucha as de a amien o
secunda io de ace o.
D. Jesús Vale a, Ensidesa-Ve iña:
E olución de la du ación de e es i-
mien os en las ace ías de Ensidesa.
D. JA. Pé ez Romualdo, Je e de colada
con inua de Al os Ho nos del
Medi e áneo: Re ac a ios en cucha as
de ace o y colada con inua de slabs.
II.
In es igaciones en el campo de ma e-
iales e ac a ios en el Ins i u o de
Ce ámica y Vid io.
P o . D . Sal ado de Aza, Di ec o del
ICV: El Ins i u o de Ce ámica y Vid io.
Es uc u a y obje i os.
D. Emilio C iado He e o: El sec o
español de e ac a ios y la indus ia si-
de ú gica. E olución y pe spec i as.
D . F ancisco José Valle Fuen es:
Tendencias en el análisis de ma e iales
e ac a ios.
D . Se a ín Moya Co al: Ma e iales
ce ámicos enaces basados en mulli a-
ci cón.
D a.
Pila Pena Cas o: Ma e iales
e ac a ios basados en ci cón.
D. Angel Caballe o Cues a: E olución
de las p opiedades e ac a ias y e -
momecánicas de las bauxi as.
D . Ra ael Ma ínez Cáce es:
Cemen os e ac a ios.
I La ese a de ejempla es
y
los pedidos deben di igi se a: Sociedad Española de Ce ámica y Vid io. C a. de Valencia, Km. 24,300. 28500 A ganda del Rey (Mad id)
ESCUELA
DE LAS
ARTES
DEL
VIDRIO
Cu sos di igidos
a
a is as, c eado es
y
diseñado es in e esados en
la
u ilización del id io como ma e ial exp esi o
Vi al^
Pâ e
de
Ve e, Fusing e mo o mado, Cho o
de
A ena, G abado
al
Acido, Talla, Res au ación
La con oca o ia pa a las p uebas
de
selección end án luga el mes de diciemb e de 1996. Plazas limi adas
Pa a más in o mación pueden llama
a
los elé onos:
490 28 86 y 490 16
56
Fundacó Cen e del Vid e de Ba celona. Ca e Com es de BelLlloc, 192. 08014 Ba celona
348 Bole ín
de la
Sociedad Española de Ce ámica
y
Vid io. Vol.
35
Num.
5
Sep iemb e-Oc ub e 1996