MATERIAL CERÁMICO COMPUESTO DE ZR02-AI203 Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DEL MISMO.

Material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 y procedimiento de fabricación del mismo Campo técnico La presente invención se refiere a un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 con excelentes propiedades mecánicas y a un procedimiento de fabricación del mismo. Técnica antecedente En comparación con los materiales de metal y de plástico, los materiales cerámicos demuestran una excelente dureza, resistencia al desgaste, resistencia al calor y resistencia a la corrosión. Con respecto al uso práctico de los materiales cerámicos en diversos campos de aplicación, por ejemplo, piezas de biomaterial, tales como articulaciones artificiales y dientes postizos, equipos médicos, herramientas de corte tales como taladros y bisturíes, piezas mecánicas para automóviles, aviones y naves espaciales usadas en condiciones rigurosas, se desea desarrollar un material cerámico que tenga una mayor resistencia mecánica y tenacidad en un nivel alto. En los últimos años, la atención estuvo dirigida a un material cerámico compuesto de zirconia (ZrO2)-alúmina (Al2O3) como un posible candidato del material cerámico. Por ejemplo, la publicación anticipada de la Patente Japonesa [kokai] No. 5-246760 divulga un cuerpo sinterizado cerámico compuesto a base de ZrO2 que comprende una fase de matriz de granos de ZrO2 tetragonal que contiene del 5 al 30 % mol de CeO2 y una fase de dispersión de granos finos de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Al2O3, SiC, Si3N4 y B4C, que están dispersos dentro de los granos de ZrO2 y en los límites de los granos de la fase de matriz. Por la presencia de la fase de dispersión, se evita un crecimiento de los granos de la fase de matriz y se obtiene una estructura fina de grano de la fase de matriz, de modo que se logra un refuerzo considerable principalmente debido a una reducción del tamaño de los defectos del origen de las fracturas. Además, la patente de los Estados Unidos No. 5.728,636 divulga un material cerámico a base de ZrO2 que tiene una resistencia mecánica y una tenacidad altas, que comprende una fase de ZrO2 tetragonal de granos de ZrO2 que tienen un tamaño promedio de grano de 5 m o menos y que contiene del 8 al 12 % mol de CeO2 y del 0,05 al 4 % mol de TiO2 como estabilizador y una fase de Al2O3 de granos de Al2O3 que tienen un tamaño promedio de grano de 2 m o menos. En este material cerámico, los granos de Al2O3 se dispersan dentro de los granos de ZrO2 a una relación de dispersión del 2 % o más, que se define como una relación del número de los granos de Al2O3 dispersos en los granos de ZrO2 con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico. Además, mediante el uso de la combinación de CeO2 y TiO2 como estabilizador, el crecimiento de grano de los granos de ZrO2 puede mejorarse moderadamente, de forma que se dispersen de manera eficaz las partes de los granos de Al2O3 dentro de los granos de ZrO2 y se aumente un estrés crítico de una transformación inducida por estrés de ZrO2 tetragonal a ZrO2 monoclínica. De hecho, como un abordaje potencial para mejorar la resistencia al desgaste y la dureza de este tipo de material cerámico, se propone aumentar la cantidad aditiva de Al2O3. Sin embargo, dicho aumento de la cantidad de Al2O3 generalmente conduce a reducciones de la resistencia mecánica y tenacidad. En los casos anteriores, una cantidad preferida de Al2O3 en el cuerpo sinterizado cerámico compuesto o el material cerámico está en un intervalo del 0,5 al 50 % vol. Cuando la cantidad de Al2O3 excede del 50 % vol, Al2O3 se convierte en la fase de matriz, de modo que es difícil mantener un mecanismo de refuerzo en base a una transformación de fase inducida por estrés de ZrO2. En consecuencia, pueden ocurrir reducciones considerables de resistencia mecánica y tenacidad. Además, de Nawa M. et al, "The Effect of TiO2 Addition on Strengthening and Toughening in Intragranular Type of 12Ce-TZP/AI2O3 Nanocomposites", Journal of the European Ceramic Society, Barking, Essex, Reino Unido, vol. 18, No. 3, 1998, páginas 209 a 219, se conoce un material compuesto de ZrO2-Al2O3 que tiene una nanoestructura intragranular en la cual las partículas de Al2O3 de tamaño de submicrones están dispersas dentro de los granos de ZrO2 y una microestructura intragranular en la cual las partículas de Al2O3 o las partículas de ZrO2 están atrapadas dentro de los granos de ZrO2 o Al2O3. Asimismo, el documento EP 1 382 586 A2 divulga un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 que incluye granos de Al2O3 dispersos dentro de granos de ZrO2 a una primera relación de dispersión del 2 % o más que se define como una relación del número de los granos de Al2O3 dispersos dentro de los granos de ZrO2 con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico y granos de ZrO2 a una segunda relación de dispersión del 1 % o más que se define como una relación del número de los granos de ZrO2 dispersos dentro de los granos de Al2O3 con respecto al número de todos los granos de ZrO2 dispersos en el material cerámico. Adicionalmente, del documento US 5 863 850 A se conoce un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 , donde los granos finos de Al2O3 con un tamaño promedio de grano de 1 m o menos están dispersos dentro de los granos de la zirconia parcialmente estabilizada a una relación de dispersión. La relación de dispersión se define como una relación del número de los granos de Al2O3 dispersos dentro de los granos de zirconia parcialmente estabilizada con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico. 2   Sin embargo, los materiales cerámicos compuestos de ZrO2-Al2O3 anteriores aún tienen un problema que debe ser resuelto para proporcionar una excelente resistencia al desgaste y dureza sin causar reducciones en la resistencia mecánica y tenacidad con una cantidad mayor de Al2O3. Compendio de la invención Por lo tanto, una preocupación principal de la presente invención es proporcionar un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 con mayor resistencia al desgaste y dureza, manteniéndose al mismo tiempo un buen equilibrio entre la resistencia mecánica y la tenacidad, con una mayor cantidad de Al2O3 que hasta el momento. A saber, el material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 de la presente invención comprende una fase de ZrO2 compuesta por el 90 % vol o más de ZrO2 tetragonal y una fase de Al2O3, en donde una cantidad de dicha fase de Al2O3 en el material cerámico compuesto está en el intervalo del 20 al 70 % vol, y el material cerámico compuesto comprende los granos compuestos dispersos allí, cada uno de los cuales tiene una estructura en la que un grano de Al2O3 que contiene un grano fino de ZrO2 en el mismo está atrapado dentro de un grano de ZrO2, en donde una relación del número de los granos de Al2O3 que existen en dicha partícula compuesta y que tiene el grano fino de ZrO2 en el mismo con respecto a todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto es del 0,3 % o más. En el material cerámico compuesto anterior, se prefiere que la fase de ZrO2 contenga del 10 al 12 % mol de CeO2 como estabilizador. Además, se prefiere que una primera relación de dispersión del número de granos de Al2O3 dispersos en los granos de ZrO2 con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto sea del 1,5 % o más. Específicamente, la primera relación de dispersión define una relación de un total del número de granos de Al2O3 de las partículas compuestas, cada uno de los cuales tiene el grano fino de ZrO2 en el mismo y está atrapado dentro del grano de ZrO2, y el número de granos de Al2O3, cada uno de los cuales no tiene el grano fino de ZrO2 en el mismo y está atrapado dentro del grano de ZrO2, con respecto a todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto. Cuando la primera relación de dispersión es del 1,5 % o más, el material cerámico compuesto puede reforzarse más efectivamente por los granos de Al2O3 dispersos dentro de los granos de ZrO2. En consecuencia, las propiedades mecánicas del material cerámico compuesto de la presente invención pueden mejorarse adicionalmente. Además, se prefiere que una segunda relación de dispersión del número de granos de ZrO2 dispersos en los granos de Al2O3 con respecto al número de todos los granos de ZrO2 dispersos en el material cerámico compuesto sea del 4 % o más. Específicamente, la segunda relación de dispersión define una relación de un total del número de granos finos de ZrO2, que están atrapados dentro de los granos de Al2O3 que forman las partículas compuestas, y el número de granos de ZrO2, que están atrapados dentro de los granos de Al2O3 que no forman las partículas compuestas, con respecto al número de todos los granos de ZrO2 dispersos en el material cerámico compuesto.... [Seguir leyendo]

1. Un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 que comprende una fase de ZrO2 compuesta por el 90 % vol o más de ZrO2 tetragonal y una fase de Al2O3, en donde una cantidad de dicha fase de Al2O3 en el material cerámico compuesto está en un intervalo del 20 al 70 % vol y el material cerámico compuesto comprende granos compuestos dispersos en el mismo, cada uno de los cuales tiene una estructura en la que un grano de Al2O3 que contiene un grano fino de ZrO2 en el mismo está atrapado dentro de un grano ZrO2, en donde una relación del número de los granos de Al2O3 que existen en dicha partícula compuesta y que tienen el grano fino de ZrO2 en el mismo con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto es del 0,3 % o más. 2. El material cerámico compuesto como se indica en la reivindicación 1, en donde dicha fase de ZrO2 contiene del 10 al 12 % mol de CeO2 como estabilizador. 3. El material cerámico compuesto como se indica en la reivindicación 1 o 2, en donde una primera relación de dispersión del número de granos de Al2O3 dispersos en los granos de ZrO2 con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto es del 1,5 % o más. 4. El material cerámico compuesto como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, en donde una segunda relación de dispersión del número de granos de ZrO2 dispersos en los granos de Al2O3 con respecto al número de todos los granos de ZrO2 dispersos en el material cerámico compuesto es del 4 % o más. 5. El material cerámico compuesto como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde un tamaño promedio de grano de dicha fase de ZrO2 está en un intervalo de 0,1 a 1 m y un tamaño promedio de grano de dicha fase de Al2O3 está en un intervalo de 0,1 a 0,5 m. 6. Un procedimiento de fabricación de un material cerámico compuesto de ZrO2-Al2O3 que comprende una fase de ZrO2 compuesta por el 90 % vol o más de ZrO2 tetragonal y una fase de Al2O3, comprendiendo el procedimiento las etapas de -mezclar un primer polvo para proporcionar dicha fase de ZrO2 con un segundo polvo para proporcionar dicha fase de Al2O3 de forma que la cantidad de dicha fase de Al2O3 en el material cerámico compuesto esté en un intervalo del 20 al 70 % vol, conteniendo el segundo polvo partículas de Al2O3 que tienen, cada una, una partícula fina de ZrO2 en la misma; -moldear una mezcla resultante en una forma deseada para obtener un compacto en verde; y -sinterizar dicho compacto en verde en una atmósfera que contiene oxígeno, de forma que el material cerámico compuesto comprenda partículas compuestas dispersas en el mismo, cada una de las cuales tiene una estructura en la que un grano de Al2O3 que contiene un grano fino de ZrO2 en el mismo está atrapado dentro del grano de ZrO2, y una relación del número de los granos de Al2O3 que existen en dicha partícula compuesta y que tiene el grano fino de ZrO2 en el mismo con respecto al número de todos los granos de Al2O3 dispersos en el material cerámico compuesto sea del 0,3 % o más. 7. El procedimiento como se indica en la reivindicación 6, en donde el primer polvo comprende un polvo de ZrO2 que contiene del 10 al 12 % mol de CeO2 como estabilizador. 8. El procedimiento como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, en donde un proceso de preparación del segundo polvo comprende una etapa de agregar un polvo de ZrO2 a al menos uno seleccionado de un polvo de -AI2O3 y un polvo de -AI2O3 que tiene un área de superficie específica de 50 a 400 m 2 /g para obtener un polvo mixto y calcinar luego el polvo mixto en una atmósfera de oxígeno a una temperatura de 800 ºC a 1300 ºC. 9. El procedimiento como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, en donde un proceso de preparación del segundo polvo comprende las etapas de agregar un polvo de ZrO2 a una de una solución acuosa de una sal de aluminio y una solución orgánica de un alcóxido de aluminio, hidrolizar una mezcla resultante para obtener un precipitado y secar el precipitado y luego calcinar el precipitado en una atmósfera que contiene oxígeno a una temperatura de 800 ºC a 1300 ºC. 10. El procedimiento como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, en donde un proceso de preparación del segundo polvo comprende las etapas de agregar una solución acuosa de una sal de zirconia a una solución acuosa de una sal de aluminio y una solución orgánica de un alcóxido de aluminio, hidrolizar una mezcla resultante para obtener un precipitado y secar el precipitado y luego calcinar el precipitado en una atmósfera que contiene oxígeno a una temperatura de 800 ºC a 1300 ºC. 11. El procedimiento como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en donde el segundo polvo está principalmente compuesto de partículas de -AI2O3 que tienen un tamaño promedio de partícula de 0,3 m o menos, cada una de las cuales contiene una partícula fina de ZrO2 en la misma. 14   12. El procedimiento como se indica en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, en donde una relación de volumen de Al2O3 : ZrO2 en el segundo polvo está en un intervalo de 95 : 5 a 50 : 50.   16