El Zirconio (Zr) es el elemento químico de número atómico 40. Se descubrió en 1789 por Martin Heinrich Klaproth que analizando un zafiro de Ceilán (Sri Lanka) se dio cuenta de que en este material se encontraba un elemento todavía desconocido, al que le dio el nombre de Zirkonertz. Es un material blanco grisáceo, duro, resistente a la corrosión, refractario para aplicaciones hasta 2700° C. A temperatura ambiente se presenta come un polvo blanco inodoro. En la Naturaleza el Zirconio no se encuentra nunca como metal puro. Se obtiene principalmente de los minerales del Silicato de Zirconio, el Zirconio (ZrSi04), que se encuentran en yacimientos situados en Australia, Rusia, Estados Unidos, Brasil, India y Sud Africa. También se obtiene extrayendo el Óxido de Zirconio (ZrO2) de diversos minerales como la Badelita, cuyos yacimientos están principalmente en Sud Africa y Sri.Lanka.
Características de la materia prima
El Óxido de Zirconio (ZrO2)tiene la característica de ser una sustancia polimorfa, es decir tiene la capacidad de modificar la propia estructura cristalina manteniendo la composición química inicial.
A presión atmosférica el Óxido de Zirconio presenta tre fases polimórficas:
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Monoclínica
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Tetragonal
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Cúbica
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A temperatura ambiente, hasta 1170°C, presenta estructura cristalina monoclínica.
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De 1170°C a 2370°C la estructura cristalina se trasforma de monoclínica a tetragonal con una contracción volumétrica de cerca del 5%.
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A más de 2370°C pasa a estructura cristalina cúbica.
Las trasformaciones de fase son reversibles y influyen en las prestaciones del material que en la fase monoclínica y cúbica son modestas, pero son muy interesantes en la fase tetragonal.
La trasformación tetragonal monoclínica es de tipo martensítica: durante el enfriamiento la estructura tetragonal se trasforma en monoclínica con expansión del volumen que puede variar del 3% al 5% y que excede el límite elástico de la Badelita, causando microcracking en la estructura.
Este mecanismo, que en principio podría parecer la causa de un efecto negativo en las prestaciones del material, se utiliza para aumentar la fuerza y la resistencia.
De hecho, cuando se forman grietas en la cerámica, en la proximidad de los cristales de Óxido de Zirconio, se transforma la estructura a monoclínica. La tensión que se forma debido a la expansión del material frena la propagación de la grieta.
Esta “función de frenado de las fisuras” determina elevados valores de resistencia a la tenacidad y a la rotura.
Es posible mantener la fase tetragonal a la temperatura ambiente mediante estabilización parcial del Óxido de Zirconio con la adición de 3-6% de Óxido de Magnesio (MgO), Óxido de Yttrio (Y2O3), Óxido de Calcio (CaO) y Óxido de Cerio (Ce2O3).