Estudio de caso: Cómo YSZ mejoró la durabilidad de la boquilla ZSBN

Introducción

Este estudio de caso describe cómo Stanford Advanced Materials (SAM) abordó la necesidad de un cliente de boquillas ZSBN más duraderas en entornos de alta temperatura y alto desgaste. Mediante ajustes tanto en la formulación cerámica como en los parámetros de conformado, conseguimos una solución que mejoraba la resistencia a la abrasión y la degradación térmica, sin aumentar significativamente el coste.

Antecedentes

Las boquillas ZSBN (Zirconia Strengthened Boron Nitride) se utilizan habitualmente en pulverización térmica, manipulación de metal fundido y otros procesos industriales en los que tanto el calor como el desgaste son retos constantes. Uno de nuestros clientes nos informó de que sus boquillas existentes, basadas en BN reforzado con ZrO2 estándar, se estaban quedando cortas en términos de vida útil. Los fallos se producían a temperaturas de funcionamiento superiores a 1.000 °C y en sistemas con medios abrasivos en rápido movimiento. Las frecuentes sustituciones de boquillas provocaban tiempos de inactividad y mayores costes de mantenimiento.

El cliente utilizaba originalmente una formulación con circonio no estabilizado. Nuestra tarea consistía en mejorar la durabilidad en condiciones reales, especialmente bajo cargas térmicas y mecánicas cíclicas.

Desafío principal

El principal problema era el desgaste prematuro y el agrietamiento térmico del material de la boquilla. Aunque el BN proporciona lubricidad y resistencia térmica, el sistema de aditivos original carecía de suficiente estabilidad de fase y tenacidad mecánica a temperaturas elevadas. Se necesitaba una fase de refuerzo más robusta térmicamente, sin introducir fragilidad ni comprometer la maquinabilidad.

Soluciones evaluadas

Opción 1: Mantener el aditivo de circonio original, ajustar el proceso de prensado

• Ventajas: Cambios mínimos en el abastecimiento de materias primas o en el perfil de cocción.

• Contras: Aumento limitado de la resistencia térmica o al desgaste

Opción 2: Sustituir por circonio estabilizado con itria (YSZ)

• Ventajas: Mayor estabilidad a altas temperaturas, mejor resistencia al desgaste, mayor integridad de los límites de grano

• Contras: coste del material ligeramente superior; requiere protocolos revisados de mezcla y sinterización

Opción 3: Aplicar revestimientos protectores a la superficie de la boquilla

• Ventajas: Protección contra la abrasión a nivel superficial

• Contras: fabricación compleja, el revestimiento puede deslaminarse a alta temperatura, mayor coste

Enfoque seleccionado: Opción 2 - Sustituir la zirconia estándar por 3 mol% de YSZ, combinado con una optimización menor del proceso de conformado.

Solución e implementación

Introdujimos un 3 mol% de YSZ como fase de refuerzo dentro de la matriz de BN. La YSZ proporciona una excelente estabilidad de fase por encima de 1000 °C y ayuda a ralentizar la propagación de grietas bajo carga. Además del cambio de material, modificamos la etapa de prensado isostático en frío (CIP):

• Tiempo de prensado: Aumento del tiempo de mantenimiento de 30 s a 60 s

• Materia prima en polvo: Cambio a una mezcla de polvo compuesto YSZ-BN de mayor densidad.

• Sinterización: Se mantuvo el programa original para evitar costes energéticos adicionales.

Estos cambios ayudaron a conseguir una mejor densidad en verde y, en última instancia, una microestructura sinterizada más uniforme.

"Nos centramos en mejoras sutiles pero eficaces: mejor empaquetamiento de las partículas, una fase de refuerzo más estable y un control más estricto del conformado. Los resultados fueron inmediatos", afirma Lisa Ross, Ingeniera Superior de Cerámica de SAM.

Resultados y comentarios

Métricas de rendimiento

El cliente informó de un aumento del 20-25% en la vida útil de la boquilla en condiciones de proceso idénticas. Se prolongaron los intervalos de mantenimiento y se redujeron los tiempos de inactividad imprevistos. El cliente aprobó el uso de la nueva formulación en dos líneas de producción adicionales.

"Las boquillas mejoradas nos ayudaron a estabilizar nuestro sistema de pulverización y a reducir las paradas no programadas. Es una mejora significativa". - Jefe de producción del cliente

Recomendaciones y trabajo futuro

• Adoptar una formulación basada en YSZ para las boquillas de producción

• Continuar supervisando el rendimiento a largo plazo bajo ciclos de carga variados

• Evaluar el efecto de la optimización de la temperatura de sinterización en futuros lotes.

SAM seguirá colaborando estrechamente con el cliente para ajustar las propiedades del material según sea necesario y proporcionar apoyo técnico para la ampliación de las boquillas mejoradas.

Conclusión

Este proyecto demuestra que la sustitución de materiales, unida a ajustes prácticos del conformado, puede aumentar la durabilidad en el mundo real. Al sustituir la zirconia convencional por YSZ y aumentar el tiempo de mantenimiento de la presión, Stanford Advanced Materials (SAM) mejoró el rendimiento térmico y mecánico del sistema de boquillas ZSBN.

El resultado: una vida útil más larga, mayor resistencia a las duras condiciones del proceso y un menor coste total de propiedad para el cliente.

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