Nitruro de silicio, sialón y carburo de silicio: ¿qué cerámica avanzada deberías elegir?

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Entra en cualquier fundición, planta química o instalación de hornos de alta temperatura que se precie y encontrarás cerámicas avanzadas realizando el trabajo duro que los metales no pueden hacer. Pero, ¿cuál de ellas? El nitruro de silicio, el sialón y el carburo de silicio sinterizado suelen mencionarse en el mismo contexto: los tres soportan calor extremo, los tres resisten la corrosión y los tres duran más que los metales en aplicaciones exigentes. Sin embargo, las diferencias entre ellos son lo suficientemente marcadas como para que una elección equivocada resulte muy costosa.

Esta guía aclara las ambigüedades. Explica de dónde procede cada material, para qué sirve realmente y, lo más importante, en qué aplicaciones destaca y en cuáles no.

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Resumen: Los tres materiales

| Propiedad | Nitruro de silicio (Si₃N₄) | Sialón (SiAlON) | SiC sinterizado (SSiC) | | — | — | — | — | | Dureza (Mohs) | ~9 | ~9 | 9–9,5 | | Temperatura máxima práctica (aire) | ~1 200–1 400 °C | Hasta ~1 400 °C | 1 600–1 700 °C | | Resistencia al choque térmico | Excelente | Excelente | Bueno | | Resistencia a los metales fundidos | Bueno | Excepcional | Bueno | | Resistencia a la corrosión química | Bueno | Bueno | Excelente | | Densidad (g/cm³) | ~3,2 | ~3,2–3,4 | ~3,1–3,2 | | Coste relativo | Medio | Medio-alto | Medio-alto |

Ningún material destaca en todos los aspectos. Esa es precisamente la cuestión, y la razón por la que se ha realizado esta comparación.

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Nitruro de silicio: la cerámica de precisión

Un recorrido de 170 años hacia la industria

El nitruro de silicio es el que cuenta con una trayectoria más larga de los tres, aunque en su mayor parte no resultaba especialmente útil. Fue sintetizado por primera vez en 1857 por los químicos franceses Sainte-Claire Deville y Wöhler, una curiosidad de laboratorio que permaneció prácticamente ignorada durante un siglo. No fue hasta las décadas de 1960 y 1970, cuando los ingenieros comenzaron a buscar en serio materiales que pudieran resistir las condiciones de los motores de turbina de los aviones, que el Si₃N₄ recibió la atención industrial que merecía.

El sueño del motor cerámico —sustituir el metal por nitruro de silicio en los rotores de los turbocompresores, las bujías incandescentes y las cámaras de combustión— solo se hizo realidad en parte. Pero la investigación que generó no fue en vano. En las décadas de los 80 y los 90, el nitruro de silicio había encontrado su verdadera vocación en los cojinetes, las herramientas de corte y la manipulación de metal fundido, ámbitos en los que su combinación única de propiedades resultó realmente difícil de igualar.

Lo que el nitruro de silicio hace bien

La característica más destacada del nitruro de silicio es su combinación de alta resistencia mecánica y excelente resistencia al choque térmico. Puede calentarse y enfriarse rápidamente sin agrietarse, una propiedad que se debe a su bajo coeficiente de expansión térmica y a la estructura de enlaces covalentes de su red cristalina de Si–N.

Otra de sus características más destacadas es la resistencia al desgaste a alta velocidad. Los aproximadamente 300 000 rotores de turbocompresor de nitruro de silicio que se fabrican al año se deben a que este material mantiene su dureza y estabilidad dimensional a temperaturas y velocidades de rotación que destruirían los cojinetes convencionales. El mercado anual de herramientas de corte para Si₃N₄, valorado en 50 millones de dólares, existe por la misma razón: permite mecanizar hierro fundido y superaleaciones a base de níquel a velocidades superficiales hasta 25 veces superiores a las del carburo de tungsteno.

El nitruro de silicio también es apto para el tratamiento de metales no ferrosos fundidos —aluminio, zinc, estaño y plomo— sin contaminar la masa fundida. Esto lo convierte en una opción viable para fundas de termopares, boquillas y crisoles en el procesamiento de metales.

Las limitaciones del nitruro de silicio

El nitruro de silicio se descompone por encima de unos 1.850 °C, pero se trata de un límite teórico, no de una temperatura de funcionamiento. En la práctica, las temperaturas de funcionamiento reales alcanzan un máximo de entre 1.200 y 1.400 °C, aproximadamente, dependiendo del tipo de material y de la atmósfera. No se puede utilizar por encima de este rango sin que se produzca una degradación del material.

Además, pierde terreno frente al sialón, especialmente cuando entra en contacto con aluminio fundido. El nitruro de silicio se ve afectado por el aluminio fundido con mayor facilidad que el sialón, una diferencia mínima pero comercialmente significativa en el sector de la fundición.

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Sialón: la cerámica de fundición

Creado a partir de nitruro de silicio

El sialón —que se pronuncia «sai-alón»— no es un compuesto, sino una familia de aleaciones cerámicas derivadas del nitruro de silicio. El nombre es un acrónimo: oxinitruro de silicio y aluminio. Cuando se sustituyen átomos de aluminio y oxígeno en la red cristalina del nitruro de silicio, estabilizan lo que, de otro modo, sería una fase menos maleable del material y le aportan un conjunto completamente nuevo de propiedades térmicas y químicas.

Este material se describió por primera vez en 1971, tras haber sido desarrollado mediante investigaciones paralelas llevadas a cabo en la Universidad de Newcastle y en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. El artículo de K. H. Jack publicado en 1976 en la revista *Journal of Materials Science*, titulado«Sialones y cerámicas nitrogenadas relacionadas», proporcionó el marco teórico que aceleró su comercialización a lo largo de la década siguiente.

Sialon Ceramics ApS se fundó en 1986 —la misma década en la que el sialón pasó de ser un material de laboratorio a convertirse en un producto comercial— y, desde entonces, se dedica a la fabricación de componentes de sialón y carburo de silicio para aplicaciones industriales y de fundición a temperaturas extremas.

Lo que el sialón hace bien

La principal característica del sialón es su excepcional resistencia a la humectación y a la corrosión provocadas por metales no ferrosos fundidos, especialmente el aluminio. Mientras que el nitruro de silicio solo ofrece una resistencia limitada, el sialón es verdaderamente inmune en la mayoría de las condiciones de procesamiento del aluminio. Los tubos de protección de termopares, los tubos de calentadores de inmersión, los tubos ascendentes para la fundición a presión a baja presión y los rotores de desgasificación para aluminio se benefician de esta propiedad de una forma que otras cerámicas apenas pueden igualar.

La segunda característica destacada es la resistencia al choque térmico. La baja expansión térmica del sialón y su capacidad para mantener la resistencia a altas temperaturas permiten sumergirlo en metal fundido, someterlo a ciclos rápidos y retirarlo sin que se agriete, ciclo tras ciclo. Los tubos de protección para termopares Sialon ULTRA™ de Sialon Ceramics están homologados para funcionar a temperaturas de hasta 1.400 °C y se fabrican con tolerancias de ±0,02 mm; los tubos calefactores están homologados para 1.100 °C en contacto directo con metal fundido.

Además de su uso en fundición, el sialón se emplea en herramientas de corte para el mecanizado de hierro fundido en molde frío, en accesorios de soldadura, en equipos de procesamiento químico y en aplicaciones del sector del petróleo y el gas, en las que la estabilidad química a temperaturas elevadas es el requisito fundamental.

Las limitaciones del sialón

El sialón no es el más duro de los tres: el carburo de silicio lo supera en la escala de Mohs. En aplicaciones en las que la resistencia a la abrasión frente a partículas duras es la carga principal (boquillas de chorro, sellos mecánicos en lodos abrasivos), el SSiC suele ser la opción más resistente.

El sialón tampoco puede igualar al SSiC en el extremo superior de la escala de temperaturas. La línea de productos de SSiC de Sialon Ceramics (XICAR™) está homologada para 1.700 °C en aire y hasta 1.900 °C en atmósferas controladas, un rango que el sialón simplemente no puede alcanzar.

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Carburo de silicio sinterizado: la cerámica para condiciones extremas

130 años: de los abrasivos a la cerámica técnica

El carburo de silicio es el que tiene la historia de origen más espectacular de los tres. En 1891, Edward Goodrich Acheson intentaba fabricar diamantes artificiales cuando, accidentalmente, hizo pasar corriente a través de una mezcla de arcilla y coque y produjo algo capaz de cortar cristal. Lo bautizó como «Carborundum» y fundó la empresa que llevaba ese nombre, proporcionando a la industria su primer abrasivo artificial más duro que el corindón.

Durante la mayor parte del siglo XX, el SiC se utilizó principalmente en forma de polvo: muelas abrasivas, papeles de lija y compuestos de corte. El salto hacia las cerámicas de ingeniería sinterizadas densas se produjo en las décadas de 1970 y 1980, cuando las técnicas de sinterización mejoradas permitieron a los ingenieros fabricar componentes sólidos que conservaban intactas todas las propiedades mecánicas del material. El carburo de silicio sinterizado XICAR™ de Sialon Ceramics representa la vanguardia actual en esta línea de productos: componentes con una resistencia térmica de hasta 1.900 °C y fabricados con una longitud de hasta 3.000 mm.

Las ventajas del SiC sinterizado

Las ventajas competitivas del SSiC se centran en dos propiedades que ninguna otra cerámica avanzada reúne al mismo tiempo: la dureza y la conductividad térmica.

Con una dureza de entre 9 y 9,5 en la escala de Mohs y aproximadamente 2.500 HV en la escala de Vickers, el carburo de silicio sinterizado es el más duro de los tres materiales y se encuentra entre las sustancias más duras conocidas, aparte del diamante y el nitruro de boro cúbico. Esto se traduce directamente en una vida útil superior frente al desgaste en aplicaciones abrasivas: boquillas de chorro, impulsores de bombas que manipulan lodos abrasivos, sellos mecánicos en entornos químicamente agresivos y accesorios de horno sometidos a un desgaste térmico y mecánico constante.

Su conductividad térmica, de entre 120 y 200 W/m·K, es excepcional para una cerámica, muy superior a la del nitruro de silicio (~20–30 W/m·K) y al sialón (~10–20 W/m·K). Esto convierte al SSiC en la opción ideal para intercambiadores de calor, componentes de hornos y cualquier aplicación en la que el calor deba atravesar el componente de forma eficiente, en lugar de encontrar resistencia en él.

La temperatura de servicio continuo en atmósferas oxidantes supera los 1.600 °C, y los componentes XICAR™ están homologados para 1.700 °C en aire y 1.900 °C en atmósferas controladas o reductoras. Ningún producto de nitruro de silicio o sialón alcanza estas temperaturas.

Su resistencia química es muy amplia: el SSiC resiste la mayoría de los ácidos, bases y sales fundidas sin sufrir un deterioro significativo. Esto lo convierte en el material preferido para los impulsores de bombas, los asientos de válvulas y los equipos de proceso en plantas químicas donde el fluido es agresivo y no se puede permitir la contaminación procedente del material del recipiente.

Las limitaciones del SiC sinterizado

La resistencia al choque térmico del SSiC es buena, pero no excepcional, siendo inferior tanto al nitruro de silicio como al sialón. Presenta una conductividad térmica mayor que las cerámicas a base de nitruro, lo que de hecho ayuda en cierta medida, pero su menor tenacidad a la fractura hace que los ciclos térmicos rápidos e incontrolados entrañen un mayor riesgo que con el sialón. Las aplicaciones que implican inmersiones repetidas en metal fundido —tubos calefactores, tubos de protección de termopares en hornos de aluminio— suelen preferir el sialón o el nitruro de silicio precisamente por este motivo.

El SSiC es también el más frágil de los tres en lo que respecta a la resistencia al impacto. En aplicaciones sometidas a cargas de choque mecánicas, la resistencia a la fractura ligeramente superior del sialón cobra importancia.

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¿Qué material es el más adecuado para cada caso?

Elige el nitruro de silicio cuando:

• Los rodamientos de precisión, las herramientas de corte o los componentes de motores son las aplicaciones
• Se requieren tolerancias dimensionales estrictas en condiciones de ciclos térmicos
• El mecanizado a alta velocidad de hierro fundido o superaleaciones de níquel es el caso de uso
• El coste supone una limitación importante en comparación con las opciones de gama alta

Elige el sialón cuando:

• En el proceso intervienen aluminio fundido, zinc, latón u otros metales no ferrosos
• Los choques térmicos son frecuentes y severos (ciclos rápidos de entrada y salida del metal fundido)
• Aplicaciones de protección de termopares, calentadores de inmersión o tubos ascendentes
• Entornos de procesamiento químico en los que la resistencia a la corrosión y las temperaturas moderadas constituyen las principales exigencias

Elige el carburo de silicio sinterizado cuando:

• El requisito principal es una dureza máxima y una gran resistencia al desgaste frente a medios abrasivos.
• Las temperaturas de funcionamiento superan los 1.400 °C en contacto con el aire
• La transferencia de calor a través del componente es importante (intercambiadores de calor, componentes de hornos)
• Es necesaria la resistencia química a los ácidos, las bases o las sales fundidas a alta temperatura
• Se necesitan componentes de gran formato (sellos mecánicos, boquillas de chorro, estantes de horno)

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Ámbitos de aplicación según el material

Estos tres materiales rara vez compiten directamente entre sí en una misma aplicación. En la práctica:

• El nitruro de silicio es el material predominante en los sistemas de propulsión de los vehículos (rotores de turbocompresores, bujías incandescentes), en los rodamientos de máquinas-herramienta y en las herramientas de corte para metales duros.
• El sialón es el material predominante en los equipos de fundición de metales no ferrosos: tubos de protección para termopares, tubos para calentadores de inmersión, rotores de desgasificación, tubos de subida para la fundición a presión de aluminio, así como cucharas y crisoles en los que la resistencia al metal fundido es fundamental.
• El carburo de silicio sinterizado es el material predominante en sellos mecánicos, impulsores de bombas, boquillas de chorro, accesorios para hornos, revestimientos de hornos, intercambiadores de calor, accesorios para el procesamiento de semiconductores y paneles de protección balística.

La zona de solapamiento —calor extremo sin ninguna otra limitación dominante— es aquella en la que la elección del material se convierte en una auténtica decisión de ingeniería, en lugar de una elección obvia.

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Prueba las cerámicas de sialón

Sialon Ceramics fabrica componentes de sialón y de carburo de silicio sinterizado desde 1986. Tanto si la aplicación requiere un tubo de protección para termopares Sialon ULTRA™ con una resistencia térmica de hasta 1.400 °C, un tubo calefactor de inmersión con garantía de 12 meses en aluminio fundido o un componente de carburo de silicio sinterizado XICAR™ con una resistencia térmica de hasta 1.900 °C en atmósfera controlada, la empresa fabrica geometrías a medida con tolerancias de ±0,02 mm y longitudes de hasta 3.000 mm.

Explora toda la gama de productos en sialon.com o ponte en contacto directamente con nuestro equipo para comentar tu aplicación específica.

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Fuentes

• Wikipedia: Sialón
• Wikipedia: Nitruro de silicio
• AZoM: Propiedades y aplicaciones del nitruro de silicio (Si₃N₄)
• AZoM: Propiedades y aplicaciones del carburo de silicio (SiC)
• Jack, K.H. (1976). «Sialones y cerámicas nitrogenadas relacionadas». Journal of Materials Science, 11(6): 1135-1158
• Cao, G.Z.; Metselaar, R. (1991). «Cerámicas de α’-sialón: una revisión». Chemistry of Materials, 3(2): 242
• Wikipedia: Edward Goodrich Acheson
• Cerámicas de sialón: Tubos calefactores Sialon ULTRA™
• Cerámicas de sialón: carburo de silicio sinterizado XICAR™