In diesem Artikel sprechen wir über Keramiklager aus Zirkonoxid, insbesondere über die Zähigkeitssteigerung. Um das Potenzial der Keramiklager zu verstehen, beginnen wir mit dem Material, dem Zirkoniumoxid, und kommen bis zum Prozess der Zähigkeitssteigerung.
Der Zirkonoxid
Der Zirkonium (Zr) ist ein Metall mit der Ordnungszahl 40. Es wurde erstmals 1789 entdeckt. Das Material hat eine Dichte von 6,49 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 1852 °C und einen Siedepunkt von 3580 °C. Es hat eine hexagonale Kristallstruktur und ist grau gefärbt. Zr kommt in der Natur nicht in reinem Zustand vor. Es findet sich in Kombination mit Silikatoxid unter dem Mineralnamen Zirkon (ZrO₂ x SiO₂) oder als freies Oxid (Zirkoniumoxid, ZrO₂) unter dem Mineralnamen Baddeleyit.
Eine seiner ersten Anwendungen war im zahnmedizinischen und biomedizinischen Bereich, und heute findet es auch weitreichende industrielle Anwendungen. Diese Minerale können nicht als Primärmaterialien in der Zahnheilkunde verwendet werden, da Verunreinigungen durch verschiedene metallische Elemente die Farbe beeinflussen und natürliche Radionuklide wie Uran und Thorium sie radioaktiv machen. Komplexe und zeitaufwendige Prozesse, die eine effektive Trennung dieser Elemente ermöglichen, sind notwendig, um reines Zirkoniumoxidpulver zu produzieren. Nach der Reinigung kann das hergestellte Material als keramisches Biomaterial eingesetzt werden.
Das Zirkoniumoxid oder Zirkonoxid, ZrO₂, ist ein polymorphes Material und tritt in drei Formen auf: monoklin, tetragonal und kubisch. Die monoklinische Phase ist bei Raumtemperatur und bis 1150 °C stabil, die tetragonale Phase bei 1150–2200 °C und die kubische Phase bei Temperaturen über 2200 °C, während die flüssige Phase über 2680 °C entsteht.
Der Übergang von einer Phase zur anderen ist mit erheblichen Volumenänderungen verbunden: Beim Erhitzen der Zirkonoxid über 1150 °C erfolgt die Umwandlung der Struktur von monoklin zu tetragonal mit einer Volumenreduktion von 5%. Umgekehrt wird beim Abkühlprozess eine Volumenzunahme von 3% – 4% beobachtet (Abbildung 1).
Abbildung 1. Mögliche Kristallstrukturen der Zirconia bei verschiedenen Temperaturen.
Stabilisierung der Zirconia
Während eines Abkühlprozesses unterliegt das Zirkoniumoxid einer Phasenumwandlung, wie in Abbildung 1 beschrieben, von kubisch zu tetragonal zu monoklin. Die damit verbundene Volumenzunahme würde zu einem Bruch der Zirconia oder mindestens zu übermäßiger Sprödigkeit führen, was die Verwendung von reinem Zirkoniumoxid in vielen Anwendungen, insbesondere in Lagern, unmöglich macht. Um dieses Problem zu lösen, werden Materialien hinzugefügt, um die kubische Phase der Zirconia bei Raumtemperatur zu stabilisieren. Diese Materialien heißen Stabilisatoren, und das daraus resultierende Produkt wird stabilisierte Zirconia genannt. Bei hinreichender Menge Stabilisator kann die kubische Phase vollständig stabilisiert werden (vollständig stabilisierte Zirconia). Bei geringeren Mengen Stabilisator entsteht eine teilweise stabilisierte Zirconia, bei der ein kontrollierter Prozentsatz tetragonaler Phase vorhanden ist. Mit anderen Worten ist teilweise stabilisierte Zirconia eine feine Dispersion metastabiler tetragonaler Zirkonia-Partikel (in der Lage, bei Störungen in monoklin umzuwandeln) in einer kubischen Zirkonia-Matrix.
Zum Beispiel führt bei der Stabilisierung der kubischen und tetragonalen Phase mit Yttria eine relative Menge über 7 mol% zu einer vollständigen Stabilisierung der kubischen Zirconia, während relative Mengen zwischen 2% und 6 mol% Yttria eine teilweise stabilisierte Zirconia ergeben, bei der 5–10% fein dispergierte tetragonale Zirconia in der kubischen Matrix verbleiben.
Andere häufig verwendete Stabilisatoren für Zirconia umfassen Ceria CeO₂, Calcia CaO und Magnesia MgO usw. Der gängigste und effektivste Stabilisator ist Yttria Y₂O₃. Die stabilisierte Zirconia wird daher Yttria-stabilisierte Zirconia, Ceria-stabilisierte Zirconia, Calcia-stabilisierte Zirconia oder Magnesia-stabilisierte Zirconia genannt.
Zähigkeitssteigerung der Zirconia.
Mechanismus der Stabilisierung und Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften
In einer strukturellen Anwendung löst die Spannungskonzentration an der Spitze einer Mikroriss, wenn dieser eine tetragonale Partikel trifft, die Umwandlung tetragonal → monoklin mit Volumenzunahme aus, die die betroffene Zone unter Druck setzt, die Rissausbreitung verlangsamt oder blockiert, wie in Abbildung 2 beschrieben.
Dieser Prozess ist als Zähigkeitssteigerungsmechanismus bekannt, da die Zähigkeit die Fähigkeit eines Materials ist, mechanische Energie vor dem Bruch aufzunehmen.
Abbildung 2. Kristalltransformation, die Druck auf den Riss ausübt und dessen Fortschritt bremst.
Zähigkeitssteigerungsmechanismen
Trotz der Tatsache, dass das Zähigkeitsphänomen experimentell nachgewiesen wurde und der Grund dafür ist, dass stabilisierte Zirconia eines der zuverlässigsten strukturellen Keramikmaterialien auch im Lagerbereich ist, sind die Mechanismen, die zu dieser Zähigkeitssteigerung führen, nicht vollständig geklärt. Im Einzelnen gibt es mindestens zwei Theorien, die die Erhöhung der Zähigkeit erklären:
- Die martensitische Umwandlung der metastabilen tetragonalen Phase in die monokline Phase ist für die Absorption der elastischen Energie verantwortlich, die entlang des Bruchweges auftritt.
- Die Keimbildung und das Wachstum von Mikrorissen in der keramischen Matrix erhöhen die Energie, die für die Ausbreitung des Bruchs erforderlich ist. Diese Mikrorisse entstehen wahrscheinlich bereits, bevor das Bauteil belastet wird.
La comunità scientifica è orientata a pensare che entrambi i contributi avvengano simultaneamente.
Ein weiterer sehr interessanter Aspekt der transformationsbasierten Zähigkeitssteigerung hängt mit der Entstehung von oberflächlichen Druckeigenspannungen während des Abkühlens zusammen, die dem keramischen Bauteil eine höhere mechanische Festigkeit verleihen – ganz ähnlich wie bei vorgespanntem Glas.
Die Oberflächenschicht kann durch Finish-Bearbeitungen (Schleifen, Sandstrahlen) weiter auf Druck belastet werden, wobei eventuelle Oberflächenfehler deaktiviert werden und der unmittelbar von der Abrasion betroffene Bereich in Druckspannung versetzt wird und somit der Ausbreitung möglicher Risse widersteht.
Wie in Abbildung 3a gezeigt, wandelt sich die fein an den Rändern der kubischen Phase verteilte tetragonale Phase beim Abkühlen in die monokline Phase um (kleine, dunkel erscheinende Körner). Wenn wir gezielte mechanische Bearbeitungen durchführen, können wir die zähigkeitssteigerte Zone vergrößern, da wir die tetragonal → monoklin-Transformation in größere Tiefe hinein fördern.
| a | b | C |
| Tetragonale Phase (kleine Körner) an den Rändern der kubischen Phase (größere Körner). | In monokline Körner umgewandelte tetragonale Körner (abgedunkelte Körner) DURCH ABKÜHLUNG, mit Zähigkeitssteigerung der Oberfläche. | Tiefer gehender zähigkeitsgesteigerter Bereich dank mechanischer Bearbeitung. |
Abbildung 3. Oberflächenzähigkeitssteigerung: (a) freie Oberfläche bei hoher Temperatur, (b) Oberfläche, die durch die tetragonal → monoklin-Transformation beim Abkühlen betroffen ist, (c) Oberfläche mit vergrößerter zähigkeitsgesteigerter Zone infolge mechanischer Bearbeitung.
Abbildung 4 zeigt das Zirkoniumpulver mit bloßem Auge (a) und dasselbe Pulver im Rasterelektronenmikroskop (REM), wodurch die submikrometrischen Partikelgrößen sichtbar werden, aus denen sich zunächst die Agglomerate und anschließend die Körner während der Sinterung (Brennen) bilden.
Abbildung 4. Zirkoniumpulver (a) und SEM‑Vergrößerung (b).
Wie du siehst, wird die Wahl des besten Keramiklagers in Bezug auf die mechanische Festigkeit auch von der Auswahl der keramischen Komponente beeinflusst. Tauche mit unserem Team in die Welt der Lager ein, um die Lösung zu finden, die am besten zu deinen Anwendungen passt.
