Keramiklager: die drei wichtigsten Fakten über Zirkonia

In diesem Artikel sprechen wir über Keramiklager – beziehungsweise Keramiklager aus Zirconia – mit einem besonderen Fokus auf dem Werkstoff dieser Lager.

Seit der Entdeckung und Entwicklung der stabilisierten Zirconia in den 1960er‑Jahren galt die Zähigkeitssteigerung durch Phasenumwandlung (wie im vorherigen Artikel beschrieben) als eine Eigenschaft der teilweise stabilisierten Zirconia (PSZ) mit Dotierstoffen wie Yttria, Ceria oder Magnesia. Zusammenfassend sind bei PSZ die Partikel bzw. Körner der tetragonalen Phase homogen in der kubischen Phase verteilt. Die tetragonale, metastabile – also instabile – Phase wandelt sich unter übermäßiger mechanischer Beanspruchung in die monokline Phase um und erzeugt so den Zähigkeitssteigerungseffekt im Werkstoff.

Später erkannte man, dass sich dieses Phänomen auch in anderen Werkstoffen nachbilden lässt, deren Matrix aus anderen Materialien besteht, zum Beispiel aus Alumina (Aluminiumoxid), in die Zirkoniapartikel als zähigkeitssteigernde Phase eingelagert werden. Mit anderen Worten: Es existiert eine ganze Familie von Keramikwerkstoffen, die mithilfe von Zirkoniapartikeln tenacisiert werden können, wobei die Phasenumwandlung (tetragonal → monoklin) unter thermo‑mechanischer Beanspruchung ausgenutzt wird.

In der internationalen technisch‑wissenschaftlichen Gemeinschaft sind diese mit Zirconia zähigkeitsgesteigerten Keramikwerkstoffe unter dem Akronym ZTC (Zirconia Toughened Ceramics) bekannt, also mit Zirconia tenacisierte Keramiken, und werden auch als „Keramikstähle“ bezeichnet.

Die kritische Herausforderung bei der Herstellung besteht jedoch darin, die Zirkoniapartikel unterhalb einer bestimmten, kritischen Größe zu halten, unterhalb derer sich die Zirconia in der metastabilen tetragonalen Phase bewahren lässt. Diese kann sich dann, wie zuvor und im vorhergehenden Artikel beschrieben, unter mechanischer Belastung in die monokline Phase umwandeln und so den zähigkeitssteigernden Effekt auslösen.

Terminologie der Zirkonia

Eine spezifische Terminologie wurde entwickelt, um stabilisierte Zirkonia und zirkoniatenacisierte Keramiken zu beschreiben.

Ein Material mit tetragonalen Partikeln in einer kubischen Matrix wird als teilweise tenacisierte Zirkonia oder einfach PSZ bezeichnet, zu dem ein Präfix für das Element des Stabilisators hinzugefügt wird (z. B. Ca-PSZ, stabilisiert mit CaO, oder Y-PSZ, stabilisiert mit Y₂O₃, oder Mg-PSZ, stabilisiert mit MgO).

Wenn genügend Stabilisator hinzugefügt wird, enthält das Material nur kubische Phase und wird als vollständig stabilisierte Zirkonia oder fully stabilized zirconia (FSZ) bezeichnet. Materialien mit ausschließlich tetragonaler Phase werden als tetragonale Zirkonia-Polycristalle (TZP) bezeichnet.

Tabelle 1 enthält die Abkürzungen der verschiedenen Versionen von zirkoniastenacisierten Keramiken.

Wie in Tabelle 2 dargestellt, hat jede Zusammensetzung ihre eigenen Eigenschaften und kann die geeignetste Lösung für eine spezifische Anwendung darstellen.

Zusammenfassend lassen sich drei Familien von zirkoniastenacisierten Keramikmaterialien unterscheiden, die durch die tetragonal-monokline Phasentransformation tenacisiert werden.

1. Keramiken mit dispergierten Partikeln tenacisiert o partikelverstärkte Keramiken.

Materialien, bei denen zu einer Matrix (z. B. Tonerde, ZTA) ein Prozentsatz (ca. 15%) Zirkonia hinzugefügt wird. In diesem Fall erfolgt die Stabilisierung der tetragonalen Phase nicht durch Dotierstoffe wie Yttria oder Calcia, sondern durch eine Wärmebehandlung und eine Kontrolle der Partikelgröße der Zirkonia-Partikel. Die Wärmebehandlung sorgt dafür, dass die tetragonale Phase bei Raumtemperatur erhalten bleibt, indem die Partikel dimensional daran gehindert werden, in monokline Phase überzugehen. Die tetragonal-monokline Transformation soll natürlich eintreten, wenn das Material während der Nutzung mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Dieses Verhalten erinnert an Wärmebehandlungen und Martensit-Transformationen in Stählen.

2.Teilweise stabilisierte Zirkonia

Zirkonia, die mit Dotierstoffen wie Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid oder Ceroxid dotiert oder stabilisiert ist. Der Dotierstoff fördert die Stabilisierung der tetragonalen Phase, die für die Tenazisierung des Materials verantwortlich ist. Im Allgemeinen handelt es sich um eine kubische Matrixphase mit einem Prozentsatz instabiler tetragonaler Phase.

3. Vollständig tetragonales Zirkonia-Polycristall

In den 1970er Jahren wurde berichtet, dass Körner kleiner als 0,5 Mikrometer mit sehr niedrigen Konzentrationen von Yttria-Stabilisator Materialien erzeugen konnten, in denen der stabilisierte tetragonale Phase mehr als 98% ausmachte. Damit die Vorteile der Tenazisierung wirksam werden, ist es entscheidend, dass die Korngröße 0,3 mm nicht überschreitet.

Kürzlich bahnt sich eine weitere Familie von zirkoniabasierten tenacisierten Keramikmaterialien ihren Weg: die sogenannten Nanomaterialien, bei denen es wichtig ist, die Korngröße unter 110 nm zu halten, um mechanische Eigenschaften wie die Bruchzähigkeit zu erreichen, die die Leistung derzeitiger Materialien übertreffen.

Zugfestigkeit der Zirkonia in Abhängigkeit vom Yttria-Gehalt

Ein grundlegender Aspekt beim Einsatz keramischer Materialien ist ihre begrenzte Zugfestigkeit. Wenn ein Lager auf eine rotierende Welle gepresst wird, unterliegt es der thermischen Ausdehnung derselben, was zu Zugspannungen führt, die bei Überschreiten der Materialgrenze zum Bruch führen.

Die Zugfestigkeit der Zirkonia in Abhängigkeit von der Yttria-Menge verläuft ähnlich wie im Graphen der Abbildung 1, mit einem Maximum bei ca. 3 mol% (Molverhältnis) und Zugfestigkeitswerten zwischen 600 und 800 MPa.

Figura 1. Zugfestigkeit der stabilisierten Zirkonia in Abhängigkeit vom Yttria-Gehalt.

Zirkoniumoxidlager
Im Folgenden sind die Grundeigenschaften von Zirkoniumoxidlagern aufgeführt:

• Elektrische Isolation
• Niedrige Wärmeleitfähigkeit
• Hohe Korrosionsbeständigkeit und Säurebeständigkeit, außer gegen HF-Säure
• Mittlerer Reibungskoeffizient (HV > 1400)

Hochtemperaturbeständigkeit:

• Ohne Käfig: „full complement“: 500 °C
• Mit PEEK-Käfig: 300 °C
• Mit PTFE-Käfig: 250 °C

Abbildung 2 zeigt ein typisches Sintrationsprogramm für ein Zirkonia-Werkstück. Nach einer anfänglich langsameren Erhitzungsrampen zur Verbrennung eventueller organischer Bestandteile wird die optimale Sintrierungstemperatur erreicht, gefolgt von einem kontrollierten Abkühlprozess bis zur Raumtemperatur.

Abbildung 3 zeigt einen Teil eines Zirkonia-Komponents nach der Sintrierung. Die mikroskopische Struktur der Keramik ist sichtbar, mit Körnern und ihren Trennbereichen (Korngrenzen).

Abbildung 3. Mikrografie eines gesinterten Zirkonia-Komponents. Die Wahl der besten Komponenten erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Materialien!