{"id":2607,"date":"2021-02-10T15:58:30","date_gmt":"2021-02-10T15:58:30","guid":{"rendered":"https:\/\/lyrabearing.com\/insights\/i-segreti-dei-cuscinetti-ceramici-in-zirconia-la-tenacizzazione\/"},"modified":"2026-04-30T15:35:10","modified_gmt":"2026-04-30T13:35:10","slug":"die-geheimnisse-der-keramiklager-aus-zirkonoxid-die-zaehigkeitssteigerung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lyrabearing.com\/de\/insights\/die-geheimnisse-der-keramiklager-aus-zirkonoxid-die-zaehigkeitssteigerung\/","title":{"rendered":"Die Geheimnisse der Keramiklager aus Zirkonoxid: die Z\u00e4higkeitssteigerung"},"content":{"rendered":"

In diesem Artikel sprechen wir \u00fcber Keramiklager aus Zirkonoxid, insbesondere \u00fcber die Z\u00e4higkeitssteigerung. Um das Potenzial der Keramiklager zu verstehen, beginnen wir mit dem Material, dem Zirkoniumoxid, und kommen bis zum Prozess der Z\u00e4higkeitssteigerung.<\/p>\n

Der Zirkonoxid<\/h2>\n

Der Zirkonium (Zr) ist ein Metall mit der Ordnungszahl 40. Es wurde erstmals 1789 entdeckt. Das Material hat eine Dichte von 6,49 g\/cm\u00b3, einen Schmelzpunkt von 1852 \u00b0C und einen Siedepunkt von 3580 \u00b0C. Es hat eine hexagonale Kristallstruktur und ist grau gef\u00e4rbt. Zr kommt in der Natur nicht in reinem Zustand vor. Es findet sich in Kombination mit Silikatoxid unter dem Mineralnamen Zirkon (ZrO\u2082 x SiO\u2082) oder als freies Oxid (Zirkoniumoxid, ZrO\u2082) unter dem Mineralnamen Baddeleyit.<\/p>\n

Eine seiner ersten Anwendungen war im zahnmedizinischen und biomedizinischen Bereich, und heute findet es auch weitreichende industrielle Anwendungen. Diese Minerale k\u00f6nnen nicht als Prim\u00e4rmaterialien in der Zahnheilkunde verwendet werden, da Verunreinigungen durch verschiedene metallische Elemente die Farbe beeinflussen und nat\u00fcrliche Radionuklide wie Uran und Thorium sie radioaktiv machen. Komplexe und zeitaufwendige Prozesse, die eine effektive Trennung dieser Elemente erm\u00f6glichen, sind notwendig, um reines Zirkoniumoxidpulver zu produzieren. Nach der Reinigung kann das hergestellte Material als keramisches Biomaterial eingesetzt werden.<\/p>\n

Das Zirkoniumoxid oder Zirkonoxid, ZrO\u2082, ist ein polymorphes Material und tritt in drei Formen auf: monoklin, tetragonal und kubisch. Die monoklinische Phase ist bei Raumtemperatur und bis 1150 \u00b0C stabil, die tetragonale Phase bei 1150\u20132200 \u00b0C und die kubische Phase bei Temperaturen \u00fcber 2200 \u00b0C, w\u00e4hrend die fl\u00fcssige Phase \u00fcber 2680 \u00b0C entsteht.<\/p>\n

Der \u00dcbergang von einer Phase zur anderen ist mit erheblichen Volumen\u00e4nderungen verbunden: Beim Erhitzen der Zirkonoxid \u00fcber 1150 \u00b0C erfolgt die Umwandlung der Struktur von monoklin zu tetragonal mit einer Volumenreduktion von 5%. Umgekehrt wird beim Abk\u00fchlprozess eine Volumenzunahme von 3% \u2013 4% beobachtet (Abbildung 1).<\/p>\n

\"Kristallstruktur<\/p>\n

Abbildung 1. M\u00f6gliche Kristallstrukturen der Zirconia bei verschiedenen Temperaturen.<\/p>\n

Stabilisierung der Zirconia<\/h3>\n

W\u00e4hrend eines Abk\u00fchlprozesses unterliegt das Zirkoniumoxid einer Phasenumwandlung, wie in Abbildung 1 beschrieben, von kubisch zu tetragonal zu monoklin. Die damit verbundene Volumenzunahme w\u00fcrde zu einem Bruch der Zirconia oder mindestens zu \u00fcberm\u00e4\u00dfiger Spr\u00f6digkeit f\u00fchren, was die Verwendung von reinem Zirkoniumoxid in vielen Anwendungen, insbesondere in Lagern, unm\u00f6glich macht. Um dieses Problem zu l\u00f6sen, werden Materialien hinzugef\u00fcgt, um die kubische Phase der Zirconia bei Raumtemperatur zu stabilisieren. Diese Materialien hei\u00dfen Stabilisatoren, und das daraus resultierende Produkt wird stabilisierte Zirconia genannt. Bei hinreichender Menge Stabilisator kann die kubische Phase vollst\u00e4ndig stabilisiert werden (vollst\u00e4ndig 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 St\u00f6rungen in monoklin umzuwandeln) in einer kubischen Zirkonia-Matrix.<\/p>\n

Zum Beispiel f\u00fchrt bei der Stabilisierung der kubischen und tetragonalen Phase mit Yttria eine relative Menge \u00fcber 7 mol% zu einer vollst\u00e4ndigen Stabilisierung der kubischen Zirconia, w\u00e4hrend relative Mengen zwischen 2% und 6 mol% Yttria eine teilweise stabilisierte Zirconia ergeben, bei der 5\u201310% fein dispergierte tetragonale Zirconia in der kubischen Matrix verbleiben.<\/p>\n

Andere h\u00e4ufig verwendete Stabilisatoren f\u00fcr Zirconia umfassen Ceria CeO\u2082, Calcia CaO und Magnesia MgO usw. Der g\u00e4ngigste und effektivste Stabilisator ist Yttria Y\u2082O\u2083. Die stabilisierte Zirconia wird daher Yttria-stabilisierte Zirconia, Ceria-stabilisierte Zirconia, Calcia-stabilisierte Zirconia oder Magnesia-stabilisierte Zirconia genannt.<\/p>\n

Z\u00e4higkeitssteigerung der Zirconia.<\/h3>\n
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Mechanismus der Stabilisierung und Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften<\/strong><\/p>\n

In einer strukturellen Anwendung l\u00f6st die Spannungskonzentration an der Spitze einer Mikroriss, wenn dieser eine tetragonale Partikel trifft, die Umwandlung tetragonal \u2192 monoklin mit Volumenzunahme aus, die die betroffene Zone unter Druck setzt, die Rissausbreitung verlangsamt oder blockiert, wie in Abbildung 2 beschrieben.<\/p>\n

Dieser Prozess ist als Z\u00e4higkeitssteigerungsmechanismus bekannt, da die Z\u00e4higkeit die F\u00e4higkeit eines Materials ist, mechanische Energie vor dem Bruch aufzunehmen.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

\"Kristalltransformation\"<\/p>\n

Abbildung 2. Kristalltransformation, die Druck auf den Riss aus\u00fcbt und dessen Fortschritt bremst.<\/p>\n

Z\u00e4higkeitssteigerungsmechanismen<\/strong><\/p>\n

Trotz der Tatsache, dass das Z\u00e4higkeitsph\u00e4nomen experimentell nachgewiesen wurde und der Grund daf\u00fcr ist, dass stabilisierte Zirconia eines der zuverl\u00e4ssigsten strukturellen Keramikmaterialien auch im Lagerbereich ist, sind die Mechanismen, die zu dieser Z\u00e4higkeitssteigerung f\u00fchren, nicht vollst\u00e4ndig gekl\u00e4rt. Im Einzelnen gibt es mindestens zwei Theorien, die die Erh\u00f6hung der Z\u00e4higkeit erkl\u00e4ren:<\/p>\n

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  • Die martensitische Umwandlung der metastabilen tetragonalen Phase in die monokline Phase ist f\u00fcr die Absorption der elastischen Energie verantwortlich, die entlang des Bruchweges auftritt.<\/li>\n
  • Die Keimbildung und das Wachstum von Mikrorissen in der keramischen Matrix erh\u00f6hen die Energie, die f\u00fcr die Ausbreitung des Bruchs erforderlich ist. Diese Mikrorisse entstehen wahrscheinlich bereits, bevor das Bauteil belastet wird.<\/li>\n<\/ul>\n

    La comunit\u00e0 scientifica \u00e8 orientata a pensare che entrambi i contributi avvengano simultaneamente.<\/p>\n

    Ein weiterer sehr interessanter Aspekt der transformationsbasierten Z\u00e4higkeitssteigerung h\u00e4ngt mit der Entstehung von oberfl\u00e4chlichen Druckeigenspannungen w\u00e4hrend des Abk\u00fchlens zusammen, die dem keramischen Bauteil eine h\u00f6here mechanische Festigkeit verleihen \u2013 ganz \u00e4hnlich wie bei vorgespanntem Glas.<\/p>\n

    Die Oberfl\u00e4chenschicht kann durch Finish-Bearbeitungen (Schleifen, Sandstrahlen) weiter auf Druck belastet werden, wobei eventuelle Oberfl\u00e4chenfehler deaktiviert werden und der unmittelbar von der Abrasion betroffene Bereich in Druckspannung versetzt wird und somit der Ausbreitung m\u00f6glicher Risse widersteht.<\/p>\n

    Wie in Abbildung 3a gezeigt, wandelt sich die fein an den R\u00e4ndern der kubischen Phase verteilte tetragonale Phase beim Abk\u00fchlen in die monokline Phase um (kleine, dunkel erscheinende K\u00f6rner). Wenn wir gezielte mechanische Bearbeitungen durchf\u00fchren, k\u00f6nnen wir die z\u00e4higkeitssteigerte Zone vergr\u00f6\u00dfern, da wir die tetragonal \u2192 monoklin-Transformation in gr\u00f6\u00dfere Tiefe hinein f\u00f6rdern.<\/p>\n

    \"Oberfl\u00e4chenz\u00e4higkeitssteigerung\"<\/p>\n\n\n\n\n
    a<\/td>\nb<\/td>\nC<\/td>\n<\/tr>\n
    Tetragonale Phase (kleine K\u00f6rner) an den R\u00e4ndern der kubischen Phase (gr\u00f6\u00dfere K\u00f6rner).<\/td>\nIn monokline K\u00f6rner umgewandelte tetragonale K\u00f6rner (abgedunkelte K\u00f6rner) DURCH ABK\u00dcHLUNG, mit Z\u00e4higkeitssteigerung der Oberfl\u00e4che.<\/td>\nTiefer gehender z\u00e4higkeitsgesteigerter Bereich dank mechanischer Bearbeitung.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Abbildung 3. Oberfl\u00e4chenz\u00e4higkeitssteigerung: (a) freie Oberfl\u00e4che bei hoher Temperatur, (b) Oberfl\u00e4che, die durch die tetragonal \u2192 monoklin-Transformation beim Abk\u00fchlen betroffen ist, (c) Oberfl\u00e4che mit vergr\u00f6\u00dferter z\u00e4higkeitsgesteigerter Zone infolge mechanischer Bearbeitung.<\/p>\n

    Abbildung 4 zeigt das Zirkoniumpulver mit blo\u00dfem Auge (a) und dasselbe Pulver im Rasterelektronenmikroskop (REM), wodurch die submikrometrischen Partikelgr\u00f6\u00dfen sichtbar werden, aus denen sich zun\u00e4chst die Agglomerate und anschlie\u00dfend die K\u00f6rner w\u00e4hrend der Sinterung (Brennen) bilden.<\/p>\n

    \"Zirkoniumpulver\"\u00a0 \u00a0 \u00a0 \u00a0\"Zirkoniumpulver<\/p>\n

    Abbildung 4. Zirkoniumpulver (a) und SEM\u2011Vergr\u00f6\u00dferung (b).<\/p>\n

    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 L\u00f6sung zu finden, die am besten zu deinen Anwendungen passt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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