Dans cet article, nous parlerons des roulements céramiques en zircone, en particulier de la ténacité. Pour comprendre le potentiel des roulements en céramique, nous partirons du matériau, l’oxyde de zirconium, jusqu’au processus de ténacisation.
L’oxyde de zirconium
Le zirconium (Zr) est un métal de numéro atomique 40. Il fut découvert pour la première fois en 1789. Le matériau a une densité de 6,49 g/cm³, un point de fusion de 1852 °C et un point d’ébullition de 3580 °C. Il présente une structure cristalline hexagonale et est de couleur grisâtre. Le Zr ne se trouve pas à l’état pur dans la nature. Il peut être trouvé en combinaison avec l’oxyde de silicate sous le nom minéral zircon (ZrO₂ x SiO₂) ou sous forme d’oxyde libre (zircone, ZrO₂) sous le nom minéral baddeleyite.
L’une de ses premières applications a été dans le domaine dentaire et biomédical, et elle trouve désormais un large usage dans des applications industrielles. Ces minéraux ne peuvent pas être utilisés comme matériaux primaires en odontologie en raison des impuretés de divers éléments métalliques qui affectent la couleur, ainsi que des radionucléides naturels comme l’urania et la thoria, qui les rendent radioactifs. Des processus complexes et coûteux en termes de temps, permettant une séparation efficace de ces éléments, sont nécessaires pour produire des poudres de zircone pure. Après purification, le matériau obtenu peut être utilisé comme biomatériau céramique.
L’oxyde de zirconium, ou zircone, ZrO₂, est un matériau polymorphe qui se présente sous trois formes : monoclinique, tétragonale et cubique. La phase monoclinique est stable à température ambiante et jusqu’à 1150 °C, la phase tétragonale entre 1150 et 2200 °C, et la phase cubique au-delà de 2200 °C, tandis que la phase liquide se forme au-dessus de 2680 °C.
La transition d’une phase à l’autre s’accompagne de variations notables de volume : par exemple, en chauffant la zircone au-delà de 1150 °C, on obtient la transformation de la structure monoclinique à tétragonale avec une réduction de volume de 5%. À l’inverse, lors du refroidissement, on observe une augmentation de volume de 3% à 4% (Figure 1).
Figure 1. Structures cristallines possibles de la zircone à différentes températures.
Stabilisation de la zircone
Lors d’un processus de refroidissement, l’oxyde de zirconium subit une transformation de phase comme décrit dans la Figure 1, passant de cubique à tétragonale puis à monoclinique. L’augmentation de volume associée à cette transformation entraînerait une rupture de la zircone ou du moins une fragilité excessive, rendant impossible l’utilisation de l’oxyde de zirconium pur dans de nombreuses applications, en particulier pour les roulements. Pour résoudre ce problème, certains matériaux sont ajoutés afin de stabiliser la phase cubique de la zircone à température ambiante. Ces matériaux sont appelés stabilisants et le produit obtenu est dénommé zircone stabilisée. Si une quantité suffisante de substance stabilisante est ajoutée, la phase cubique peut être totalement stabilisée (zircone complètement stabilisée). Sinon, avec des quantités moindres de stabilisant, on obtient une zircone partiellement stabilisée, dans laquelle une certaine proportion contrôlée de phase tétragonale est présente. En d’autres termes, la zircone partiellement stabilisée est une dispersion fine de particules de zircone tétragonale métastable (prête à se convertir en monoclinique en présence de perturbations) dans une matrice de zircone cubique.
Par exemple, si l’on souhaite stabiliser les phases cubique et tétragonale avec de l’yttria, des pourcentages relatifs supérieurs à 7% mol permettent une stabilisation complète de la zircone cubique, tandis que des pourcentages relatifs entre 2% et 6% mol d’yttria donnent une zircone partiellement stabilisée, dans laquelle persiste un 5-10% de zircone tétragonale finement dispersée dans la matrice cubique.
Les autres stabilisants de zircone couramment utilisés incluent la ceria (CeO₂), la chaux (CaO) et la magnésie (MgO), etc. Le stabilisant le plus courant et le plus efficace est l’yttria (Y₂O₃). La zircone stabilisée est donc désignée comme zircone stabilisée à l’yttria, zircone stabilisée à la ceria, zircone stabilisée à la chaux ou zircone stabilisée à la magnésie.
Ténacisation de la zircone
Mécanisme de stabilisation et effets sur les propriétés mécaniques
Dans une application structurelle, lorsqu’une micro-fissure rencontre une particelle tétragonale, la concentration de contraintes mécaniques à l’extrémité de la fissure déclenche la transformation tétragonale → monoclinique, entraînant une augmentation de volume qui comprime la zone concernée par la transformation, ralentissant ou bloquant ainsi la propagation de la fissure, comme décrit dans la Figure 2.
Ce processus est connu sous le nom de mécanisme de ténacisation, la ténacité étant la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie mécanique avant la rupture.
Figure 2. Transformation cristalline qui introduit une pression sur la fissure, freinant son avancement.
Mécanismes de ténacisation
Bien que le phénomène de ténacisation ait été démontré par des essais expérimentaux et soit la raison pour laquelle la zircone stabilisée est l’un des matériaux céramiques structuraux les plus fiables, même dans le monde des roulements, les mécanismes à l’origine de cette ténacisation ne sont pas entièrement élucidés. Plus précisément, il existe au moins deux théories expliquant l’augmentation de la ténacité :
- La transformation martensitique de la phase tétragonale métastable vers monoclinique est responsable de l’absorption de l’énergie élastique impliquée dans le trajet de la fracture.
- La nucléation et la croissance de micro-fissures dans la matrice céramique provoquent une augmentation de l’énergie nécessaire à la propagation de la fracture. Ces micro-fissures se forment probablement avant que le composant ne soit soumis à des contraintes.
La communauté scientifique penche pour l’idée que les deux contributions se produisent simultanément. Un autre aspect très intéressant de la ténacisation par transformation est la génération de contraintes de compression superficielles pendant le refroidissement, qui confèrent une plus grande résistance mécanique au composant céramique, tout comme dans les verres trempés.La couche superficielle peut être encore plus sollicitée en compression par les opérations de finition (rectification, sablage), où les défauts superficiels éventuels sont rendus inactifs, et la zone immédiatement affectée par l’abrasion se retrouve en compression, donc résistante à la propagation d’éventuelles fractures.
Comme le montre la Figure 3a, la phase tétragonale finement dispersée aux bords de la phase cubique se transforme en phase monoclinique par refroidissement (petits grains noircis). En procédant à des usinages ciblés, nous pouvons augmenter la zone ténacisée, car nous favorisons la transformation tétragonale → monoclinique plus en profondeur.
| a | b | C |
| Phase tétragonale (grains petits) aux bords de la phase cubique (grains plus grands) | Grains tétragonals transformés en monocliniques (grains noircis) PAR REFROIDISSEMENT, avec ténacisation de la surface | Zone ténacisée plus profonde grâce aux usinages mécaniques |
Figure 3. Ténacisation superficielle : (a) surface libre à haute température, (b) surface affectée par la transformation tétragonale → monoclinique due au refroidissement, (c) surface avec une zone ténacisée plus importante en raison des usinages mécaniques.
Figure 4. La Figure 4 montre la poudre de zircone à l’œil nu (a) et la même poudre observée au microscope électronique à balayage (SEM), mettant en évidence les dimensions sub-micrométriques des particelles qui formeront ensuite les agglomérats, puis les grains lors de la phase de frittage (cuisson).
Figure 4. Poudre de zircone (a), et zoom au microscope SEM (b).
Comme vous pouvez le voir, le choix du meilleur roulement céramique en termes de résistance mécanique est également influencé par la sélection du composant céramique. Entrez dans le monde des roulements avec notre équipe pour trouver la solution la plus adaptée à vos applications.
