{"id":1553,"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":"2026-02-05T11:32:27","modified_gmt":"2026-02-05T11:32:27","slug":"les-secrets-des-roulements-ceramiques-en-zircone-la-tenacite","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lyrabearing.com\/fr\/insights\/les-secrets-des-roulements-ceramiques-en-zircone-la-tenacite\/","title":{"rendered":"Les secrets des roulements c\u00e9ramiques en zircone: la t\u00e9nacit\u00e9"},"content":{"rendered":"

Dans cet article, nous parlerons des roulements c\u00e9ramiques en zircone, en particulier de la t\u00e9nacit\u00e9. Pour comprendre le potentiel des roulements en c\u00e9ramique, nous partirons du mat\u00e9riau, l\u2019oxyde de zirconium, jusqu\u2019au processus de t\u00e9nacisation.<\/p>\n

L\u2019oxyde de zirconium<\/h2>\n

Le zirconium (Zr) est un m\u00e9tal de num\u00e9ro atomique 40. Il fut d\u00e9couvert pour la premi\u00e8re fois en 1789. Le mat\u00e9riau a une densit\u00e9 de 6,49 g\/cm\u00b3, un point de fusion de 1852 \u00b0C et un point d\u2019\u00e9bullition de 3580 \u00b0C. Il pr\u00e9sente une structure cristalline hexagonale et est de couleur gris\u00e2tre. Le Zr ne se trouve pas \u00e0 l\u2019\u00e9tat pur dans la nature. Il peut \u00eatre trouv\u00e9 en combinaison avec l\u2019oxyde de silicate sous le nom min\u00e9ral zircon (ZrO\u2082 x SiO\u2082) ou sous forme d\u2019oxyde libre (zircone, ZrO\u2082) sous le nom min\u00e9ral baddeleyite.<\/p>\n

L\u2019une de ses premi\u00e8res applications a \u00e9t\u00e9 dans le domaine dentaire et biom\u00e9dical, et elle trouve d\u00e9sormais un large usage dans des applications industrielles. Ces min\u00e9raux ne peuvent pas \u00eatre utilis\u00e9s comme mat\u00e9riaux primaires en odontologie en raison des impuret\u00e9s de divers \u00e9l\u00e9ments m\u00e9talliques qui affectent la couleur, ainsi que des radionucl\u00e9ides naturels comme l\u2019urania et la thoria, qui les rendent radioactifs. Des processus complexes et co\u00fbteux en termes de temps, permettant une s\u00e9paration efficace de ces \u00e9l\u00e9ments, sont n\u00e9cessaires pour produire des poudres de zircone pure. Apr\u00e8s purification, le mat\u00e9riau obtenu peut \u00eatre utilis\u00e9 comme biomat\u00e9riau c\u00e9ramique.<\/p>\n

L\u2019oxyde de zirconium, ou zircone, ZrO\u2082, est un mat\u00e9riau polymorphe qui se pr\u00e9sente sous trois formes : monoclinique, t\u00e9tragonale et cubique. La phase monoclinique est stable \u00e0 temp\u00e9rature ambiante et jusqu\u2019\u00e0 1150 \u00b0C, la phase t\u00e9tragonale entre 1150 et 2200 \u00b0C, et la phase cubique au-del\u00e0 de 2200 \u00b0C, tandis que la phase liquide se forme au-dessus de 2680 \u00b0C.
\nLa transition d\u2019une phase \u00e0 l\u2019autre s\u2019accompagne de variations notables de volume : par exemple, en chauffant la zircone au-del\u00e0 de 1150 \u00b0C, on obtient la transformation de la structure monoclinique \u00e0 t\u00e9tragonale avec une r\u00e9duction de volume de 5%. \u00c0 l\u2019inverse, lors du refroidissement, on observe une augmentation de volume de 3% \u00e0 4% (Figure 1).<\/p>\n

Figure 1. Structures cristallines possibles de la zircone \u00e0 diff\u00e9rentes temp\u00e9ratures.<\/p>\n

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Stabilisation de la zircone<\/h2>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
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Lors d\u2019un processus de refroidissement, l\u2019oxyde de zirconium subit une transformation de phase comme d\u00e9crit dans la Figure 1, passant de cubique \u00e0 t\u00e9tragonale puis \u00e0 monoclinique. L\u2019augmentation de volume associ\u00e9e \u00e0 cette transformation entra\u00eenerait une rupture de la zircone ou du moins une fragilit\u00e9 excessive, rendant impossible l\u2019utilisation de l\u2019oxyde de zirconium pur dans de nombreuses applications, en particulier pour les roulements. Pour r\u00e9soudre ce probl\u00e8me, certains mat\u00e9riaux sont ajout\u00e9s afin de stabiliser la phase cubique de la zircone \u00e0 temp\u00e9rature ambiante. Ces mat\u00e9riaux sont appel\u00e9s stabilisants et le produit obtenu est d\u00e9nomm\u00e9 zircone stabilis\u00e9e. Si une quantit\u00e9 suffisante de substance stabilisante est ajout\u00e9e, la phase cubique peut \u00eatre totalement stabilis\u00e9e (zircone compl\u00e8tement stabilis\u00e9e). Sinon, avec des quantit\u00e9s moindres de stabilisant, on obtient une zircone partiellement stabilis\u00e9e, dans laquelle une certaine proportion contr\u00f4l\u00e9e de phase t\u00e9tragonale est pr\u00e9sente. En d\u2019autres termes, la zircone partiellement stabilis\u00e9e est une dispersion fine de particules de zircone t\u00e9tragonale m\u00e9tastable (pr\u00eate \u00e0 se convertir en monoclinique en pr\u00e9sence de perturbations) dans une matrice de zircone cubique.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

Par exemple, si l\u2019on souhaite stabiliser les phases cubique et t\u00e9tragonale avec de l\u2019yttria, des pourcentages relatifs sup\u00e9rieurs \u00e0 7% mol permettent une stabilisation compl\u00e8te de la zircone cubique, tandis que des pourcentages relatifs entre 2% et 6% mol d\u2019yttria donnent une zircone partiellement stabilis\u00e9e, dans laquelle persiste un 5-10% de zircone t\u00e9tragonale finement dispers\u00e9e dans la matrice cubique.<\/p>\n

Les autres stabilisants de zircone couramment utilis\u00e9s incluent la ceria (CeO\u2082), la chaux (CaO) et la magn\u00e9sie (MgO), etc. Le stabilisant le plus courant et le plus efficace est l\u2019yttria (Y\u2082O\u2083). La zircone stabilis\u00e9e est donc d\u00e9sign\u00e9e comme zircone stabilis\u00e9e \u00e0 l\u2019yttria, zircone stabilis\u00e9e \u00e0 la ceria, zircone stabilis\u00e9e \u00e0 la chaux ou zircone stabilis\u00e9e \u00e0 la magn\u00e9sie.<\/p>\n

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T\u00e9nacisation de la zircone<\/h3>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

M\u00e9canisme de stabilisation et effets sur les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques<\/h3>\n

Dans une application structurelle, lorsqu\u2019une micro-fissure rencontre une particelle t\u00e9tragonale, la concentration de contraintes m\u00e9caniques \u00e0 l\u2019extr\u00e9mit\u00e9 de la fissure d\u00e9clenche la transformation t\u00e9tragonale \u2192 monoclinique, entra\u00eenant une augmentation de volume qui comprime la zone concern\u00e9e par la transformation, ralentissant ou bloquant ainsi la propagation de la fissure, comme d\u00e9crit dans la Figure 2.<\/p>\n

Ce processus est connu sous le nom de m\u00e9canisme de t\u00e9nacisation, la t\u00e9nacit\u00e9 \u00e9tant la capacit\u00e9 d\u2019un mat\u00e9riau \u00e0 absorber de l\u2019\u00e9nergie m\u00e9canique avant la rupture.<\/p>\n

\"Trasformazione-cristallina\"<\/p>\n

Figure 2. Transformation cristalline qui introduit une pression sur la fissure, freinant son avancement.<\/p>\n

M\u00e9canismes de t\u00e9nacisation<\/h3>\n

Bien que le ph\u00e9nom\u00e8ne de t\u00e9nacisation ait \u00e9t\u00e9 d\u00e9montr\u00e9 par des essais exp\u00e9rimentaux et soit la raison pour laquelle la zircone stabilis\u00e9e est l\u2019un des mat\u00e9riaux c\u00e9ramiques structuraux les plus fiables, m\u00eame dans le monde des roulements, les m\u00e9canismes \u00e0 l\u2019origine de cette t\u00e9nacisation ne sont pas enti\u00e8rement \u00e9lucid\u00e9s. Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, il existe au moins deux th\u00e9ories expliquant l\u2019augmentation de la t\u00e9nacit\u00e9 :<\/p>\n

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  • La transformation martensitique de la phase t\u00e9tragonale m\u00e9tastable vers monoclinique est responsable de l\u2019absorption de l\u2019\u00e9nergie \u00e9lastique impliqu\u00e9e dans le trajet de la fracture.<\/li>\n
  • La nucl\u00e9ation et la croissance de micro-fissures dans la matrice c\u00e9ramique provoquent une augmentation de l\u2019\u00e9nergie n\u00e9cessaire \u00e0 la propagation de la fracture. Ces micro-fissures se forment probablement avant que le composant ne soit soumis \u00e0 des contraintes.<\/li>\n<\/ul>\n

    La communaut\u00e9 scientifique penche pour l\u2019id\u00e9e que les deux contributions se produisent simultan\u00e9ment. Un autre aspect tr\u00e8s int\u00e9ressant de la t\u00e9nacisation par transformation est la g\u00e9n\u00e9ration de contraintes de compression superficielles pendant le refroidissement, qui conf\u00e8rent une plus grande r\u00e9sistance m\u00e9canique au composant c\u00e9ramique, tout comme dans les verres tremp\u00e9s.La couche superficielle peut \u00eatre encore plus sollicit\u00e9e en compression par les op\u00e9rations de finition (rectification, sablage), o\u00f9 les d\u00e9fauts superficiels \u00e9ventuels sont rendus inactifs, et la zone imm\u00e9diatement affect\u00e9e par l\u2019abrasion se retrouve en compression, donc r\u00e9sistante \u00e0 la propagation d\u2019\u00e9ventuelles fractures.<\/p>\n

    Comme le montre la Figure 3a, la phase t\u00e9tragonale finement dispers\u00e9e aux bords de la phase cubique se transforme en phase monoclinique par refroidissement (petits grains noircis). En proc\u00e9dant \u00e0 des usinages cibl\u00e9s, nous pouvons augmenter la zone t\u00e9nacis\u00e9e, car nous favorisons la transformation t\u00e9tragonale \u2192 monoclinique plus en profondeur.<\/p>\n

    \"Tenacizzazione-superficiale\"<\/p>\n\n\n\n\n
    a<\/td>\nb<\/td>\nC<\/td>\n<\/tr>\n
    Phase t\u00e9tragonale (grains petits) aux bords de la phase cubique (grains plus grands)<\/td>\nGrains t\u00e9tragonals transform\u00e9s en monocliniques (grains noircis) PAR REFROIDISSEMENT, avec t\u00e9nacisation de la surface<\/td>\nZone t\u00e9nacis\u00e9e plus profonde gr\u00e2ce aux usinages m\u00e9caniques<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Figure 3. T\u00e9nacisation superficielle : (a) surface libre \u00e0 haute temp\u00e9rature, (b) surface affect\u00e9e par la transformation t\u00e9tragonale \u2192 monoclinique due au refroidissement, (c) surface avec une zone t\u00e9nacis\u00e9e plus importante en raison des usinages m\u00e9caniques.<\/p>\n

    Figure 4. La Figure 4 montre la poudre de zircone \u00e0 l\u2019\u0153il nu (a) et la m\u00eame poudre observ\u00e9e au microscope \u00e9lectronique \u00e0 balayage (SEM), mettant en \u00e9vidence les dimensions sub-microm\u00e9triques des particelles qui formeront ensuite les agglom\u00e9rats, puis les grains lors de la phase de frittage (cuisson).<\/p>\n

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

    Figure 4. Poudre de zircone (a), et zoom au microscope SEM (b).<\/p>\n

    Comme vous pouvez le voir, le choix du meilleur roulement c\u00e9ramique en termes de r\u00e9sistance m\u00e9canique est \u00e9galement influenc\u00e9 par la s\u00e9lection du composant c\u00e9ramique. Entrez dans le monde des roulements avec notre \u00e9quipe pour trouver la solution la plus adapt\u00e9e \u00e0 vos applications.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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