W tym artykule porozmawiamy o łożyskach ceramicznych lub łożyskach ceramicznych z cyrkonu, ze szczególnym naciskiem właśnie na materiał tych łożysk.
Materiały ceramiczne uwalniane
Od odkrycia i rozwoju cyrkonu stabilizowanego w latach 60. XX wieku, uwalnianie poprzez transformację fazową (opisane w poprzednim artykule) uważano za właściwość cyrkonu częściowo stabilizowanego (PSZ) z środkami uwalniającymi takimi jak yttria, ceria czy magnesia. Podsumowując, w PSZ cząstki lub ziarna fazy tetragonalnej są równomiernie rozproszone w fazie kubicznej. Faza tetragonalna, metastabilna, czyli niestabilna, przekształca się w monokliniczną pod wpływem nadmiernego obciążenia mechanicznego, powodując zjawisko uwalniania materiału.
Później zrozumiano, że to zjawisko można replikować w innych materiałach, które mają jako matrycę inne substancje, np. alumina (tlenek glinu), w której rozpraszane są cząstki cyrkonu działające jako środek uwalniający. Innymi słowy, istnieje cała rodzina materiałów ceramicznych, które można uwolnić dzięki dodaniu cząstek cyrkonu, dzięki transformacji fazowej (tetragonalno-monoklinowej) w obecności obciążeń termomechanicznych.
W międzynarodowej społeczności techniczno-naukowej te materiały ceramiczne uwalniane cyrkonem są znane pod skrótem ZTC (Zirconia Toughened Ceramics), a czasem nazywane „ceramicznymi stalami”.
Jednak krytyczność procesu przygotowania polega na zdolności do utrzymania cząstek cyrkonu poniżej rozmiaru krytycznego, poniżej którego można utrzymać cyrkon w metastabilnej fazie tetragonalnej, która następnie, jak opisano wcześniej i w poprzednim artykule, pod wpływem obciążenia przekształca się w monokliniczną, wyzwalając zjawisko uwalniające.
Terminologia cyrkonu
Została opracowana specyficzna terminologia do opisu cyrkonu stabilizowanego i ceramiki uwalnionej cyrkonem.
Materiał z cząstkami fazy tetragonalnej w matrycy kubicznej określa się jako cyrkon częściowo uwolniony, lub po prostu PSZ, do którego dodaje się prefiks elementu związanego ze środkiem stabilizującym (np. Ca-PSZ, stabilizowany CaO, lub Y-PSZ, stabilizowany Y2O3, lub Mg-PSZ, stabilizowany MgO).
Jeśli dodamy wystarczającą ilość stabilizatora, materiał będzie zawierał tylko fazę kubiczną i nazywa się go cyrkonem całkowicie stabilizowanym lub w pełni stabilizowanym cyrkonem (fully stabilized zirconia). Materiały zawierające tylko fazę tetragonalną są oznaczane jako polikrystaliczne cyrkony tetragonalne.
Tabeli 1 zawiera skróty różnych wersji ceramiki uwolnionej cyrkonem.
| Material | Skrót |
| Cyrkon tetragonalny (policryszstaliczny) | TZP |
| Cyrkon częściowo stabilizowany | PSZ |
| Cyrkon całkowicie stabilizowany | FSZ |
| Ceramika wzmocniona cyrkonem | TTC |
| Alumina wzmocniona cyrkonem | ZTA |
| Cyrkon wzmocniony transformacją fazową | TTZ |
Jak podano w Tabeli 2, każda kompozycja ma swoje własne charakterystyki i może stanowić najlepsze rozwiązanie dla konkretnej aplikacji.
| Właściwość | Y-TZP | Ce-TZP | ZTA | Mg-PSZ | 3Y20A |
| Gęstość (g.cm-3) | 6.05 | 6.15 | 4.15 | 5.75 | 5.51 |
| Twardość (HV30) | 1350 | 900 | 1600 | 1020 | 1470 |
| Wytrzymałość na zginanie (MPa) | 1000 | 350 | 500 | 800 | 2400 |
| Wytrzymałość na ściskanie (MPa) | 2000 | – | – | 2000 | – |
| Moduł Younga (GPa) | 205 | 215 | 380 | 205 | 260 |
| Współczynnik Poissona | 0.3 | – | – | 0.23 | – |
| Odporność na pękanie (MPa.m-1/2) | 9.5 | 15 – 20 | 4 – 5 | 8 – 15 | 6 |
| Wsp. rozszerzalności cieplnej (x10-6 °C-1) | 10 | 8 | 8 | 10 | 9.4 |
| Przewodność cieplna (W.m-1.K-1) | 2 | 2 | 23 | 1.8 | 3 |
Po podsumowaniu można wyróżnić trzy rodziny materiałów ceramicznych wzmocnionych cyrkonem, dzięki przejściu fazowemu z fazy tetragonalnej do monoklinowej;
1.Ceramika wzmocniona cząstkami rozproszonymi
Materiały, w których do matrycy (na przykład z tlenku glinu, ZTA) dodaje się pewien udział (ok. 15%) cyrkonu. W tym przypadku stabilizacja fazy tetragonalnej nie zachodzi za pomocą domieszek, takich jak itria czy wapń, lecz dzięki obróbce cieplnej i kontroli rozmiaru cząstek cyrkonu. Obróbka cieplna sprawia, że faza tetragonalna utrzymuje się w temperaturze pokojowej, uniemożliwiając cząstkom przemianę w fazę monoklinalną z powodu ograniczeń wymiarowych. Przejście tetragonalno‑monoklinowe ma oczywiście nastąpić dopiero wtedy, gdy materiał będzie poddany obciążeniu mechanicznemu podczas eksploatacji. Takie zachowanie przypomina obróbkę cieplną i przemiany martenzytyczne w stalach.
2. Cyrkon częściowo stabilizowany
Cyrkon domieszkowany lub stabilizowany środkami takimi jak tlenek itru, wapnia, magnezu czy ceru. Środek domieszkujący sprzyja stabilizacji fazy tetragonalnej, odpowiedzialnej za zwiększenie odporności na pękanie materiału. Zazwyczaj mamy do czynienia z matrycą fazy kubicznej, z pewnym udziałem niestabilnej fazy tetragonalnej.
3. Tetragonalne polikryształy tlenku cyrkonu
W latach 70. XX wieku wykazano, że ziarna mniejsze niż pół mikrometra, przy bardzo niskich stężeniach stabilizatora itrowego, mogą tworzyć materiały, w których udział ustabilizowanej fazy tetragonalnej przekracza 98%. Aby uzyskać efekty wzmocnienia, kluczowe jest, by rozmiar ziaren nie przekraczał 0,3 μm
Ostatnio pojawiła się kolejna rodzina materiałów ceramicznych wzmocnionych na bazie cyrkonu: tzw. nanomateriały, w których ważne jest utrzymanie rozmiarów ziaren poniżej 110 nm, aby uzyskać właściwości mechaniczne – takie jak odporność na pękanie – przewyższające aktualne parametry istniejących materiałów.
Wytrzymałość na rozciąganie cyrkonii w zależności od zawartości itru
Kluczowym aspektem przy stosowaniu materiałów ceramicznych jest ich ograniczona wytrzymałość na rozciąganie. Gdy łożysko jest osadzane na wale obrotowym, podlega jego rozszerzalności cieplnej, co wprowadza je w stan rozciągania, który – jeśli przekroczy granice materiału – prowadzi do jego pęknięcia.
Wytrzymałość na rozciąganie cyrkonii w zależności od ilości itru ma przebieg zbliżony do wykresu przedstawionego na Rysunku 1, z maksimum w okolicach wartości 3% mol (udział molowy) oraz wartościami wytrzymałości na rozciąganie w zakresie 600–800 MPa.
Rysunek 1. Wytrzymałość na rozciąganie cyrkonii stabilizowanej itrem w funkcji zawartości itru.
Cuscinetti in ossido di zirconio
Poniżej przedstawiono podstawowe właściwości łożysk z tlenku cyrkonu:
- Izolacja elektryczna
- Niska przewodność cieplna
- Wysoka odporność na korozję i działanie kwasów, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego (HF)
- Średnie tarcie (twardość HV > 1400)
Odporność na wysoką temperaturę:
- Bez koszyka („full complement”) : 500 °C
- Z koszykiem z PEEK: 300 °C
- Z koszykiem z PTFE: 250 °C
Rysunek 2 przedstawia typowy program spiekania wyrobu z cyrkonii. Po pierwszej, wolniejszej rampie nagrzewania, umożliwiającej wypalenie ewentualnych produktów organicznych, osiąga się optymalną temperaturę spiekania, a następnie przeprowadza się kontrolowane chłodzenie aż do temperatury otoczenia.
Rysunek 2. Program spiekania cyrkonii.
Spiekanie (wypalanie) powoduje, że cząstki proszku ulegają przemianie swojej struktury w stanie stałym, bez przechodzenia w stan ciekły. Migracja atomów, aktywowana przez wysoką temperaturę, umożliwia tworzenie się między cząstkami stref połączeń, które następnie się powiększają, aż do powstania struktury, w której puste przestrzenie (pory) pomiędzy cząstkami zostają wyeliminowane, co pozwala uzyskać materiał o bardzo wysokiej gęstości.
Rysunek 3 przedstawia fragment elementu z cyrkonii po spiekaniu. Można zaobserwować mikrostrukturę ceramiki, z widocznymi ziarnami oraz obszarami ich rozdzielenia (granice ziaren).
Rysunek 3. Mikrofotografia elementu z cyrkonii spiekanej.
Wybór najlepszych komponentów zaczyna się od dogłębnej znajomości materiałów!
