{"id":2316,"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":"2026-04-14T10:37:49","modified_gmt":"2026-04-14T08:37:49","slug":"sekrety-lozysk-ceramicznych-z-cyrkonii-hartowanie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/insights\/sekrety-lozysk-ceramicznych-z-cyrkonii-hartowanie\/","title":{"rendered":"Sekrety \u0142o\u017cysk ceramicznych z cyrkonii: hartowanie"},"content":{"rendered":"

W tym artykule om\u00f3wimy \u0142o\u017cyska ceramiczne z cyrkonii, w szczeg\u00f3lno\u015bci hartowanie (tenacizacj\u0119). Aby zrozumie\u0107 potencja\u0142 \u0142o\u017cysk ceramicznych, rozpoczniemy od materia\u0142u \u2013 tlenku cyrkonu \u2013 a\u017c po proces hartowania.<\/p>\n

Tlenek cyrkonu<\/strong><\/h2>\n

Cyrkon (Zr) to metal o liczbie atomowej 40. Zosta\u0142 odkryty po raz pierwszy w 1789 roku. Materia\u0142 ma g\u0119sto\u015b\u0107 6,49 g\/cm\u00b3, temperatur\u0119 topnienia 1852\u00b0C i temperatur\u0119 wrzenia 3580\u00b0C. Ma struktur\u0119 krystaliczn\u0105 heksagonaln\u0105 i jest szaro-granatowy. Zr nie wyst\u0119puje w naturze w stanie czystym. Mo\u017cna go znale\u017a\u0107 w po\u0142\u0105czeniu z tlenkiem krzemianu pod nazw\u0105 minera\u0142u cyrkon (ZrO\u2082 x SiO\u2082) lub jako wolny tlenek (cyrkonia, ZrO\u2082) pod nazw\u0105 minera\u0142u baddeleyit.<\/p>\n

Jedna z pierwszych jego aplikacji by\u0142a w stomatologii i biomedycynie, a obecnie znajduje szerokie zastosowanie r\u00f3wnie\u017c w aplikacjach przemys\u0142owych. Te minera\u0142y nie mog\u0105 by\u0107 u\u017cywane jako materia\u0142y podstawowe w stomatologii z powodu zanieczyszcze\u0144 r\u00f3\u017cnych pierwiastk\u00f3w metalicznych, kt\u00f3re wp\u0142ywaj\u0105 na kolor, oraz z powodu naturalnych radionuklid\u00f3w, takich jak uran i tor, kt\u00f3re czyni\u0105 je radioaktywnymi. Konieczne s\u0105 z\u0142o\u017cone i czasoch\u0142onne procesy, kt\u00f3re przek\u0142adaj\u0105 si\u0119 na skuteczne oddzielenie tych pierwiastk\u00f3w, aby wyprodukowa\u0107 czyst\u0105 proszek cyrkonii. Po oczyszczeniu wytworzony materia\u0142 mo\u017ce by\u0107 stosowany jako ceramiczny biomateria\u0142.<\/p>\n

Tlenek cyrkonu lub cyrkonia, ZrO\u2082, to materia\u0142 polimorficzny wyst\u0119puj\u0105cy w trzech formach: monoklinowej, tetragonalnej i kubicznej. Faza monoklinowa jest stabilna w temperaturze pokojowej do 1150\u00b0C, tetragonalna w temperaturach 1150-2200\u00b0C, a kubiczna powy\u017cej 2200\u00b0C, podczas gdy faza ciek\u0142a tworzy si\u0119 powy\u017cej 2680\u00b0C.<\/p>\n

Przej\u015bcie z jednej fazy w drug\u0105 wi\u0105\u017ce si\u0119 z wyra\u017anymi zmianami obj\u0119to\u015bci: na przyk\u0142ad, podgrzewaj\u0105c cyrkoni\u0119 powy\u017cej 1150\u00b0C, uzyskuje si\u0119 transformacj\u0119 struktury z monoklinowej na tetragonaln\u0105 z redukcj\u0105 obj\u0119to\u015bci o 5%. Odwrotnie, podczas procesu ch\u0142odzenia obserwuje si\u0119 wzrost obj\u0119to\u015bci o 3%-4% (Rysunek 1).<\/p>\n

\"Struktury<\/p>\n

Rysunek 1. Mo\u017cliwe struktury krystaliczne cyrkonii w r\u00f3\u017cnych temperaturach.<\/p>\n

Stabilizacja cyrkonii<\/strong><\/h3>\n

Podczas procesu ch\u0142odzenia tlenek cyrkonu przechodzi transformacj\u0119 fazow\u0105 jak opisano na Rysunku 1, z kubicznej przez tetragonaln\u0105 do monoklinowej. Zwi\u0119kszenie obj\u0119to\u015bci zwi\u0105zane z t\u0105 transformacj\u0105 doprowadzi\u0142oby do p\u0119kni\u0119cia cyrkonii lub przynajmniej do jej nadmiernej krucho\u015bci, co uniemo\u017cliwia zastosowanie czystego tlenku cyrkonu w wielu aplikacjach, zw\u0142aszcza w \u0142o\u017cyskach. Aby rozwi\u0105za\u0107 ten problem, dodaje si\u0119 pewne materia\u0142y w celu stabilizacji fazy kubicznej cyrkonii w temperaturze pokojowej. Te materia\u0142y nazywaj\u0105 si\u0119 stabilizatorami, a powi\u0105zany produkt to cyrkonia stabilizowana. Je\u015bli doda si\u0119 wystarczaj\u0105c\u0105 ilo\u015b\u0107 substancji stabilizuj\u0105cej, mo\u017cna ca\u0142kowicie ustabilizowa\u0107 faz\u0119 kubiczn\u0105 (cyrkonia ca\u0142kowicie stabilizowana). W przeciwnym razie, przy u\u017cyciu mniejszych ilo\u015bci stabilizatora, uzyskuje si\u0119 cyrkoni\u0119 cz\u0119\u015bciowo stabilizowan\u0105, w kt\u00f3rej jest kontrolowany procent fazy tetragonalnej. Innymi s\u0142owy, cz\u0119\u015bciowo stabilizowana cyrkonia to drobna dyspersja cz\u0105stek metastabilnej tetragonalnej cyrkonii (zdolnej do przej\u015bcia w monokliniczn\u0105 pod wp\u0142ywem zak\u0142\u00f3ce\u0144) w matrycy kubicznej cyrkonii.<\/p>\n

Na przyk\u0142ad, je\u015bli chcemy ustabilizowa\u0107 faz\u0119 kubiczn\u0105 i tetragonaln\u0105 za pomoc\u0105 ittrii, procenty wzgl\u0119dne powy\u017cej 7% mol prowadz\u0105 do ca\u0142kowitej stabilizacji kubicznej cyrkonii, podczas gdy procenty wzgl\u0119dne mi\u0119dzy 2% a 6% mol ittrii daj\u0105 cyrkoni\u0119 cz\u0119\u015bciowo stabilizowan\u0105, w kt\u00f3rej utrzymuje si\u0119 5-10% tetragonalnej cyrkonii drobno rozproszonej w matrycy kubicznej.<\/p>\n

Inne powszechnie stosowane stabilizatory cyrkonii to ceria CeO\u2082, tlenek wapnia CaO i tlenek magnezu MgO itp. Najbardziej powszechnym i skutecznym stabilizatorem jest yttria Y\u2082O\u2083. Stabilizowana cyrkonia jest zatem nazywana cyrkoni\u0105 stabilizowan\u0105 yttri\u0105, cyrkoni\u0105 stabilizowan\u0105 cer\u0105, cyrkoni\u0105 stabilizowan\u0105 wapniem, cyrkoni\u0105 stabilizowan\u0105 magnezem.<\/p>\n

Hartowanie (toughening) cyrkonii<\/strong><\/h3>\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n

Mechanizm stabilizacji i efekty na w\u0142a\u015bciwo\u015bci mechaniczne.<\/strong><\/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

W aplikacji strukturalnej, gdy mikro-p\u0119kni\u0119cie napotka cz\u0105stk\u0119 tetragonaln\u0105, koncentracja napr\u0119\u017cenia mechanicznego na ko\u0144cu p\u0119kni\u0119cia wyzwala transformacj\u0119 tetragonalnej \u2192 monoklinowej z nast\u0119pczym wzrostem obj\u0119to\u015bci, co kompresuje t\u0119 sam\u0105 stref\u0119 transformacji, spowalniaj\u0105c lub blokuj\u0105c propagacj\u0119 p\u0119kni\u0119cia, jak opisano na Rysunku 2.<\/p>\n

Ten proces jest znany jako mechanizm hartowania (tenacizzazione), poniewa\u017c tenacia to zdolno\u015b\u0107 materia\u0142u do poch\u0142aniania energii mechanicznej przed osi\u0105gni\u0119ciem punktu p\u0119kania.<\/p>\n

\"Przemiana<\/p>\n

Rysunek 2. Przemiana krystaliczna wprowadzaj\u0105ca ci\u015bnienie na p\u0119kni\u0119cie, hamuj\u0105ca jego propagacj\u0119.<\/p>\n

\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n
\n

Meccanizmy hartowania (tenacizacji)<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

\n
Pomimo \u017ce zjawisko hartowania zosta\u0142o udowodnione eksperymentalnie i jest powodem, dla kt\u00f3rego stabilizowana cyrkonia jest jednym z najbardziej niezawodnych materia\u0142\u00f3w ceramicznych strukturalnych, tak\u017ce w \u015bwiecie \u0142o\u017cysk, mechanizmy prowadz\u0105ce do tego hartowania nie s\u0105 w pe\u0142ni jasne. W szczeg\u00f3lno\u015bci istniej\u0105 co najmniej dwie teorie wyja\u015bniaj\u0105ce wzrost tenacji.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n
    \n
  • Transformacja martenzytyczna metastabilnej fazy tetragonalnej w monoklinow\u0105 jest odpowiedzialna za poch\u0142anianie energii spr\u0119\u017cystej zwi\u0105zanej z przebiegiem p\u0119kni\u0119cia.<\/li>\n
  • Nucleacja i wzrost mikrop\u0119kni\u0119\u0107 w matrycy ceramicznej powoduj\u0105 wzrost energii potrzebnej do propagacji p\u0119kni\u0119cia. Takie mikrop\u0119kni\u0119cia prawdopodobnie powstaj\u0105 jeszcze przed tym, jak element zostanie poddany obci\u0105\u017ceniu.<\/li>\n<\/ul>\n

    \u015arodowisko naukowe sk\u0142ania si\u0119 ku pogl\u0105dowi, \u017ce oba te mechanizmy zachodz\u0105 jednocze\u015bnie.<\/p>\n

    Inny bardzo interesuj\u0105cy aspekt hartowania przez transformacj\u0119 zwi\u0105zany jest z generowaniem powierzchniowych napr\u0119\u017ce\u0144 \u015bciskaj\u0105cych podczas ch\u0142odzenia, kt\u00f3re nadaj\u0105 elementowi ceramicznemu wi\u0119ksz\u0105 wytrzyma\u0142o\u015b\u0107 mechaniczn\u0105, dok\u0142adnie tak jak w szkle hartowanym.<\/p>\n

    Warstwa powierzchniowa mo\u017ce by\u0107 dodatkowo poddana napr\u0119\u017ceniom \u015bciskaj\u0105cym poprzez obr\u00f3bk\u0119 wyko\u0144czeniow\u0105 (szlifowanie, piaskowanie), w trakcie kt\u00f3rej ewentualne defekty powierzchniowe zostaj\u0105 dezaktywowane, a obszar bezpo\u015brednio poddany abrazyjnemu dzia\u0142aniu znajduje si\u0119 w stanie \u015bcisku, co zwi\u0119ksza jego odporno\u015b\u0107 na propagacj\u0119 ewentualnych p\u0119kni\u0119\u0107.<\/p>\n

    Jak pokazano na Rysunku 3a, drobno rozproszona faza tetragonalna na granicach fazy kubicznej przekszta\u0142ca si\u0119 w faz\u0119 monoklinow\u0105 podczas ch\u0142odzenia (ma\u0142e zaczernione ziarna). Je\u015bli przeprowadzimy ukierunkowan\u0105 obr\u00f3bk\u0119, mo\u017cemy zwi\u0119kszy\u0107 stref\u0119 zahartowan\u0105, poniewa\u017c sprzyjamy transformacji tetragonalnej \u2192 monoklinowej na wi\u0119ksz\u0105 g\u0142\u0119boko\u015b\u0107.<\/p>\n

    \"Powierzchniowe<\/p>\n\n\n\n\n
    a<\/td>\nb<\/td>\nC<\/td>\n<\/tr>\n
    Faza tetragonalna (ma\u0142e ziarna) na granicach fazy kubicznej (wi\u0119ksze ziarna)<\/td>\nZiarna tetragonalne przekszta\u0142cone w monoklinowe (zaciemnione ziarna) W SKUTEK CH\u0141ODZENIA, z utwardzeniem (tenacizacj\u0105) warstwy powierzchniowej.<\/td>\nStrefa zahartowana (ztenacizowana) g\u0142\u0119bsza dzi\u0119ki obr\u00f3bce mechanicznej<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Rysunek 3. Powierzchniowa tenacizacja: (a) swobodna powierzchnia w wysokiej temperaturze, (b) powierzchnia obj\u0119ta transformacj\u0105 tetragonalna \u2192 monoklinowa w wyniku ch\u0142odzenia, (c) powierzchnia z g\u0142\u0119bsz\u0105 stref\u0105 zahartowan\u0105 (ztenacizowan\u0105) w wyniku obr\u00f3bki mechanicznej.<\/p>\n

    Rysunek 4 przedstawia proszek cyrkonii widoczny go\u0142ym okiem (a) oraz ten sam proszek obserwowany w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM), co uwidacznia submikrometrowe rozmiary cz\u0105stek, z kt\u00f3rych nast\u0119pnie powstaj\u0105 aglomeraty, a potem ziarna w trakcie spiekania (wypalania).<\/p>\n

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

    Rysunek 4. Proszek cyrkonii (a) oraz zbli\u017cenie w skaningowym mikroskopie elektronowym SEM (b)<\/p>\n

    Jak widzisz, wyb\u00f3r najlepszego \u0142o\u017cyska ceramicznego pod wzgl\u0119dem wytrzyma\u0142o\u015bci mechanicznej zale\u017cy r\u00f3wnie\u017c od doboru odpowiedniego komponentu ceramicznego. Wejd\u017a do \u015bwiata \u0142o\u017cysk razem z naszym zespo\u0142em, aby znale\u017a\u0107 rozwi\u0105zanie najlepiej dopasowane do Twoich zastosowa\u0144.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    W tym artykule om\u00f3wimy \u0142o\u017cyska ceramiczne z cyrkonii, w szczeg\u00f3lno\u015bci hartowanie (tenacizacj\u0119). Aby zrozumie\u0107 potencja\u0142 \u0142o\u017cysk ceramicznych, rozpoczniemy od materia\u0142u…<\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":2317,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"class_list":["post-2316","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2316","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2316"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2316\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2321,"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2316\/revisions\/2321"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2317"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/lyrabearing.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2316"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}