Цирконий, закален алуминий – Подобрена здравина за промишлено съвършенство

Цирконий, закален алуминий (ZTA) е изключителна керамика, отличава се с висока якост и устойчивост на счупване, дължащи се на стабилизирани с итрий циркониеви частици, диспергирани в матрица от алуминиев оксид.

Този материал може да издържи на бързи температурни промени, без да се напука или счупи, издържа на химическа корозия и предлага отлична устойчивост на термичен удар.

Отлична устойчивост на корозия

ZTA керамиката предлага идеален баланс между здравина и стойност, като е по-силен от продуктите от двуалуминиев оксид, но е по-евтин от чистия цирконий. Механичните им свойства – якост на счупване, якост и твърдост на огъване, както и устойчивост на термичен шок – правят ги подходящи за производство на промишлени инструменти като режещи колела.

ZTA постига превъзходните си свойства благодарение на добавянето на стабилизиран с итрий цирконий (YSZ) частици в алуминиева матрица. Когато е разпръснат равномерно навсякъде, YSZ спомага за оптимизиране както на твърдостта на счупване, така и на якостта на опън на двата елемента, което води до изключителна устойчивост на износване, химическа инертност при стайна температура и свойства на гореща твърдост/якост на разкъсване за изключителен керамичен материал.

ZTA продукти’ механичните свойства зависят силно от техните начини на обработка за производство на прахове, включително термични обработки, методи за калциниране, техники за сушене и процеси на синтероване, както и индивидуално оформяне с добавки, добавени по време на производството. Всички тези фактори оказват незабавно влияние върху силата им, свойства на еластичност и твърдост.

Отлична устойчивост на термичен удар

ZTA керамиката предлага отлична устойчивост на термичен удар, което ги прави отличен избор за аерокосмически приложения, които изискват високи нива на якост, издръжливост, и химическа инертност. Когато се диспергира равномерно в алуминиева матрица, YSZ може да бъде оптимизиран. Една такава закалена чрез трансформация керамика от цирконий-алуминий, която предлагаме, е BIOLOX delta, която може да се използва за носещи компоненти на ортопедията, като протези на тазобедрената става.

Индуцираната от стрес трансформация от метастабилна тетрагонална към моноклинна структура на YSZ предизвиква обемно разширение и деформация на срязване, които противодействат на разпространението на пукнатини, увеличаване на якостта на счупване, като същевременно подобрява якостта на огъване. Ефективността на такава закалена чрез трансформация алуминиев оксид-YSZ керамика зависи от условията на обработка, както и от нейната стехиометрия на съставните оксиди в процеса на синтероване.

Лошо контролираните условия на синтероване могат да доведат до ниска якост на огъване и лоша хомогенност на алуминиев оксид-YSZ матрица, потенциално поради задържане на въздух или агломерация на частици. Чрез добавяне на добавки като итриев или магнезиев оксид, човек може да намали температурата на тетрагонална до моноклинна трансформация и да подобри свойствата на синтероване на циркония.

Отлична устойчивост на износване

ZTA не само превъзхожда по отношение на устойчивост на термичен шок и устойчивост на корозия, но също така е силно устойчив на износване благодарение на механизма си за тетрагонално-монклинична фазова трансформация. Освен това, in vitro проучвания разкриха, че ZTA компонентите са по-малко склонни към хидротермално разграждане – нещо от голямо значение в керамиката на бедрената глава и чашката за смяна на тазобедрената става (като BIOLOX delta, произведен от CeramTec).

Симулирани тестове за износване, извършени върху ZTA компоненти, изработени от композитни материали алуминий-цирконий, дадоха впечатляващи резултати по отношение на устойчивостта на износване, якост и твърдост на огъване. ZTA проби, изложени на множество цикли в симулатора на тазобедрената става, показват минимално разграждане със значително по-ниска грапавост на повърхността в сравнение с монолитните компоненти от цирконий.

Компонентите на ZTA се оказаха подходящи за взискателни приложения в автомобилното производство (инструменти за горещо и студено формоване, ролки и капстани за затваряне на консерви); енергийна индустрия (лагери, вложки за отвори и вихрови търсачи); преработка на храни (хомогенизиране на части на помпата); и енергийната индустрия. Механичните им свойства зависят от много променливи: начини на приготвяне, използвани за приготвяне на прахове; методи за сушене, използвани по време на калциниране; техники за оформяне, приети по време на техники за синтероване; индивидуално оформяне; добавени добавки и разпределение на размера на частиците между другото.

Отлична здравина

ZTA керамиката използва индуцирана от напрежение трансформация, за да интегрира циркония в алуминиева матрица, увеличаване на здравината и издръжливостта с времето. Това прави ZTA отлично керамично решение за индустриални приложения, изискващи издръжливост, висока устойчивост на корозия, толерантност към термичен шок и толерантност към термичен шок.

Под напрежение, тетрагоналните метастабилни утайки в кубичния двуалуминиев оксид претърпяват рязка трансформация в моноклинни частици, които увеличават неговата якост на счупване чрез създаване на компресивни повърхностни слоеве, които се прилепват към пукнатини в неговата матрица.

Трансформационното закаляване е явление, известно като закаляване на счупване, при което повишената якост на счупване на двуалуминиевия оксид води до по-къса дължина на пукнатината, по-малко затъпяване на пукнатини, и подобрени взаимодействия с вече съществуващи микропукнатини. Това позволява комбинации твърдо върху твърдо и твърдо върху меко лагеруване, които се използват в съвременната медицинска керамика, като протези на тазобедрената става. Освен това, Циркониеви импланти, стабилизирани с итрий, известни като y-TZP, осигуряват защита от износване с течение на времето.