Cirkonijski kaljeni aluminij – Poboljšana snaga za industrijsku izvrsnost

Cirkonijski kaljeni aluminij (ZTA) je izuzetna keramika, odlikuje se visokom žilavošću i otpornošću na lom zahvaljujući itrijem stabiliziranim cirkonijevim česticama raspršenim kroz matricu aluminijevog oksida.

Ovaj materijal može izdržati brze promjene temperature bez pucanja ili lomljenja, otporan je na kemijsku koroziju i nudi izvrsnu otpornost na toplinski udar.

Izvrsna otpornost na koroziju

ZTA keramika nudi idealnu ravnotežu između snage i vrijednosti, jača je od proizvoda od glinice, ali je jeftinija od čistog cirkonijevog oksida. Njihova mehanička svojstva – žilavost loma, savojna čvrstoća i tvrdoća kao i otpornost na toplinski udar – čine ih prikladnima za izradu industrijskih alata poput reznih kotača.

ZTA postiže vrhunska svojstva zahvaljujući dodatku cirkonijeva oksida stabiliziranog itrijem (YSZ) čestice unutar matrice glinice. Kada se ravnomjerno rasporedi, YSZ pomaže optimizirati tvrdoću i otpornost na lom i vlačnu čvrstoću oba elementa, što rezultira iznimnom otpornošću na trošenje, kemijska inertnost na sobnoj temperaturi i tvrdoća/čvrstoća na vruće za izniman keramički materijal.

ZTA proizvodi’ mehanička svojstva uvelike ovise o njihovim načinima obrade za proizvodnju praha, uključujući toplinske tretmane, metode kalcinacije, tehnike sušenja i procesi sinteriranja kao i prilagođeno oblikovanje s dodacima dodanim tijekom proizvodnje. Svi ti čimbenici imaju trenutni učinak na njihovu snagu, svojstva elastičnosti i tvrdoće.

Izvrsna otpornost na toplinski udar

ZTA keramika nudi izvrsnu otpornost na toplinski udar, što ih čini izvrsnim izborom za aplikacije u zrakoplovstvu koje zahtijevaju visoku razinu čvrstoće, žilavost, i kemijska inertnost. Kada je ravnomjerno raspoređen unutar matrice glinice, YSZ se može optimizirati. Jedna takva transformacijski ojačana cirkonij-aluminij keramika koju nudimo je BIOLOX delta koja se može naći u upotrebi za ortopedske nosive komponente kao što su nadomjesci kuka.

Naprezanjem izazvana transformacija iz metastabilne tetragonalne u monokliničku strukturu YSZ-a proizvodi volumensku ekspanziju i smično naprezanje koje sprječavaju širenje pukotine, povećanje žilavosti loma uz istodobno poboljšanje čvrstoće na savijanje. Izvedba takve keramike očvrsnute transformacijom aluminijevog oksida-YSZ ovisi o uvjetima obrade kao i o stehiometriji sastavnih oksida u procesu sinteriranja.

Loše kontrolirani uvjeti sinteriranja mogu rezultirati niskom čvrstoćom na savijanje i slabom homogenošću aluminij-YSZ matrice, potencijalno zbog zadržavanja zraka ili aglomeracije čestica. Dodavanjem aditiva poput itrijevih ili magnezijevih oksida, može se smanjiti temperatura tetragonalne do monoklinske transformacije i poboljšati svojstva sinteriranja cirkonijevog oksida.

Izvrsna otpornost na trošenje

ZTA ne ističe se samo u pogledu otpornosti na toplinski udar i otpornosti na koroziju, ali je također vrlo otporan na habanje zbog svog mehanizma za tetragonalno-monklinsku faznu transformaciju. Nadalje, In vitro studije su otkrile da su ZTA komponente manje sklone hidrotermalnoj degradaciji – nešto od velikog značaja u keramici glave femura i čašice zamjene kuka (kao što je BIOLOX delta koju proizvodi CeramTec).

Simulirani testovi trošenja izvedeni na ZTA komponentama izrađenim od kompozitnih materijala aluminijevog oksida i cirkonija dali su impresivne rezultate u pogledu otpornosti na habanje, čvrstoća i tvrdoća na savijanje. ZTA uzorci izloženi višestrukim ciklusima u simulatoru kuka pokazali su minimalnu degradaciju sa znatno manjom hrapavošću površine od monolitnih cirkonijevih komponenti.

ZTA komponente su se pokazale prikladnima za zahtjevne primjene u proizvodnji automobila (alat za toplo i hladno oblikovanje, valjci za zatvaranje limenki i zakretnici); energetska industrija (ležajevi, umeci otvora i tražila vrtloga); obrada hrane (homogeniziranje dijelova pumpe); i energetska industrija. Njihova mehanička svojstva ovise o mnogim varijablama: načini pripreme koji se koriste za pripremu pudera; metode sušenja koje se koriste tijekom kalcinacije; tehnike oblikovanja usvojene tijekom tehnika sinteriranja; prilagođeno oblikovanje; dodani aditivi i raspodjela veličine čestica između ostalog.

Izvrsna čvrstoća

ZTA keramika koristi transformaciju izazvanu naprezanjem za integraciju cirkonijevog oksida u matricu glinice, povećanje snage i trajnosti tijekom vremena. To čini ZTA izvrsnim keramičkim rješenjem za industrijske primjene koje zahtijevaju žilavost, visoka otpornost na koroziju, tolerancija na toplinski udar i tolerancija na toplinski udar.

Pod naporom, tetragonalni metastabilni precipitati u kubičnom aluminijevom oksidu prolaze kroz naglu transformaciju u monoklinske čestice koje povećavaju njegovu otpornost na lom stvaranjem kompresijskih površinskih slojeva koji prianjaju na pukotine unutar njegove matrice.

Transformacijsko očvršćavanje je fenomen poznat kao očvršćavanje lomom, pri čemu povećana žilavost glinice na lom rezultira kraćom duljinom pukotine, manje otupljivanje pukotina, i poboljšane interakcije s već postojećim mikropukotinama. To omogućuje kombinacije ležaja tvrdo-na-tvrdo i tvrdo-na-mekom koje se koriste u modernoj medicinskoj keramici kao što su nadomjesci kuka. Nadalje, Itrijem stabilizirani cirkonijevi implantati poznati kao y-TZP pružaju zaštitu od trošenja tijekom vremena.