Resistenza all'usura della zirconia rispetto alla ceramica di allumina

Introduzione

Oggi gli ingegneri si rivolgono alle ceramiche di zirconia e allumina per applicazioni che richiedono un'elevata resistenza all'usura. Perché? Perché queste due sono eccellenti abrasivi nel settore delle ceramiche avanzate. È interessante notare che hanno proprietà simili, il che rende difficile per ingegneri, produttori e alcuni ortopedici scegliere la migliore tra le due. Probabilmente ora vi starete chiedendo: qual è la ceramica più resistente all'usura? L'articolo di oggi risponderà a questa domanda frequente e vi mostrerà anche alcune proprietà chiave che rendono la zirconia e l'allumina eccellenti nella resistenza all'usura. Imparerete a conoscere i loro standard prestazionali e a comprenderne le differenze. Immergiamoci subito!

Resistenza all'usura della zirconia e della ceramica di allumina

L'usura causata dall'attrito ha spinto molte aziende e industrie oggi a ricercare materiali ceramici tecnici con una forte capacità di resistere o ridurre l'impatto di attrito e usura. La zirconia e la ceramica di allumina sono materiali molto resistenti, in grado di sopportare lavori pesanti. La resistenza all'usura della zirconia è così elevata da poter preservare efficacemente la durata e gli standard prestazionali delle vostre attrezzature. Immaginate un materiale ceramico che non sia così ingombrante, ma che non si rompa facilmente. È così resistente che anche a temperature estreme, fino a 2.100 °C, sarebbe comunque necessario un processo rigoroso per romperlo. Sarete d'accordo sul fatto che i componenti di macchinari industriali che lavorano instancabilmente per ore in condizioni di calore sono a rischio di usura a causa del costante attrito. Quindi, quale altro materiale prendereste in considerazione per il rivestimento o la produzione di alcuni di questi componenti meccanici se non la zirconia?

L'allumina è un altro materiale molto duro, con proprietà simili alla zirconia. È una delle poche ceramiche avanzate sul mercato in grado di competere con la zirconia. Infatti, ha un brillante punteggio di durezza di 9 sulla scala di Mohs e anche la sua resistenza all'usura è impressionante. Questo significa che, come la zirconia, può essere utilizzata anche per realizzare componenti meccanici resistenti. Tuttavia, le ceramiche di allumina tendono a condurre calore ed elettricità leggermente meglio della zirconia; entrambe mantengono comunque un'eccezionale resistenza all'usura. Quindi, che tu sia un chirurgo ortopedico, un dentista che lavora con smalti e denti in ospedale, un ingegnere o un produttore che desidera realizzare macchinari pesanti, pezzi di ricambio per veicoli, apparecchiature elettriche e industriali, quale di questi materiali sarebbe la scelta migliore? Una scelta difficile, vero? Non preoccuparti, ne analizzeremo le differenze con casi studio nelle prossime sezioni.

Ceramica di zirconia vs ceramica di ossido di alluminio

Ceramica di zirconia (ZrO2)

La zirconia è un materiale ceramico cristallino molto resistente, chiamato anche ossido di zirconia (ZrO₂). Si forma come ossido di zirconio ed esiste in natura in una forma chiamata Baddeleyite e presenta un aspetto di colore bianco avorio o giallastro. I prodotti in zirconia sono eccezionali e considerati i migliori abrasivi sul mercato ceramico grazie alla loro elevata resistenza e stabilità, alla forte resistenza a temperature estremamente elevate, alle fratture, alle sollecitazioni meccaniche e agli agenti chimici corrosivi. La loro densità insolitamente elevata e la resistenza all'usura consentono di ottenere i massimi risultati anche in condizioni sfavorevoli. Le ceramiche in zirconia, nelle loro diverse forme e dimensioni, sono componenti ideali per applicazioni in refrattari, cuscinetti, componenti di macchinari pesanti, elettronica, automobilistica e aerospaziale.

Si trasforma in diverse forme a contatto con alte temperature, da qui l'utilizzo di stabilizzanti come l'ittria e la ceria. Questo spiega la disponibilità di diversi gradi come l'allumina rinforzata con zirconia (ZTA), la zirconia stabilizzata con magnesia, la zirconia stabilizzata con ittria e la zirconia stabilizzata con ceria. In qualche modo, si è scoperto che la zirconia è altamente biocompatibile e, poiché non si usura facilmente e non reagisce negativamente con le sostanze chimiche presenti nell'organismo, chirurghi e ortopedici ora la utilizzano in casi di patologie ossee e dentali.

Oggi la zirconia è diventata un prodotto commerciale molto richiesto, nonostante sia molto costosa, difficile da reperire e produrre, registrando vendite globali di oltre 1900 milioni di tonnellate, principalmente grazie alla sua eccellente capacità di resistere all'usura. Gli operatori di mercato stimano un tasso di crescita annuo composto (CAGR) di 61 tonnellate. Si può affermare con certezza che è possibile produrre ceramiche di zirconia utilizzando diversi metodi, come la calcinazione termica, la clorurazione, la carburazione, utilizzando idrossido di sodio (NaOH) o bicarbonato di sodio (NaCO3) per decomporre la forma naturale ad alte temperature di circa 2.800 °C. Se non siete ancora pronti per la produzione, potete acquistare ceramiche di zirconia da noi. GGSCeramics. Siamo fornitori affidabili di alcuni dei migliori prodotti in zirconia che puoi trovare sul mercato.

Proprietà della ceramica di zirconia

Ecco alcune proprietà della zirconia (ZrO2) che la rendono davvero attraente e resistente all'usura:

• Presenta una solida tenacità alla frattura pari a 10 MPa·√m.

• La sua durezza Vickers è 1.220 e 8,5 sulla scala di durezza Mohs.

• A 20°C, la sua resistenza alla flessione è compresa tra 180 MPa e 1000 MPa.

• Ha un modulo elastico di circa 250 GPA.

• Il suo punto di fusione varia da 1170°C a 2700°C.

• Presenta un'elevata resistenza alla compressione, tenacità e biocompatibilità.

• Ha una densità fino a 6,2 G/Cc.

• Possiede una rigidità dielettrica di circa 300 V/mil.

• Ha una resistività di volume di 5 x 10-3 a temperature che raggiungono i 700°C.

• A 20°C presenta una magnifica resistenza alla trazione di 300 MPa.

• Ha un tasso di assorbimento dell'acqua pari a zero.

• Possiede un elevato livello di resistenza agli urti e conduttività termica di 3,5W/mk.

Applicazioni industriali della ceramica di zirconia

Ecco alcuni casi ideali in cui è possibile utilizzare questi prodotti in ceramica di zirconia:

• Il campo medico nella produzione di smalti e ossa

• Applicazioni di ingegneria meccanica che comportano stress elevato e temperature o ambienti di lavoro intensi

• Produzione di cuscinetti a sfere e anelli per macchine pesanti

• Produzione di componenti elettronici

• Applicazioni aerospaziali

• Produzione di giare, supporti o mortai per la macinazione, in particolare con l'ausilio di allumina rinforzata con zirconia.

• Produzione di altre parti strutturali in ceramica in valvole, pompe e strumenti analitici

Ceramica di allumina (Al2O3)

Le ceramiche di allumina, note anche come ceramiche di ossido di alluminio (Al₂O₂), sono prodotte industrialmente a partire da alluminio e ossigeno. Si tratta di un composto cristallino bianco o talvolta rosato, commercialmente chiamato corindone, sebbene sia possibile ottenerlo principalmente dalla bauxite, la sua forma naturale. Come la zirconia, anche l'allumina è una ceramica tecnica molto brillante e resistente all'usura. È un'alternativa più economica alla zirconia, con un'ampia gamma di proprietà chimiche ed elettriche che la rendono utile in molti settori industriali. Un aspetto interessante è che queste proprietà possono essere migliorate utilizzando additivi nel processo produttivo. Alcuni dei vari processi produttivi includono la colata in barbottina, la lavorazione al diamante, la pressatura isostatica e lo stampaggio a iniezione.

Le ceramiche di allumina sono eccellenti per resistere alla corrosione e all'usura grazie all'alluminio altamente puro utilizzato per la loro produzione. Ciò significa che maggiore è il contenuto di allumina pura, migliori sono la resistenza all'usura e la conduttività termica. Esistono diversi gradi di ceramiche di allumina, tra cui l'allumina idrata, l'allumina calcinata, l'allumina tabulare, ecc. Tutti questi gradi si basano sul contenuto di ossido di alluminio, sui vari componenti e sugli additivi utilizzati dal produttore.

Le ceramiche di allumina stanno guadagnando sempre più popolarità nel mercato ceramico globale grazie alle loro numerose e straordinarie proprietà. Tra queste:

• Una tenacità alla frattura di 4,5 MPa·√m

• Un modulo elastico di 400 GPa

• La sua capacità di resistere a temperature fino a 2.000°C

• Una densità di 3,965 g/cm3

• Una resistenza alla compressione molto elevata di circa 3.500 MPa

• La sua capacità di resistere all'attacco di acidi o alcali forti, anche ad alte temperature

• Un alto Tresistenza agli urti termici e conduttività termica

• Una durezza di 18 GPa

• Una resistenza alla trazione di 200 MPa

• Una resistenza alla flessione tra 500-600 MPa a 25°C

• Una conduttività termica di 45 W/mK a 25 °C

• Una rigidità dielettrica di 16 kV/mm a 25 °C

• Una resistività di volume compresa tra 10¹⁴ e 10¹⁶.

Applicazioni industriali della ceramica di ossido di alluminio

Ecco alcuni modi in cui è possibile applicare e sfruttare con successo la resistenza all'usura della ceramica di allumina:

• È possibile produrre componenti soggetti a usura elevata come valvole di intercettazione e parti di macchine industriali

• Produzione di componenti elettrici e isolatori ad alta tensione

• Produzione di componenti per macchine come cuscinetti a sfere, tubi laser, rulli, anelli di tenuta, alberi di precisione, ecc.

• È possibile ottenere utili componenti semiconduttori dalla ceramica di allumina

• Può aiutarti a produrre ugelli di sabbiatura e rivestimenti per forni

• L'esercito lo utilizza per la produzione di proiettili, giubbotti antiproiettile, blindature balistiche e termocoppie.

• L'industria aerospaziale e quella automobilistica utilizzano la ceramica di allumina nella produzione di pezzi di ricambio per veicoli e veicoli spaziali.

Confronto tra ceramica di zirconia e ceramica di ossido di alluminio

Dalla discussione finora condotta, la questione della ceramica più resistente all'usura è stata risolta. Avete visto quanto siano tecnicamente validi questi due materiali ceramici. Il fatto è che la zirconia si sta affermando come una ceramica resistente all'usura migliore e più durevole per applicazioni tecniche ad alta precisione, nonostante gli elevati costi di acquisto e produzione. Mentre l'allumina è un'opzione più economica e più comunemente utilizzata per applicazioni meno impegnative. Ecco una tabella che mostra la netta differenza tra la resistenza all'usura della zirconia e della ceramica di allumina.

Quindi, tra zirconia e ceramica all'ossido di alluminio, la scelta spetta a voi. A seconda di ciò che desiderate e dei risultati che intendete ottenere dalla vostra applicazione, che siate medici, ingegneri o chiunque cerchi materiali ceramici resistenti all'usura di alta qualità.

Domande frequenti

Perché l'ossido di zirconia (ZrO2) non è un buon conduttore termico? 

Ciò è dovuto alla disposizione degli atomi di ossigeno e di zirconia nella struttura cristallina di ZrO2.

La zirconia può essere definita anche metallo?

No, può essere definito materiale ceramico oppure ossido metallico semiconduttore, perché può condurre elettricità.

Quale di questi due materiali ceramici è migliore per gli impianti medici?

La zirconia tende a essere più adatta agli impianti medico-chirurgici per via della sua natura resistente, dell'elevata biocompatibilità e della capacità di resistere a stress/fratture estreme.

Conclusione

Zirconia e allumina hanno aperto la strada alla produzione di apparecchiature in grado di resistere a qualsiasi forma di usura. La loro imbattibile affidabilità, sia in condizioni di stress elevato, temperature di lavoro elevate o rotture improvvise, è qualcosa che quasi tutti i produttori e gli utenti ricercano. Ora è il momento migliore per investire e superare i confini della ceramica globale come questi due pesi massimi. La buona notizia è che potete contattarci rapidamente all'indirizzo GGSCeramics Per i migliori prodotti in zirconia, allumina rinforzata con zirconia e ceramica di allumina. Non aspettare! Unisciti subito al treno in movimento!