ジルコニアセラミックスとアルミナセラミックスの耐摩耗性

導入

今日、エンジニアは高い耐摩耗性が求められる用途に、ジルコニアセラミックとアルミナセラミックを採用しています。なぜでしょうか？それは、これら2つが先端セラミックス業界において優れた研磨材だからです。興味深いことに、これらのセラミックは類似した特性を持つため、エンジニア、メーカー、そして一部の整形外科医にとって、どちらが優れているかを判断するのは容易ではありません。さて、ここで疑問に思われているかもしれません。「では、最も耐摩耗性に優れたセラミックはどれでしょうか？」本日の記事では、このよくある質問にお答えするとともに、ジルコニアとアルミナが優れた耐摩耗性を発揮する主な特性をご紹介します。それぞれの性能基準と違いについてご紹介します。さっそく見ていきましょう！

ジルコニアおよびアルミナセラミックスの耐摩耗性

摩擦による摩耗や裂傷のため、今日多くの企業や業界は、摩擦、摩耗、裂傷の影響に強い、または軽減する能力を持つテクニカルセラミック材料を求めています。ジルコニアとアルミナセラミックは非常に強靭な材料で、過酷な作業にも耐えることができます。ジルコニアの耐摩耗性は非常に高いため、機器の寿命と性能基準を効果的に維持できます。それほどかさばらず、簡単には壊れないセラミック材料を想像してみてください。非常に強靭であるため、2,100°Cに達する異常な高温下でも、割れるには厳しいプロセスを経る必要があります。高温条件下で何時間も休みなく稼働する産業機械部品は、絶え間ない摩擦による摩耗や裂傷のリスクがあることに同意していただけるでしょう。では、これらの機械部品のコーティングや製造に、ジルコニア以外のどのような材料を検討すればよいでしょうか?

アルミナもまた非常に硬い素材で、ジルコニアと同様の特性を持っています。ジルコニアと互角に渡り合える数少ない先進セラミックスの一つです。モース硬度は9と非常に高く、耐摩耗性にも優れています。つまり、ジルコニアと同様に、丈夫な機械部品の製造にも使用できるということです。しかし、アルミナセラミックスはジルコニアよりも熱伝導性と電気伝導性がわずかに優れているものの、どちらも優れた耐摩耗性を備えています。整形外科医、病院でエナメル質や歯牙を扱う歯科医、重機、自動車部品、電気機器、産業機器などを製造しようとしているエンジニアやメーカーにとって、これらの素材のどちらが最適な選択肢でしょうか？難しい選択ですよね？ご安心ください。次のセクションでは、事例を用いてそれぞれの素材の違いについて解説していきます。

ジルコニアセラミックスと酸化アルミニウムセラミックス

ジルコニア（ZrO2）セラミック

ジルコニアは、ジルコニア酸化物（ZrO2）とも呼ばれる非常に強靭な結晶性セラミック材料です。ジルコニウムの酸化物として形成され、自然界ではジルコニアと呼ばれる形で存在します。 バデレ石 外観は象牙色または黄色がかった色です。ジルコニア製品は、高い強度と安定性、極度の高温、破損、機械的ストレス、腐食性化学物質への強い耐性により、セラミック市場で最高の研磨材として認められています。並外れた高密度と耐摩耗性により、過酷な条件下でも最高の結果を得ることができます。様々な形状とサイズのジルコニアセラミックは、耐火物、ベアリング、重機部品、電子機器、自動車、航空宇宙用途に最適な部品です。

ジルコニアは高温にさらされると様々な形態に変化するため、イットリアやセリアといった安定剤が使用されます。そのため、ジルコニア強化アルミナ（ZTA）、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニアといった様々なグレードが提供されています。ジルコニアは生体適合性が非常に高く、摩耗しにくく、体内の化学物質と悪影響を及ぼさないことが発見されたため、外科医や整形外科医は骨や歯に関する症例にジルコニアを使用しています。

ジルコニアは今日、非常に高価で入手・生産が困難であるにもかかわらず、需要の高い商品となっており、主に優れた耐摩耗性により、世界全体で1兆4900億ユーロを超える売上高を記録しています。市場メーカーは現在、61兆3000億ユーロの年平均成長率（CAGR）を予測しています。ジルコニアセラミックは、熱焼成、塩素処理、炭化処理、水酸化ナトリウム（NaOH）または重炭酸ナトリウム（NaCO3）を用いて約2,800℃の高温で自然発生するジルコニアを分解する処理など、いくつかの方法で製造できます。まだ生産を開始していない場合は、当社からジルコニアセラミックをご購入いただけます。 GGSCeramics. 当社は、市場で入手可能な最高品質のジルコニア製品を提供する信頼できるサプライヤーです。

ジルコニアセラミックスの特性

さて、ジルコニア (ZrO2) の非常に魅力的で耐摩耗性に優れた特性は次のとおりです。

• 固体破壊靭性値は 10 MPa·√m です。

• ビッカース硬度は 1,220、モース硬度は 8.5 です。

• 20℃では曲げ強度は180MPa～1000MPaです。

• 弾性率は約250GPAです。

• 融点は1170℃から2700℃の範囲です。

• 非常に高い圧縮強度、靭性、生体適合性を備えています。

• 密度は最大6.2G/Ccです。

• 約 300V/mil の絶縁強度を備えています。

• 700℃に達する温度でも体積抵抗率は5×10-3です。

• 20℃では300MPaという驚異的な引張強度を誇ります。

• 吸水率はゼロです。

• 高い耐衝撃性を備え、 熱伝導率 3.5W/mkの

ジルコニアセラミックスの産業用途

これらのジルコニアセラミック製品を使用できる理想的なケースは次のとおりです。

• エナメル質と骨の生産における医療分野

• 高いストレスと厳しい動作温度または環境を伴う機械工学アプリケーション

• ボールベアリングおよび重機リングの製造

• 電子部品の製造

• 航空宇宙用途

• 特にジルコニア強化アルミナグレードタイプを使用した、粉砕ジャー、メディア、またはモルタルの製造。

• バルブ、ポンプ、分析機器などのその他の構造セラミック部品の製造

アルミナ（Al2O3）セラミックス

アルミナセラミックは、酸化アルミニウム（Al2O3）セラミックとも呼ばれ、アルミニウムと酸素から工業的に製造されます。白色またはピンク色の結晶性化合物で、商業的にはコランダムと呼ばれていますが、天然に存在するボーキサイトから主に生産されます。ジルコニアと同様に、アルミナも非常に優れた耐摩耗性を持つ工業用セラミックです。ジルコニアよりも安価な代替品であり、幅広い化学的・電気的特性を備えているため、多くの産業で活用されています。興味深いことに、これらの特性は製造工程で添加剤を使用することでさらに向上させることができます。様々な製造工程には、スリップキャスト、ダイヤモンド切削、静水圧プレス、射出成形などがあります。

アルミナセラミックは、製造に高純度のアルミニウムを使用しているため、耐腐食性、耐摩耗性、耐引裂性に優れています。つまり、純アルミナ含有量が多いほど、耐摩耗性と熱伝導性が向上します。また、アルミナセラミックには様々なグレードがあり、例えば、水和アルミナ、焼成アルミナ、板状アルミナなどがあります。これらはすべて、製造元が使用する酸化アルミニウム含有量、各種成分、添加剤に基づいています。

アルミナセラミックは、その優れた特性の数々により、現在、世界のセラミックス市場で大きな人気を集めています。その特性には以下のようなものがあります。

• 破壊靭性4.5MPa·√m

• 弾性率400GPa

• 2,000℃までの温度に耐える能力

• 密度3.965g/cm3

• 約3,500 MPaの非常に高い圧縮強度

• 高温でも強酸や強アルカリの攻撃に耐える能力

• 高い t耐熱衝撃性 熱伝導率

• 硬度18GPa

• 引張強度200MPa

• 25℃で500～600MPaの曲げ強度

• 25℃で45W/mKの熱伝導率

• 25℃で16kV/mmの絶縁耐力

• 体積抵抗率は 10¹⁴ ～ 10¹⁶ の範囲です。

酸化アルミニウムセラミックスの産業用途

アルミナセラミックの耐摩耗性を適用し、有効活用する方法としては、次のものがあります。

• タップバルブや産業機械部品などの摩耗の激しい部品を製造できます

• 電気部品および高電圧絶縁体の製造

• ボールベアリング、レーザーチューブ、ローラー、シールリング、精密シャフトなどの機械部品の製造。

• アルミナセラミックから有用な半導体部品が得られます

• ブラストノズルや炉ライニングの製造に役立ちます

• 軍隊では、弾丸、防弾チョッキ、防弾装甲、熱電対の製造にこれを利用しています。

• 航空宇宙産業と自動車産業では、車両のスペアパーツや宇宙船の製造にアルミナセラミックを利用しています。

ジルコニアセラミックスと酸化アルミニウムセラミックスの比較

ここまでの議論で、最も耐摩耗性に優れたセラミックはどれかという問題は解決しました。これら2つのセラミック材料の技術的優位性はご理解いただけたと思います。実際、ジルコニアは、購入と製造コストが高いにもかかわらず、高精度技術用途において、より優れた耐久性を持つ耐摩耗性セラミックとして優位に立っています。一方、アルミナは、要求の厳しくない用途では、より安価で一般的に使用されています。ジルコニアセラミックとアルミナセラミックの耐摩耗性の違いを明確に示す表を以下に示します。

ジルコニアセラミックと酸化アルミニウムセラミックのどちらを選ぶかは、医師、エンジニア、あるいは優れた耐摩耗性セラミック材料を求める方など、お客様のニーズや用途に応じてお選びください。

よくある質問

ジルコニア酸化物 (ZrO2) が優れた熱伝導体ではないのはなぜですか? 

これは、ZrO2 の結晶構造における酸素原子とジルコニアの配置によるものです。

ジルコニアも金属と呼べるのでしょうか？

いいえ、電気を伝導できるので、セラミック材料または半導体金属酸化物と呼ぶことができます。

これら 2 つのセラミック材料のうち、医療用インプラントに適しているのはどちらですか?

ジルコニアは、その強靭な性質、優れた生体適合性、極度のストレスや骨折に耐える能力により、医療用/外科用インプラントに適している傾向があります。

結論

ジルコニアとアルミナは、あらゆる摩耗や損傷に耐える機器の製造への道を開きました。高応力条件、過酷な動作温度、突然の破損など、どのような状況下でも比類のない信頼性は、ほぼすべてのメーカーとユーザーが求めているものです。今こそ、これら2つの大物セラミックスに投資し、限界を打ち破る絶好の機会です。ぜひお気軽にお問い合わせください。 GGSCeramics 最高品質のジルコニア、ジルコニア強化アルミナ、そしてアルミナセラミック製品をお探しですか？今すぐお申し込みください！