Zirkonia is een geavanceerd keramisch materiaal met een breed scala aan toepassingen. Het beschikt over uitstekende eigenschappen. Hardheid is een zeer kritische eigenschap en speelt een doorslaggevende rol in toepassingen zoals tandheelkunde en de lucht- en ruimtevaart.
Hieronder bespreken we de belangrijkste eigenschap van de hardheid van zirkonia.
Wat is zirkonia en waarom is hardheid belangrijk?
De chemische formule van zirkoniumoxide is ZrO₂. Het is een geavanceerd keramisch materiaal dat bekend staat om zijn hoge sterkte, slijtvastheid en thermische stabiliteit. Hardheid wordt onder verschillende prestatie-indicatoren voornamelijk weerspiegeld in de mate waarin het bestand is tegen vervorming en krassen. De hoge hardheid van zirkoniumoxide maakt het een onmisbaar materiaal in diverse duurzame en slijtvaste toepassingen, zoals sommige snijgereedschappen, kronen, prothesen en andere onderdelen.
Zirkonia-hardheid op verschillende schalen
Mohs-hardheid
De hardheid van zirkoonoxide volgens Mohs-schaal is ongeveer 8,5, iets lager dan die van aluminiumoxide (saffier is 9). De hardheid is veel hoger dan die van de meeste metalen en standaardkeramiek, waardoor het zeer goed bestand is tegen krassen en oppervlakteschade in omgevingen met sterke slijtage en corrosie.
Vickers-hardheid
De Vickers-hardheid van zirkoniumoxide ligt tussen 1200 en 1400 HV, en de Vickers-hardheid van verschillende bewerkte componenten kan enigszins verschillen. Deze waarde benadrukt de weerstand tegen plastische vervorming onder geconcentreerde belasting en is een ideale keuze voor sommige precisiegereedschappen en slijtvaste coatings!
Knoop-hardheid
Bij nauwkeurigere toepassingen kan de Knoop-hardheidstest de hardheid van zirkonia meten met waarden die vergelijkbaar zijn met Vickers-metingen. Zo kan de robuustheid ervan bij verschillende testmethoden worden geverifieerd.
Factoren die de hardheid van zirkonia beïnvloeden
Kristalstructuur
Er zijn drie hoofdkristalvormen van zirkonia: monoklinisch, tetragonaal en kubisch. Tetragonaal zirkonia wordt meestal gestabiliseerd met yttriumoxide (Y-TZP) en vertoont de hoogste hardheid dankzij de dichte en uniforme kristalstructuur.
Stabiliserende additieven
Het toevoegen van additieven zoals yttriumoxide (Y₂O₃) en magnesiumoxide (MgO) aan zirkoniumoxide kan de mechanische eigenschappen van zirkoniumoxide, waaronder de hardheid, aanzienlijk verbeteren. Y-TZP wordt "keramisch staal" genoemd vanwege zijn uitstekende hardheid en breuktaaiheid.
Verwerkingstechnologie
Sintertemperatuur, -druk en -tijd spelen een cruciale rol bij het bepalen van de microstructuur en hardheid van zirkoniumoxide. Uitstekende verwerking kan ervoor zorgen dat zirkoniumoxideproducten een minimale porositeit hebben en betere hardheidswaarden bereiken.
Hardheid van zirkonia versus andere materialen
Vergelijking met andere keramiek
Aluminiumoxide:Zirkonia is iets zachter dan aluminiumoxide, maar het is sterker en beter in veel toepassingen.
Siliciumcarbide (SiC) en boorcarbide (B₄C):Deze materialen zijn harder dan zirkonia, maar de breuktaaiheid is slecht. Daarom is zirkonia populairder in omgevingen waar veel impact is.
Vergelijking met metaal
Hoewel zirkoniumoxide niet zo hard is als sommige keramische materialen, is het veel harder dan de meeste metalen, waaronder staal en titanium. Dit maakt het ook ideaal voor veel slijtagegevoelige componenten.
Toepassingen van zirkonia op basis van de hardheid
Industriële gereedschappen en slijtdelen
De hoge hardheid en slijtvastheid van zirkonia maken het tot een effectief slijtvast onderdeel in de automobiel- en luchtvaartindustrie.
Medische en tandheelkundige toepassingen
In de medische sector wordt zirkoniumoxide veel gebruikt in kronen, implantaten en chirurgische instrumenten vanwege de slijtvastheid en biocompatibiliteit.
Sieraden en edelstenen
Kubieke zirkonia heeft een glans die vergelijkbaar is met die van diamant en een extreem hoge hardheid, waardoor het een populair alternatief is in de juwelenindustrie.
Veelgestelde vragen
Wat is de hardheid van zirkonia?
De Mohs-hardheid van zirkoonoxide bedraagt doorgaans 8,5 en de Vickers-hardheid ligt tussen de 1200-1400HV, wat betekent dat het materiaal zeer slijtvast en krasbestendig is.
Hoe verhoudt de hardheid van zirkonia zich tot elkaar?
De hardheid volgens Mohs-schaal van zirkonia bedraagt ook 8,5, maar het wordt vooral gebruikt voor het versieren van sieraden en niet voor industriële toepassingen.
Hoe verhoudt zirkonia zich tot metalen?
Zirkonia is harder dan de meeste metalen, zoals staal en titanium, waardoor het ideaal is voor slijtvaste toepassingen.
Conclusie
De uitstekende hardheid van zirkonium maakt het een toonaangevend materiaal voor industriële en decoratieve toepassingen. Het heeft een zeer hoge slijtvastheid en vervormingsweerstand en behoudt zelfs onder extreme omstandigheden zijn structurele integriteit. Het is een onmisbaar materiaal in veel industrieën.