Трансформационное упрочнение циркония: как эта керамика становится невероятно прочной?

Возможно, вы слышали о том, что диоксид циркония используется в промышленных деталях или зубных коронках благодаря своей прочности. Но задумывались ли вы когда-нибудь, почему эта керамика такая прочная? Секрет кроется в процессе, называемом трансформационным упрочнением. В этой статье вы узнаете, как это работает.

Как работает процесс упрочнения с использованием циркониевой трансформации?

Источник

Также известен как Диоксид цирконияЦирконий — летучий материал, который существует в трех различных кристаллических фазах.

• Моноклинная фаза (при комнатной температуре)

• Тетрагональная фаза (при более высокой температуре)

• Кубическая фаза (при очень высокой температуре)

Это работает так - когда цирконий (zro2) При охлаждении от высоких температур он переходит из тетрагональной в моноклинную фазу. При этом происходит расширение объёма в диапазоне температур 3-4%, что может привести к образованию трещин в материале. Конечно, это нежелательно, но при определённых условиях это превращение можно контролировать и использовать в своих интересах.

Вот в чем трюк - сохраняйте керамика zro2 в тетрагональной фазе путем добавления стабилизаторов, таких как иттрий (Y₂O₃), магнезия (MgO) и др. Эти элементы контролируют размер зерна, предотвращая нежелательные фазовые превращения. В результате твёрдость диоксида циркония сохраняется независимо от изменения температуры.

В этом случае переход в моноклинную фазу может быть вызван только приложением напряжения. Таким образом, когда трещина начинает формироваться, напряжение, окружающее вершину, запустит её переход в моноклинную фазу.

Трансформация происходит за счёт расширения объёма, которое запечатывает трещину, затрудняя её дальнейшее распространение. трансформация закалённого циркония Имеет защитный механизм, предотвращающий растрескивание. В то время как другие материалы становятся слабее при растрескивании, Керамика из оксида циркония становится сильнее.

Реальные применения трансформационного упрочнения диоксида циркония

Источник

• Дентальные имплантаты, мосты и коронки: Цирконий используется для зубных протезов, поскольку он выдерживает жевательную нагрузку без сколов и трещин. Кроме того, он биосовместим, поэтому не вызывает никаких побочных реакций со стороны организма.

• Режущие инструменты: Металлисты и станочники предпочитают цирконий при изготовлении ножей и лезвий, поскольку он невероятно прочный. Кроме того, он лучше работает при высокоскоростной резке, которая может привести к растрескиванию других материалов.

• Теплоизоляционные покрытия: Теплопроводность оксида циркония довольно низкая, что делает его идеальным теплоизолятором. Поэтому инженеры аэрокосмической отрасли используют его в качестве теплозащитного покрытия для реактивных двигателей и газовых турбин. Он защищает металлические компоненты от экстремальных температур и термоциклирование и улучшить продолжительность их жизни.

• Ортопедические имплантаты: Цирконий используется для эндопротезирования тазобедренных и коленных суставов из-за его устойчивости к нагрузкам и износу при движениях тела.

• Автомобильные компоненты: Некоторые компоненты двигателя, детали топливных форсунок и клапаны изготовлены из циркониевого материала, что обеспечивает высокую износостойкость. Кристаллическая структура диоксида циркония идеально подходит для высокопроизводительных двигателей, поскольку выдерживает высокие температуры и механические нагрузки.

• Хирургические инструменты: Этот материал используется для изготовления пинцетов, ножниц и скальпелей, чтобы они оставались острыми, не подверженными коррозии и износостойкими. Кроме того, они долговечны и устойчивы к поломкам даже после многочисленных циклов стерилизации.

• Промышленные уплотнения и подшипники: Диоксид циркония используется для изготовления подшипников и уплотнений, способных выдерживать большие нагрузки, трение и суровые условия.

• Роскошные часы: Цирконий используется для изготовления корпусов многих известных вам часов класса люкс. Они предпочитают этот материал, потому что он делает корпуса лёгкими, устойчивыми к царапинам, привлекательными и долговечными.

В большинстве случаев производителям приходится довольствоваться лучшим материалом циркониевые и керамические шлифовальные ленты. Однако, если речь идет о высоконагруженных применениях, цирконий оказывается на первом месте.

Проблемы трансформации циркония в упрочняющую пропитку и их решения

Низкотемпературная деградация (старение)

Источник

Старение — основная проблема, связанная с процессом трансформационного упрочнения. Видите ли, когда диоксид циркония подвергается воздействию влаги и низких температур, происходит нежелательное фазовое превращение. В результате он становится менее прочным, появляются микротрещины, приводящие к образованию шероховатостей на поверхности.

Решение: Используйте высокочистые материалы с современными стабилизаторами, такими как церий (CeO₂), вместо традиционного оксида иттрия (Y₂O₃). Это повысит устойчивость диоксида циркония к старению.

Цирконий становится хрупким, если размер зерна слишком велик

Упрочненный диоксид циркония Материал может потерять прочность, если размеры зерен в тетрагональной фазе чрезмерно увеличиваются. Чем крупнее зерно, тем более склонен материал к спонтанным превращениям без внешнего напряжения. В результате вы заметите, что материал становится более подверженным растрескиванию.

Вы, возможно, задаетесь вопросом, почему циркониевая керамика, которая должна быть прочной, может иметь большой размер зерна. Возможно, материал не прошёл надлежащую обработку. спекание Процессы производства. Поэтому частицы не будут равномерно нагреваться ниже температура плавления zro2, что приводит к увеличению размера зерна. Такой диоксид циркония нельзя использовать в изделиях с высокими нагрузками, таких как детали двигателей или режущие инструменты.

Решение: Используйте нанозернистый диоксид циркония. В качестве альтернативы можно точно контролировать температуру и время спекания, чтобы достичь оптимального размера зерна.

Высокие производственные затраты

Производство трансформация закалённого циркония Это сложный процесс. Необходимо добавлять стабилизаторы и точно спекать материал, что гораздо сложнее, чем кажется. Также необходимо строго контролировать размер зерна, фазовую стабильность и чистоту. Поэтому диоксид циркония дороже других керамических материалов.

Решение: Исследователи работают над 3D-печатью и повышением эффективности спекания для снижения производственных затрат.

Ограниченная стойкость к тепловому удару

Источник

Несмотря на прочность, диоксид циркония всё же подвержен термическому удару при резких перепадах температур. При термическом ударе на поверхности, особенно если деталь тонкая, появляются микротрещины.

Решение: Используйте градиентные термические покрытия или гибридная керамика для повышения стойкости к тепловому удару.

Каковы последние достижения в области ужесточения трансформации?

• Нанозернистый диоксид циркония — для усиления эффекта закалки

• Усовершенствованные легирующие присадки — для повышения стойкости к старению и прочности

• Гибридная керамика — сочетание циркония с другими материалами для улучшения характеристик в определенных областях применения.

Заключительные слова

Процесс трансформационного упрочнения — это то, что отличает цирконий от других видов керамики, поскольку он не только делает его прочным, но и самоупрочняющим. Поэтому, когда вы в следующий раз услышите о цирконии, вы поймете, почему он настолько прочен, что предотвращает появление трещин.