Cuscinetti in ceramica, le tre cose da sapere sulla Zirconia

In questo articolo parleremo di cuscinetti in ceramica o cuscinetti ceramici in zirconia con un focus speciale proprio sul materiale di questi cuscinetti.

Se nell’articolo precedente abbiamo parlato della tenacizzazione del cuscinetto in ceramica, in questo ci concentreremo sulla zirconia.

materiali Ceramici tenacizzati

Sin dalla scoperta e dello sviluppo della Zirconia stabilizzata, negli anni 1960, la tenacizzazione tramite trasformazione di fase (descritta nel precedente articolo), era considerata una proprietà della zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) con agenti droganti quali yttria, ceria, magnesia. Per riassumere, nella PSZ, le particelle o grani di fase tetragonale sono disperse omogeneamente nella fase cubica. La fase tetragonale, metastabile, cioè instabile, si trasforma in monoclina in fase di sollecitazione meccanica eccessiva, procurando un fenomeno di tenacizzazione del materiale.

In seguito, si comprese che questo fenomeno lo si poteva replicare in altri materiali che avessero come matrice altri materiali come, ad esempio, allumina (ossido di alluminio), in cui vengono disperse particelle di zirconia che funge da agente tenacizzante. In altre parole, esiste tutta una famiglia di materiali ceramici che possono essere tenacizzati con l’aiuto dell’aggiunta di particelle di zirconia, grazie alla trasformazione di fase (tetragonale monoclina) in presenza di sollecitazioni termo-meccaniche.

Nella comunità tecnico-scientifica internazionale, questi materiali ceramici tenacizzati con zirconia sono conosciuti con la sigla ZTC (Zirconia Toughened Ceramics), o anche detti “acciai ceramici”.

Tuttavia, la criticità del processo di preparazione sta nella capacità di mantenere le particelle di Zirconia entro una dimensione critica, al di sotto della quale è possibile mantenere la zirconia in fase metastabile tetragonale, che poi, come descritto prima, e nel precedente articolo, in presenza di una sollecitazione si trasforma in monoclino, scatenando il fenomeno tenacizzante.

Terminologia della Zirconia

Una terminologia specifica è stata sviluppata per descrivere la zirconia stabilizzata e i ceramici tenacizzati con zirconia.

Un materiale con particelle di fase tetragonale in una matrice cubica viene definito zirconia parzialmente tenacizzata, o semplicemente PSZ, a cui si aggiunge un prefisso dell’elemento relativo all’agente stabilizzante (per esempio Ca-PSZ, stabilizzata con CaO, oppure Y-PSZ, stabilizzata con Y2O3, oppure Mg-PSZ, stabilizzata con MgO).

Se aggiungiamo abbastanza stabilizzante, il materiale conterrà solo fase cubica e viene denominato zirconia completamente stabilizzata o fully stabilized zirconia. I materiali che presentano solo fase tetragonale sono indicati con il nome di policristalli in zirconia tetragonale.

La Tabella 1 riporta le sigle delle diverse versioni di ceramici tenacizzati con zirconia

Come riportato nella Tabella 2, ogni composizione ha le proprie caratteristiche e può rappresentare la soluzione più adatta ad una specifica applicazione:

Per riassumere, si possono distinguere tre famiglie di materiali ceramici tenacizzati con zirconia grazie alla trasformazione tetragonale a monoclino:

1. Ceramici tenacizzati con particelle disperse

Materiali in cui ad una matrice (per esempio allumina, ZTA) si aggiunge una percentuale (approx. 15%) di zirconia. In questo caso la stabilizzazione della fase tetragonale non avviene con agenti dopanti quali Yttria, o Calcia, ma con un trattamento termico e con un controllo dimensionale delle particelle di zirconia. Il trattamento termico fa sì che la fase tetragonale si mantenga a temperatura ambiente costringendo le particelle a non trasformarsi in monoclino a causa di impedimenti dimensionali. La trasformazione tetragonale monoclino, ovviamente servirà che accada quando il materiale sarà sottoposto a sollecitazione meccanica durante l’uso. Questo comportamento richiama i trattamenti termici e le trasformazioni della martensite negli acciai.

2. Zirconia parzialmente stabilizzata

Zirconia dopata o stabilizzata con agenti quali ossido di yttrio, calcio, magnesio, cerio. L’agente dopante promuove la stabilizzazione della fase tetragonale, responsabile della tenacizzazione del materiale. Generalmente abbiamo una matrice di fase cubica, con una percentuale di fase tetragonale instabile.

3. Zirconia policristallina completamente tetragonale

Negli anni 1970 è stato riportato che grani più piccoli di mezzo micron con bassissime concentrazioni di stabilizzante Yttria, potessero generare materiali in cui la fase tetragonale stabilizzata fosse più alta del 98%. Per far sì che ci siano i benefici della tenacizzazione, è fondamentale che la dimensione dei grani non superi 0.3 mm.

Ultimamente, un'altra famiglia di materiali ceramici tenacizzati a base di zirconia si sta facendo strada: i cosiddetti nanomateriali, in cui è importante mantenere le dimensioni dei grani al di sotto dei 110 nm, per poter avere proprietà meccaniche, quali la tenacità a frattura, che superano le attuali performance dei materiali esistenti.

Resistenza a trazione della zirconia al variare del contenuto di yttria

Un aspetto fondamentale nell’uso dei materiali ceramici è la loro limitata resistenza a trazione. Quando un cuscinetto viene calettato su un asse rotante, subirà la dilatazione termica dello stesso, portandolo a trazione, che se supera i limiti del materiale, lo porterà a rottura.

La resistenza a trazione della zirconia al variare della quantità di yttria ha un andamento simile al grafico mostrato in Figura 1, con un massimo intorno al valore di 3% mol (contenuto in percentuale molare), e valori di resistenza a trazione tra 600 e 800 Mpa.

Figura 1. Resistenza a trazione della Zirconia stabilizzata in funzione del contenuto di Yttria.

Cuscinetti in ossido di zirconio

Di seguito sono riportate le proprietà di base dei cuscinetti in ossido di zirconio

• Isolamento elettrico
• Bassa conducibilità termica
• Elevata resistenza alla corrosione e agli acidi, ad eccezione degli acidi HF
• Attrito medio (HV> 1400)

• Senza gabbia: «full complement»: 500 ° C
• Con gabbia in PEEK: 300 ° C
• Con gabbia PTFE: 250 ° C.

Figura 2 mostra un tipico programma di sinterizzazione di un manufatto in Zirconia. Dopo una prima rampa di riscaldamento più lenta per la combustione di eventuali prodotti organici, si raggiunge la temperatura di sinterizzazione ottimale, procedendo, successivamente, al raffreddamento controllato fino a temperatura ambiente.

Figura 2. Programma di sinterizzazione della Zirconia.

La sinterizzazione o cottura fa sì che le particelle di polvere subiscano una trasformazione della loro conformazione allo stato solido, senza fusione. La migrazione atomica attivata dalla temperatura, permette alle particelle di formare delle regioni di collegamento tra loro che poi si ingrossano fino a formare una struttura in cui i vuoti (pori) tra le particelle vengono eliminati ottenendo una struttura ad altissima densità.

Figura 3 raffigura una parte di un componente in Zirconia dopo la sinterizzazione. Si possono osservare la conformazione del ceramico a livello microscopico, con i grani e le loro regioni di separazione (bordi di grano).

Figura 3. Micrografia di un componente in Zirconia sinterizzata.

La scelta dei migliori componenti passa dalla conoscenza approfondita dei materiali! Mettiti nelle mani dei nostri esperti di cuscinetti per fare la scelta migliore per la tua applicazione.