I segreti dei Cuscinetti ceramici in Zirconia, la tenacizzazione

04/02/2021 Pubblicato in Mondo industry, Cuscinetti ceramici da Francesco Madaro: R&D Manager, Ingegneria dei Materiali

I-segreti-dei-Cuscinetti-ceramici-in-Zirconia

In questo articolo parleremo dei cuscinetti ceramici in zirconia, in particolare della tenacizzazione. Per capire le potenzialità dei cuscinetti in ceramica partiremo dal materiale, l’ossido di zirconio fino ad arrivare al processo di tenacizzazione.

L’ossido di zirconio 

Lo zirconio (Zr) è un metallo con numero atomico 40. Fu scoperto per la prima volta nel 1789. Il materiale ha una densità di 6,49 g / cm³, un punto di fusione di 1852 ° C e un punto di ebollizione di 3580 ° C. Ha una struttura cristallina esagonale ed è di colore grigiastro. Zr non si trova in natura allo stato puro. Può essere trovato in combinazione con l'ossido di silicato con il nome minerale Zircon (ZrO2 x SiO2) o come ossido libero (Zirconia, ZrO2) con il nome minerale Baddeleyite.

Una delle sue prime applicazioni fu in ambito dentistico e biomedicale ed ora trova largo utilizzo anche in applicazioni industriali. Questi minerali non possono essere utilizzati come materiali primari in odontoiatria a causa delle impurità di vari elementi metallici che influenzano il colore e a causa dei radionuclidi naturali come l'urania e la toria, che li rendono radioattivi. Processi complessi e dispendiosi in termini di tempo che si traducono in un'efficace separazione di questi elementi sono necessari per produrre polveri di zirconia pura. Dopo la purificazione il materiale prodotto può essere utilizzato come biomateriale ceramico.

L’ossido di Zirconio o Zirconia, ZrO2 è un materiale polimorfo e si presenta in tre forme: monoclina, tetragonale e cubica. La fase monoclina è stabile a temperatura ambiente e fino a 1150 ° C, quella tetragonale a temperature di 1150-2200 ° C e quella cubica a temperature superiori a 2200 °C, mentre la fase liquida si forma oltre i 2680 °C.

La transizione da una fase all’altra è associato a notevoli variazioni di volume: per esempio, riscaldando la zirconia oltre i 1150°C si ottiene la trasformazione della struttura da monoclina a tetragonale con una riduzione di volume del 5%. Al contrario, durante il processo di raffreddamento si osserva un aumento di volume del 3% - 4% (Figura 1).

Strutture-cristallina-Zirconia

Figure 1. Strutture cristallina possibili della Zirconia a diverse temperature.

Stabilizzazione della Zirconia

Durante un processo di raffreddamento, l'ossido di zirconio subisce un processo di trasformazione di fase come descritto in Figura 1, da cubico a tetragonale a monoclino. L’ incremento di volume associato a questa trasformazione porterebbe ad una rottura della Zirconia o almeno a sua eccessiva friabilità, che rende impossibile l'uso di ossido di zirconio puro in molte applicazioni, soprattutto nei cuscinetti. Per ovviare a questo tipo di problema, vengono aggiunti alcuni materiali per stabilizzare la fase cubica della zirconia a temperatura ambiente. Questi materiali si chiamano stabilizzatori e il prodotto correlato denominato Zirconia stabilizzata. Se si aggiunge abbastanza sostanza stabilizzatrice, si può stabilizzare la fase cubica in maniera totale (zirconia completamente stabilizzata). Altrimenti, se si usano quantità minori di stabilizzatore, si può ottenere una zirconia parzialmente stabilizzata, in cui c’è una certa percentuale controllata di fase tetragonale. In altre parole, la zirconia parzialmente stabilizzata è una dispersione fine di particelle di zirconia tetragonale metastabile (atta a convertirsi in monoclina in presenza di perturbazioni) in una matrice di zirconia cubica.

Per esempio, se si vuole stabilizzare la fase cubica e tetragonale con Yttria, percentuali relative superiori a 7% mol conducono ad una stabilizzazione completa della zirconia cubica, mentre percentuali relative tra il 2% e il 6% mol di Yttria danno una zirconia parzialmente stabilizzata, in cui persiste cioè un 5-10% di zirconia tetragonale finemente dispersa nella matrice cubica.

Gli altri stabilizzatori di zirconia comunemente usati includono ceria CeO2, calcia CaO e magnesia MgO ecc. Lo stabilizzatore più comune ed efficace è Yttria Y2O3. La zirconia stabilizzata viene di conseguenza denominata Zirconia stabilizzata con Yttria, Zirconia stabilizzata con ceria, Zirconia stabilizzata con calcia, Zirconia stabilizzata con magnesia.

Tenacizzazione della Zirconia

Meccanismo di stabilizzazione ed effetti sulle proprietà meccaniche.

In una applicazione strutturale, quando una micro-cricca incontra una particella tetragonale, la concentrazione di stress meccanico sull’apice della cricca innesca la trasformazione tetragonale à monoclina con conseguente aumento di volume, mettendo in compressione la stessa zona interessata dalla trasformazione, rallentando o bloccando la propagazione della cricca, come descritto in Figura 2.

Questo processo è noto come meccanismo di tenacizzazione, essendo la tenacità la capacità di un materiale ad assorbire energia meccanica prima di arrivare a rottura.

Trasformazione-cristallina

Figure 2. Trasformazione cristallina che introduce pressione sulla cricca, frenandone l’avanzamento.

Meccanismi di tenacizzazione

Nonostante il fenomeno di tenacizzazione sia stato dimostrato da prove sperimentali ed è il motivo per cui la zirconia stabilizzata sia uno dei materiali ceramici strutturali più affidabili anche nel mondo dei cuscinetti, i meccanismi che conducono a tale tenacizzazione non sono del tutto chiari. Nello specifico, ci sono almeno due teorie che spiegano l’aumento di tenacità:

  • La trasformazione martensitica della fase metastabile tetragonale à monoclina è responsabile dell’assorbimento di energia elastica coinvolta nel percorso della frattura.
  • Nucleazione e crescita di micro-cricche nella matrice ceramica che causano un aumento di energia necessario alla frattura per propagare. Queste microcricche è probabile che si originino prima che il componente sia sottoposto a sforzo.

La comunità scientifica è orientata a pensare che entrambi i contributi avvengano simultaneamente.

Un altro aspetto molto interessante della tenacizzazione per trasformazione è legato alla generazione di stress di compressione superficiali durante il raffreddamento, che donano maggiore resistenza meccanica al componente ceramico, proprio come avviene nei vetri temprati.

Lo strato superficiale può essere ulteriormente sollecitato a compressione tramite le operazioni di finitura (rettifica, sabbiatura), in cui eventuali difetti superficiali vengono resi inattivi, e in più la zona immediatamente interessata dalla abrasione risulta essere in compressione e pertanto resistente alla propagazione di eventuali fratture.

Come mostrato in Figura 3 a, la fase tetragonale finemente dispersa ai bordi della fase cubica, si trasforma in fase monoclina per raffreddamento (grani anneriti piccoli). Se procediamo con lavorazioni mirate, possiamo incrementare la zona tenacizzata perché promuoviamo la trasformazione tetragonale à monoclina più in profondità.

Tenacizzazione-superficiale

a

b

C

Fase tetragonale (grani piccoli) ai bordi della fase cubica (grani più grandi)

Grani tetragonali trasformati in monoclini (grani anneriti) PER RAFFREDDAMENTO, con tenacizzazione della superficie

Zona tenacizzata più profonda grazie alle lavorazioni meccaniche

 

Figure 3. Tenacizzazione superficiale (a) superficie libera alta temperatura, (b) superfice interessata da trasformazione tetragonaleà monoclina per raffreddamento (c) superficie con zona tenacizzata maggiore a causa di lavorazioni meccaniche.

Figura 4 mostra la polvere di Zirconia a occhio nudo (a) e la stessa polvere osservata al microscopio elettronico a scansione (SEM), evidenziando le dimensioni sub-micrometriche delle particelle che poi andranno a formare gli agglomerati, e poi i grani in fase di sinterizzazione (cottura).

polvere di zirconiapolvere di zirconia microscopio

 

 

 

 

 

Figura 4. Polvere di Zirconia (a), e zoom al microscopio SEM (b).

Come vedi, la scelta del cuscinetto ceramico migliore sotto l'aspetto della resistenza meccanica è influenzata anche dalla selezione dal componente ceramico. Entra nel mondo dei cuscinetti con il nostro team per trovare la soluzione più adatta alle tue applicazioni.

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Francesco Madaro: R&D Manager, Ingegneria dei Materiali

“Lo studio e lo sviluppo dei materiali, per applicazioni strutturali, elettroniche, energetiche e biomediche mi offre ogni giorno il privilegio di scoprire piccoli segreti dei loro comportamenti ed adattarli alle applicazioni in cui performano al meglio. I materiali ceramici sono certamente la mia specialità, e i cuscinetti ceramici promettono le prestazioni più interessanti in tante applicazioni”.

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