Keramik für technische Anwendungen
Zirkonoxid gewinnt in der Dentalmedizin immer mehr an Bedeutung, aber auch im Anlagen- und Maschinenbau und in vielen weiteren Bereichen erfreut sich der vielseitige Werkstoff steigender Beliebtheit.
Nachfolgend finden Sie die relevanten Informationen rund um das Material. Umgangssprachlich als Zirkonoxid erlangte Zirkoniumoxid (ZrO2) aufgrund seiner Eigenschaften zunehmende Bedeutung. Es weisst
Zirkonoxid - Vom allgemeinen Maschinenbau bis zur Zahntechnik
eine niedrige Wärmeleitfähigkeit,
hohe Bruchzähigkeit,
hohe Korrosionsbeständigkeit,
hohe Verschleissbeständigkeit
sehr gute tribologische Eigenschaften und
eine Wärmedehnung, ähnlich von Gusseisen, auf.
Nach Aluminiumoxid ist Zirkoniumdioxid im Technik- und im Konsumbereich der am häufigsten verwendete Keramik-Werkstoff. In der Natur ist es als Mineral Baddeleyit vorzufinden. Für die Herstellung des ZrO2 wird dieses Mineral allerdings nicht verwendet.
Dafür kommt in erster Linie «Zirkon», also Zirkoniumsilikat, zum Einsatz. Zirkonoxid kann ausserdem in Form künstlicher Kristalle gezüchtet werden und ist Fachleuten und Laien gleichermassen unter dem Namen «Zirkonia» bekannt.
Arten von ZrO2 Zirkonoxid Keramik
Zirkonoxid gehört der Zusammensetzung nach zu der Gruppe der sogenannten Oxidkeramiken. Weiterhin zählt ZrO2 aufgrund der technisch anspruchsvollen Herstellung und seiner Eigenschaften zu der Familie der technischen Keramiken. Bis zu einer Temperatur von 1.150 °C besitzt das Material eine monokline Gitterstruktur. In einem Temperaturbereich zwischen 1.150 °C und 2.350 °C wandelt sich die Struktur in ein tetragonales Gitter. Bei Temperaturen zwischen 2.350 °C und 2.680 °C wird aus dem tetragonalen ein kubisches Gitter. Kommt es im Bereich technischer Anwendungen zu einer Gitterumwandlung vom tetragonalen zum monoklinen Gitter, kann dies Probleme nach sich ziehen. Als Grund ist eine Volumenzunahme zu nennen, die mit der Gitterumwandlung verbunden ist. Diese Zunahme beträgt etwa 3 bis 5 %. Dies hätte eine gravierende Beschädigung oder sogar Zerstörung gesinterter Bauteile aus reinem Zirkonoxid zur Folge. Um diesen Effekt zu vermeiden, werden tetragonale oder kubische Modifikationen stabilisiert. Dies geschieht durch die Dotierung, also den Einbau von Fremdionen. Hierfür eignen sich
Cerodid (CeO),
Magnesium- und
Kalziumoxid (MgO und CaO) oder
Yttriumoxid (Y2O3).
Mit dieser Vorgehensweise ist es möglich, von den Vorzügen der höherfesten tetragonalen und kubischen Gitter zu profitieren und sie gleichzeitig unter Normalbedingungen zu stabilisieren. Grundsätzlich werden die Zirkoniumoxid-Keramiken in Abhängigkeit von Menge und Art der stabilisierenden Stoffe in drei Arten eingeteilt.
Vollstabilisiertes ZrO2 - auch als Cubic oder Fully Stabilized Zirconia (CSZ oder FSZ) bekannt
In das Kristallgitter werden Fremdoxide eingebaut. Auch nach dem Abkühlen bleibt so die kubische Hochtemperaturstruktur erhalten. Der Vorteil: Es findet kein störender Volumensprung statt, eine Anwendung im technischen Spektrum ist möglich.
Teilstabilisiertes Zirkonoxid (TZP), Partially Stabilized Zirconia (PSZ)
Das TZP/ PSZ hat eine grosse technische Bedeutung. Bereits bei Raumtemperatur liegt eine grobe kubische Phase vor. Mit geeigneten Anlassprozessen oder einer darauf abgestimmten Prozessführung wird sie in ihrem Zustand metastabil gehalten. Eine Umwandlung in die monokline Phase wird erfolgreich verhindert, und das Gefüge wird regelrecht vorgespannt. Dadurch wird eine Steigerung der Zähigkeit und der Festigkeit erreicht.
Polykristallines tetragonales ZrO2 oder Tetragonal Zirconia Polycrystal (TPZ)
Typisches Merkmal des TPZ ist ein ausgesprochen feinkörniges Gefüge. Um es zu erreichen, kommen extrem feine Ausgangspulver und niedrige Sintertemperaturen zur Anwendung. Das besonders feine Gefüge und eine metastabile tetragonale Struktur bieten eine ausserordentliche mechanische Festigkeit. Es werden durchaus über 1.500 MPa erreicht.
In den Anfängen der technischen Keramiken kam für die Stabilisierung vor allem Magnesiumoxid zur Anwendung. Moderne Keramik-Generationen profitieren von der höheren Festigkeit des Yttriumoxids. Sie trägt die Bezeichnung Y-TZP. Die ZrO2-Matrix kann bei der Verwendung von Yttriumoxid nahezu vollständig dicht gesintert werden. Das Ergebnis sind sehr feine und homogene Gefüge, die gleichzeitig mit hoher Festigkeit überzeugen.
Eigenschaften von Zirkonoxid
Dichte
Mit 5,7 bis 6,1 Gramm pro Kubikzentimeter besitzt der Werkstoff eine vergleichsweise hohe Dichte. Unter den technischen Keramiken zählt er zu den schwersten Werkstoffen. Woran liegt das? Zirkonium selbst ist bereits ein Schwermetall. Während der Herstellung/Stabilisierung werden lediglich kleine Mengen leichterer Stoffe, zum Beispiel Magnesium, hinzugegeben.
Mechanische Eigenschaften
Auch in puncto mechanischer Eigenschaften kann Zirkonoxid überzeugen. Ist das Oxid tetragonal stabilisiert, besitzt es, wie bereits erwähnt, ein extrem feines Gefüge. Das ermöglicht sehr gute Festigkeitswerte. Des Weiteren stehen Vickershärten von 1.200 HV für eine ausgezeichnete Verschleissbeständigkeit.
Chemische Beständigkeit
Der Werkstoff zeigt sich – wie grundsätzlich alle technischen Keramiken – gegenüber vielen korrosiven Medien chemisch sehr beständig. Da es ausserdem physiologisch unbedenklich ist, eignet es sich für die Herstellung diverser Implantatwerkstoffe.
Einsatztemperaturen
Die starken Bindungskräfte erlauben zudem sehr hohe maximale Einsatztemperaturen (ca. 1.600 °C). Ein Schwingen der Atome innerhalb ihrer Gitterlage ist kaum möglich – das macht ZrO2 zu einem schlechten Wärmeleiter. Gleichzeitig besitzt das Material einen dem Stahl überaus ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten. Diesen Umstand macht sich der Motorenbau zunutze und kombiniert beide Werkstoffe.
Schlechter Stromleiter
Anders als Metalle besitzt Zirkonoxid keine freien Elektronen. Sie werden benötigt, um als Ladungsträger zu fungieren. Daher leitet der Werkstoff elektrischen Strom nur in minimalem Umfang. Auf der anderen Seite lassen sich mit ihm Sauerstoffionen gut leiten. Für die Technik ist dies von Relevanz.
Pulverherstellung
Um das feine Pulver zu erhalten, kommt als Ausgangsstoff Zirkoniumsilikat (alternative Bezeichnungen: Zirkon, Zirkonsand) zum Einsatz. Abhängig von der gewünschten Gitterstruktur erfolgt die darauf abgestimmte Zugabe geeigneter Materialien. Wir verarbeiten das Zirkonoxid, wie alle keramischen Werkstoffe, sintertechnisch zu den von Ihnen gewünschten und benötigten Bauteilen.
Herstellungsprozess der technischen Keramik / Zirkonoxid
Damit die Zirkonoxid Keramik der Anwendung gerecht wird, muss man den Herstellungsprozess verstehen und den Prozess mit Fachexperten wie BSQ TECH GmbH detailliert besprechen um am Schluss ein perfektes Produkt zu bekommen. Wir stehen Ihnen jederzeit mit Rat und Tat bei Ihrer Entwicklung bei Seite und unterstützen Sie von der Prototypenphase bis hin in die Serienphase.
Anwendung von Zirkoniumoxid
Zirkonoxid findet heute in vielen Branchen und Bereichen Anwendung. So ist es hervorragend geeignet, um daraus Schweissrollen für die Schweisstechnik herzustellen.
Auch die Textilindustrie setzt den Werkstoff vielfach ein, zum Beispiel für langlebige Fadenführer.
Schneiden mit Zirkonoxid
Schneidwerkzeuge in der Zerspanungstechnik lassen sich mit ihm ebenfalls realisieren. Und wer kennt sie nicht: Küchenmesser aus Keramik.
Allerdings eignet sich das Material nur bedingt als Schneidwerkstoff. Oft ist ein Schneidvorgang mit schwingenden und/oder stossenden Belastungen verbunden. Dagegen ist der Werkstoff nur bedingt widerstandsfähig.
Flixible Ceramic
Anders sieht es mit der sogenannten Fexible Ceramic aus. Im Gegensatz zur üblichen Standardkeramik weist das Material eine deutlich höhere Schlagfestigkeit sowie eine optimale Mikro- und Makrospanbeständigkeit auf Flexible Ceramic (FC) Keramikmesser. Materialkennzahlen können auf Wunsch bei BSQ TECH GmbH angefragt werden.
Präziser Schnitt
Mit einer hochschlagfesten Keramikklinge, dessen Schneide sauber und scharf ist, schneidet die Klinge wie ein Draht und der Schnitt ist sauber und präzise. Der Vorteil des leichten Messers macht das Schneiden von reifen Tomaten, grossen Karotten, frischem Fisch oder Hühnerbrust mit hoher Präzision und es benötigt weniger Zeit und Energie, ebenso ist die Erfahrung damit sehr befriedigend.
Elastische Keramik
Die wichtigste und aussergewöhnlichste Eigenschaft des Flexible Ceramic (FC) ist ihr elastisches Verhalten, welches weltweit einzigartig ist. Es ist sogar besser als Metall, da es irreversible Verformung ermöglicht.
Härte Zirkonoxid
Eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stösse und deren überlegene hohe Härte macht diese Schneide viel langlebiger als die bestehenden Keramikmesser, die wir heute kennen.
Neue Technologie - Flexible Ceramic
FC - Flexible Ceramic kommt aus einer bahnbrechenden Technologie und ist die Zukunft in Schneidanwendungen für Haushaltsmesser aber auch für alle anderen Schneidanwendungen und wird im Spritzgussverfahren hergestellt. Dieses Material ist ab sofort erhälftlich über BSQ TECH GmbH.
Zirkoniumoxid in der Medizintechnik
Zunehmend wichtiger wird der Werkstoff für die Medizintechnik. Dank seiner guten Biokompatibilität findet er in immer mehr Bereichen Anwendung. So nutzt die Dentalmedizin den vielseitigen Werkstoff bereits seit längerer Zeit, um aus ihm Zahnkronen und Brücken herzustellen.
Neben der guten Bioverträglichkeit prädestinieren die Verschleissbeständigkeit und die Druckfestigkeit das Material für Dentalimplantate. Zahnersatz sollte sich möglichst unsichtbar in die Reihe der natürlichen Zähne einfügen. Die Optik des Zirkoniumoxids ist durchaus vergleichbar mit echten Zähnen. Die natürliche Farbe des Werkstoffs und seine Lichtdurchlässigkeit sind dafür massgebliche Faktoren.
Längst ist die moderne Medizin in der Lage, defekte und abgenutzte Gelenke, zum Beispiel
das Hüftgelenk, durch ein künstliches Modell zu ersetzen.
Hier kann der Werkstoff ebenfalls seine Vorzüge ausspielen. Allerdings ist dafür eine Kombination mit Aluminiumoxid notwendig, um einen verbesserten Härtegrad zu erreichen. Um Brüchen vorzubeugen, sorgt das ZrO2 für die benötigte Zähigkeit.
Zirkonoxid in der Uhrenindustrie
Ganz abseits von Medizin und Industrie findet der Werkstoff in der Schmuckindustrie ein ganz anderes Anwendungsgebiet. Hierfür wird es als künstlich gezüchteter Kristall mit einer kubischen Gitterstruktur verwendet.
Unter der Bezeichnung «Zirkonia» werden diese
attraktiven Kristalle als preisgünstige Diamantimitate vertrieben. Vom Pulver bis zum fertigen Produkt – gerne unterstützen wir Sie auf dem gesamten Weg. Sie haben Fragen?
Kontaktieren Sie uns gerne!
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