氧化锆陶瓷轴承的秘密，韧性

要了解陶瓷轴承的潜力，我们将从材料、氧化锆开始，直至增韧工艺。

一、氧化锆

锆（Zr）是一种原子序数为40的金属，于1789年首次被发现。该物质的密度为6.49克/立方厘米，熔点为1852℃，沸点为3580℃。具有六方晶系晶体结构，呈灰色。Zr 在自然界中未发现其纯态。它可以与硅酸盐氧化物一起以矿物名称锆石 (ZrO 2 x SiO 2 ) 的形式存在，或者以游离氧化物（氧化锆、ZrO 2）的形式以矿物名称 Baddeleyite 的形式存在。

它最早的应用之一是在牙科和生物医学领域，现在它们也广泛用于工业应用。由于各种金属元素的杂质会影响颜色，并且由于天然放射性核素（例如铀和氧化钍）使它们具有放射性，因此这些矿物质不能用作牙科的主要材料。生产纯氧化锆粉末需要复杂且耗时的过程来有效分离这些元素。纯化后的材料可作为陶瓷生物材料使用。

氧化锆或氧化锆，ZrO 2是一种多晶型材料，有三种形式：单斜晶系、四方晶系和立方晶系。单斜相在高达 1150°C 的环境温度下稳定，四方相在 1150-2200°C 的温度下稳定，立方相在 2200°C 以上的温度下稳定，而液相在 2680°C 以上形成。一相到另一相与显着的体积变化有关：例如，通过将氧化锆加热到 1150°C 以上，结构从单斜晶系转变为四方晶系，体积减少 5%。相反，在冷却过程中观察到 3% - 4% 的体积增加（图 1）。

图 1. 不同温度下氧化锆可能的晶体结构。

二、氧化锆的稳定化

在冷却过程中，氧化锆会经历如图 1 所示的相变过程，从立方晶系到四方晶系再到单斜晶系。与这种转变相关的体积变化会导致氧化锆破裂，或者至少会导致其过度脆化，这使得纯氧化锆无法在许多应用中使用，尤其是在轴承中。为了克服这类问题，添加了一些材料以在室温下稳定氧化锆的立方相。这些材料称为稳定剂，相关产品称为稳定氧化锆。如果加入足够的稳定剂，则可以完全稳定立方相（完全稳定的氧化锆）。否则，如果使用相对较少量的稳定剂，可以获得部分稳定的氧化锆，其中有一定比例的四方相。换句话说，部分稳定的氧化锆是亚稳态四方氧化锆颗粒（在扰动存在下能够转化为单斜晶系）在立方体基质中的精细分散体。

例如，如果你想用氧化钇稳定立方相和四方相，相对百分比大于 7 mol% 会导致立方氧化锆完全稳定，而相对百分比在 2 和 6 mol% 之间的氧化钇会给出部分稳定的氧化锆，其中5-10% 的精细分散四方氧化锆保留在立方矩阵中。

其他常用的氧化锆稳定剂包括二氧化铈CeO 2、钙CaO和氧化镁MgO等。最常用和最有效的稳定剂是Y 2 O 3氧化钇。稳定的氧化锆因此被称为氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆。

三、氧化锆增韧

稳定机制及其对力学性能的影响：在结构应用中，当微裂纹遇到四方颗粒时，裂纹顶点的机械应力集中会触发四方→单斜相变，从而导致体积增加，将相同的面积受转变的影响，减缓或阻止裂纹的传播，如图 2 所示。

这个过程被称为增韧机制，即材料在断裂前吸收机械能的能力。

图 2. 对裂纹施加压力并阻止其前进的结晶转变。

四、增韧机制

尽管增韧现象已得到实验测试的支持，这也是稳定氧化锆成为轴承领域最可靠的结构陶瓷材料之一的原因，但导致这种增韧的机制尚不完全清楚。

具体来说，至少有两种理论可以解释韧性的增加：

1、 四方à 单斜亚稳相的马氏体相变负责吸收断裂路径中涉及的弹性能量。

2、陶瓷基体中微裂纹的成核和生长，导致断裂传播所需的能量增加。这些微裂纹很可能在组件受力之前出现。

3、科学界倾向于认为这两种贡献同时发生。

相变增韧的另一个非常有趣的方面与冷却过程中表面压缩应力的产生有关，这为陶瓷部件提供了更大的机械阻力，就像钢化玻璃中发生的那样。

表面层可以通过精加工操作（打磨、喷砂）的压缩进一步受力，其中任何表面缺陷都变得不活跃，此外，直接受磨损影响的区域处于压缩状态，因此可以抵抗任何裂缝的传播。

如图 3a 所示，立方相边缘的细分散四方相通过冷却转变为单斜晶相（黑色的小颗粒）。如果我们进行有针对性的加工，我们可以增加增韧区，因为我们更深入地促进了四方单斜相变。

五、表面增韧

(a) 高温自由表面

(b) 由于冷却而受到四方单斜转变影响的表面

(c) 由于机械加工而具有更大增韧区域的表面。

图 4 显示了肉眼观察到的氧化锆粉末 (a) 和在扫描电子显微镜 (SEM) 下观察到的相同粉末，突出显示了随后将形成附聚物的颗粒的亚微米尺寸，然后是相中的晶粒烧结（烧制）。

如您所见，就机械阻力而言，最佳陶瓷轴承的选择也受到陶瓷组件选择的影响。与我们一起进入轴承世界，为您的应用找到最佳解决方案。