Zirkonoxid

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

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.
Zirkonoxid Keramik Anwendungen
  • 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.

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.
Zirkonoxid Gefügestruktur

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.
Technische Keramik Herstellungsprozess

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