Wie ist es möglich, gleichzeitig Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit zu erreichen?
Die Leistungssteigerung von ZTA beruht auf einem aktiven „Selbstheilungs“-Mechanismus:
Wenn ein Material Stößen oder Belastungen ausgesetzt wird, durchlaufen die in der Aluminiumoxidmatrix dispergierten Zirkonoxidpartikel eine Phasenumwandlung von der tetragonalen Phase (t) zur monoklinen Phase (m). Mit dieser Phasenumwandlung geht eine Volumenausdehnung einher, die eine lokalisierte Druckspannungszone an der Rissspitze erzeugt. Diese Zone wirkt wie eine „Barriere“, die Mikrorisse effektiv ablenkt und abstumpft und so verhindert, dass sie sich zu katastrophalen makroskopischen Brüchen ausbreiten. Vereinfacht ausgedrückt wird die Energie des äußeren Aufpralls genutzt, um die Phasenumwandlung auszulösen und Energie zu absorbieren, anstatt direkt zu einem Materialbruch zu führen.
Vergleich der wichtigsten Leistungsdaten
Das Wesentliche an ZTA ist die Zugabe von Zirkonoxid, das eine überlegene Zähigkeit aufweist, zu Aluminiumoxid mit hoher Härte. Die spezifischen Vergleichsdaten lauten wie folgt:
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Leistungsindex |
ZTA (repräsentativer Wert) |
Reines Aluminiumoxid (99 %) |
erklären |
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Bruchzähigkeit (KIC) |
7 – 9 MPa·m¹ᐟ² |
Ungefähr 5 MPa·m⁻¹ᐟ² |
Die Zähigkeit von ZTA ist deutlich höher als die von reinem Aluminiumoxid, was die grundlegende Grundlage seiner Schlagfestigkeit darstellt. |
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Vickershärte |
1400 – 1600 HV |
1600 – 1800 HV |
Die ZTA-Härte hat leicht abgenommen, bleibt aber auf einem hohen Niveau und sorgt so für eine solide Grundlage für die Verschleißfestigkeit. |
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Biegefestigkeit |
650 – 800 MPa |
Ungefähr 400 MPa |
Die Festigkeit von ZTA ist deutlich höher als die von reinem Aluminiumoxid und es weist eine überlegene Bruchfestigkeit auf. |
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relative Verschleißrate |
0.45 – 0.55 |
1.0 |
Wenn man reines Aluminiumoxid als Maßstab verwendet, ist die Verschleißrate von ZTA weniger als halb so hoch wie die von reinem Aluminiumoxid, was zu einer deutlichen Verbesserung der Verschleißfestigkeit führt. |
💡 Reale Leistung der Schlagfestigkeit
Die Schlagfestigkeitsvorteile von ZTA kommen in Praxistests und Vergleichsbewertungen deutlich zum Ausdruck:
Die beste Leistung wurde bei Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis beobachtet: Eine Studie zum Vergleich von Verbundwerkstoffen auf Eisenbasis, die mit Aluminiumoxid-, ZTA- und Zirkonoxid-Keramikpartikeln verstärkt waren, zeigte, dass der ZTA/Fe45-Verbundwerkstoff die höchste Schlag- und Verschleißfestigkeit aufwies.
Die Fähigkeit zur Phasenumwandlung ist von entscheidender Bedeutung: Die Studie ergab außerdem, dass das Ausmaß der Phasenumwandlung von Zirkonoxid in ZTA-Partikeln während des Aufprallverschleißes deutlich höher war als das in reinen Zirkonoxidpartikeln, was darauf hindeutet, dass der Zähigkeitsmechanismus von ZTA unter Aufprallbedingungen effizienter aktiviert wurde.
Eine Oberflächenmodifikation kann die Eigenschaften weiter verbessern: Durch die chemische Vernickelung von ZTA-Partikeln kann die Schlagenergie des verstärkten Verbundwerkstoffs deutlich auf 12,08 J erhöht werden, was zu einer deutlichen Verbesserung der Schlagzähigkeit führt.
Zu beachtende Einschränkungen
Der Schlagfestigkeit von ZTA sind keine Grenzen gesetzt; Seine Leistung hängt stark vom Zirkonoxidgehalt und der Partikelgröße ab. Einige Studien haben beispielsweise gezeigt, dass bei der Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) – einem hochharten Schleifmittel – für Erosionstests die Verschleißrate von ZTA tatsächlich ansteigen kann, da die Schlagbeanspruchung den Schwellenwert für die Phasenumwandlungszähigkeit überschreitet, was zu einer starken Querrissausbreitung führt. Daher besteht das optimale Anwendungsszenario für ZTA darin, Stoßverschleiß durch Schleifmittel mittlerer Härte (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid) standzuhalten.
Wenn Sie ein bestimmtes Anwendungsszenario haben (z. B. Mahlkörper, Auskleidungen oder Strukturkomponenten), kann ich Ihnen dabei helfen, festzustellen, ob ZTA geeignet ist.