ลองจินตนาการถึงวัสดุที่ผสมผสานความแข็งแกร่งของเหล็กเข้ากับความต้านทานการกัดกร่อนของเซรามิก ขณะเดียวกันก็รักษาความทนทานต่อการแตกหักได้ดีเยี่ยม การผสมผสานที่น่าทึ่งนี้ท้าทายความเข้าใจแบบดั้งเดิมเกี่ยวกับวัสดุทางวิศวกรรม เซรามิกเซอร์โคเนีย CeramaZirc™ แสดงถึงความก้าวหน้าที่ก้าวล้ำนี้ โดยมีบทบาทสำคัญในการใช้งานทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก
เซรามิกเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) หรือที่มักเรียกว่า "เหล็กเซรามิก" มีเอกลักษณ์เฉพาะที่ผสมผสานความแข็งสูง ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อน สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือมีค่าความเหนียวแตกหักสูงที่สุดในบรรดาวัสดุเซรามิก ตลาดมีเกรดเซอร์โคเนียหลายเกรด โดยเกรดเซอร์โคเนียเสถียรอิตเทรีย (Y-PSZ) และเซอร์โคเนียเสถียรแมกนีเซีย (Mg-PSZ) เป็นเกรดที่พบบ่อยที่สุด ทั้งสองคุณสมบัติแสดงให้เห็นคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม แม้ว่าการใช้งานเฉพาะเจาะจงจำเป็นต้องเลือกเกรดอย่างระมัดระวังตามเงื่อนไขการปฏิบัติงานและข้อกำหนดในการออกแบบ การขยายตัวทางความร้อนที่สูงของ Zirconia และความต้านทานการแตกร้าวที่ยอดเยี่ยมทำให้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อกับโลหะเช่นเหล็ก
เซอร์โคเนีย CeramaZirc™ ทำหน้าที่สำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย รวมไปถึง:
เซอร์โคเนีย CeramaZirc™ ใช้กระบวนการผลิตที่หลากหลาย โดยแต่ละกระบวนการผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันเล็กน้อยซึ่งปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ เกรดเบื้องต้นได้แก่:
คอมโพสิตเซรามิกเซอร์โคเนียขั้นสูงนี้ผสมผสานเซอร์โคเนียที่มีความเสถียรบางส่วนเข้ากับโครงสร้างคริสตัลที่ได้รับการปรับปรุง ให้ความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความแข็งแรงดัดงอ ความแข็ง และความเหนียวแตกหัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการกระแทกทางกล การสั่นสะเทือน หรือการกระแทก
คอมโพสิตใหม่ล่าสุดและแข็งแกร่งที่สุดนี้ผสมผสานเซอร์โคเนียที่มีความเสถียรบางส่วนเข้ากับโครงสร้างคริสตัลที่ได้รับการปรับปรุง อัดแน่นผ่านการกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) เพื่อความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่า
เซอร์โคเนียที่มีความเสถียรสูง 3 โมล% อิตเทรีย (3YSZ) มีโครงสร้างเกรนที่ประณีตเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพเชิงกลที่เหนือกว่า การกระจายขนาดเกรนที่สม่ำเสมอทำให้มีคุณสมบัติไอโซโทรปิกที่ดีกว่า
เซอร์โคเนียเสถียรอิตเทรีย (3YSZ) ที่มีความบริสุทธิ์สูงสุด 3 โมล% พร้อมโครงสร้างเกรนที่ละเอียดเป็นพิเศษมอบประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม การเพิ่มความหนาแน่นของ HIP ทำให้มีความหนาแน่นตามทฤษฎีเต็มรูปแบบเพื่อความน่าเชื่อถือที่โดดเด่น
| คุณสมบัติ | หน่วย | แกร่งเป็นพิเศษ | HIP ที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ | 3ยอซ | นาโน ฮิป |
|---|---|---|---|---|---|
| องค์ประกอบ | - | ซีเรียเสถียร | ซีเรียเสถียร | อิตเทรียมีเสถียรภาพ | อิตเทรียมีเสถียรภาพ |
| สี | - | สีเทา | สีน้ำตาล/สีส้ม | งาช้าง | สีเทา |
| คุณสมบัติ | หน่วย | แกร่งเป็นพิเศษ | HIP ที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ | 3ยอซ | นาโน ฮิป |
|---|---|---|---|---|---|
| ความหนาแน่น | กรัม/ซม.³ | 5.7 | 5.7 | 6.05 | 6.07 |
| โมดูลัสของยัง | เกรดเฉลี่ย | 200 | 200 | 200 | 200 |
| ความเหนียวแตกหัก Kไอซี | เมกะปา·ม1/2 | 17 | 17 | 8 | 8 |
| แรงอัด | MPa | 2000 | 2000 | 2000 | 2100 |
| ความแข็งแรงของแรงดัดงอ | MPa | 1,000 | 1,000 | 1200 | 1400 |
เซอร์โคเนียสามารถกลึงได้ในสถานะสีเขียว บิสกิต หรือสถานะที่มีความหนาแน่นเต็มที่ แม้ว่ารูปร่างจะค่อนข้างง่ายในสภาวะที่มีการเผาผนึกล่วงหน้า แต่กระบวนการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงที่จำเป็นสำหรับการทำให้มีความหนาแน่นเต็มที่ทำให้เกิดการหดตัวประมาณ 20% ซึ่งทำให้การรักษาพิกัดความเผื่อที่เข้มงวดในการตัดเฉือนแบบเผาผนึกล่วงหน้าเป็นไปไม่ได้
การบรรลุพิกัดความเผื่อที่แม่นยำต้องอาศัยการตัดเฉือน/การเจียรเครื่องมือเพชรสำหรับวัสดุเผาผนึกอย่างสมบูรณ์ กระบวนการนี้ใช้เครื่องมือเคลือบเพชรที่มีความแม่นยำในการสวมวัสดุให้เป็นรูปทรงที่ต้องการ แม้ว่าความเหนียวโดยธรรมชาติของเซอร์โคเนียจะทำให้ใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง
แม้ว่า Y-PSZ จะมีความเป็นเลิศในการใช้งานเชิงกลที่มีความต้องการสูง แต่ก็อาจไม่เหมาะกับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมากเนื่องจากการเลื่อนของขอบเขตเกรน การสัมผัสกับอุณหภูมิสูงในระยะยาวสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากระยะ tetragonal ที่รุนแรงไปเป็นเฟส monoclinic ที่อ่อนลงได้ ในทำนองเดียวกัน สภาพแวดล้อมที่อบอุ่นชื้นอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากการเสื่อมสภาพของความร้อนใต้พิภพ ดังนั้น YSZ จึงทำงานได้ดีที่สุดในสภาวะที่มีอุณหภูมิแห้งและปานกลาง
M-PSZ ทนต่ออุณหภูมิและความชื้นได้ดีกว่าโดยไม่มีการย้ายเฟส โดยคงไว้ซึ่งความแข็งแกร่งที่ประสิทธิภาพของ YSZ จะลดลง
แม้ว่าเซอร์โคเนียจะมีความทนทานต่อการแตกหักสูงที่สุดในกลุ่มเซรามิกออกไซด์ แต่อลูมินาก็ให้โซลูชั่นที่คุ้มต้นทุนพร้อมความแข็งและเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม คอมโพสิตอลูมินาที่แกร่งด้วยเซอร์โคเนีย (ZTA) ผสมผสานคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน โดยรักษาความแข็งของอลูมินา ในขณะเดียวกันก็ได้รับความเหนียวและความแข็งแกร่งที่ดีขึ้นของเซอร์โคเนีย
