Zirkonoxid (Zirkoniumdioxid, ZrO₂) ist eine Hochleistungskeramik aus Zirkonium (Zr) und Sauerstoff (O₂), die eine hohe Härte mit einer aussergewöhnlich hohen Bruchzähigkeit verbindet. Diese Kombination unterscheidet den Werkstoff von anderen Oxidkeramiken und macht Zirkonoxid als Keramik zur idealen Wahl für Bauteile, die mechanisch hoch belastet sind und gleichzeitig chemischen Angriffen standhalten müssen.
Zirkonoxid-Keramik entsteht durch Sintern des stabilisierten ZrO₂-Pulvers. Über Pulverreinheit, Stabilisatoranteil und Sinterregime lassen sich die Eigenschaften von Zirkoniumdioxid in weiten Bereichen variieren.
Die Zusammensetzung von Zirkonoxid bestimmt das Eigenschaftsprofil. Reines ZrO₂ wechselt beim Abkühlen zwischen Kristallphasen und wäre technisch nicht nutzbar. Durch Stabilisatoren wie Yttrium-, Magnesium- oder Calciumoxid wird die gewünschte Phase fixiert. In der Praxis dominieren vier Varianten:
Y-TZP (yttriumstabilisiert, tetragonal)
Höchste Festigkeit und Zähigkeit, feinkörniges Gefüge. Standard für Präzisionsteile und medizintechnische Komponenten.
Ca-PSZ (calcium-teilstabilisiert)
Wirtschaftliche Variante für Standardanwendungen mit Fokus auf Verschleissreserve.
Mg-PSZ (magnesium-teilstabilisiert)
Gröberes Gefüge, höhere Thermoschockbeständigkeit, geeignet für grössere Bauteile und höhere Einsatztemperaturen.
ATZ / ZTA
Mischkeramiken mit Aluminiumoxid, die die Härte von Al₂O₃ mit der Zähigkeit von ZrO₂ kombinieren.
Welche Sorte passt, ergibt sich aus Bauteilgeometrie, Medium, Temperaturbereich und Lastfall. In den meisten Anfragen entscheidet die Kombination aus Bauteilgrösse und Festigkeitsanforderung.
Zirkonoxid eignet sich vor allem für Bauteile, die mehrere hohe Anforderungen gleichzeitig erfüllen müssen. Klassisch ist die Kombination aus hoher mechanischer Belastung und hoher Verschleissbeanspruchung, oft zusammen mit Kontakt zu aggressiven Medien wie Säuren, Laugen oder Salzschmelzen.
Wo Aluminiumoxid an risssensiblen Geometrien zu spröde wäre, hält ZrO₂ dank seiner Bruchzähigkeit deutlich länger durch. Dazu kommen Anwendungen mit Biokompatibilität in Medizin- und Dentaltechnik, elektrisch isolierender Funktion bei gleichzeitig hoher Festigkeit sowie engtolerierte Präzisionsteile, die über lange Standzeiten formstabil bleiben sollen.
Vor der Festlegung auf Zirkonoxid sollten folgende Faktoren geprüft werden:
In vielen dieser Anwendungen ersetzt Zirkonoxid als Keramik aus Zirkonium und Sauerstoff bestehende Bauteile aus Metall oder anderen Hochleistungskeramiken und verlängert die Standzeit deutlich.
In vielen dieser Anwendungen ersetzt Zirkonoxid als Keramik aus Zirkonium und Sauerstoff bestehende Bauteile aus Metall oder anderen Hochleistungskeramiken und verlängert die Standzeit deutlich.
Die Fertigung eines Zirkonoxid-Bauteils läuft typischerweise in drei Schritten ab:
Beim Fügen mit Metall zahlen sich die Eigenschaften von Zirkonium in oxidischer Form aus: Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt nahe an dem von Stahl, was Schrumpfverbindungen, Aktivlöten und Klebeverbindungen begünstigt und Spannungen im Verbund reduziert. Welche Fügetechnik geeignet ist, hängt von Betriebstemperatur, Medienkontakt und konstruktiver Zugänglichkeit ab.
Beim Fügen mit Metall zahlen sich die Eigenschaften von Zirkonium in oxidischer Form aus: Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt nahe an dem von Stahl, was Schrumpfverbindungen, Aktivlöten und Klebeverbindungen begünstigt und Spannungen im Verbund reduziert. Welche Fügetechnik geeignet ist, hängt von Betriebstemperatur, Medienkontakt und konstruktiver Zugänglichkeit ab.
