سرامیک زیرکونیا (Zro2) که «فولاد سرامیکی» هم نامیده می‌شود، ترکیبی از سختی، سایش و مقاومت در برابر خوردگی بالا را ارائه می‌کند، قطعات سرامیکی زیرکونیا در بین همه مواد سرامیکی، بالاترین چقرمگی شکست را دارا هستند.
انواع مختلفی برای زیرکونیا موجود است که رایج‌ترین آن‌ها زیرکونیای نیمه تثبیت‌شدۀ ایتریا (Y-PSZ)[1] و زیرکونیای نیمه تثبیت‌شدۀ منیزیا (Mg-PSZ)[2] هستند. هر دو ماده از خواص بسیار خوبی برخوردارند، هرچند محیط عملیاتی و هندسۀ طراحی، درجه‌ای را که برای مصارف خاص مناسب‌تر است مشخص می‌کند. مقاومت منحصربه‌فرد زیرکونیا در برابر انتشار ترک و انبساط حرارتی بالا، این ماده را به گزینه‌ای عالی برای اتصال سرامیک‌ها با فلزاتی مانند فولاد تبدیل می‌کند.
زیرکونیا چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
زیرکونیا ماده‌ای سرامیکی پیشرفته است که در صنایع مدرن استفاده می‌شود. این ماده با افزودنی‌های مختلف، مزایای چشمگیر منحصربه‌فردی مانند سختی فوق‌العاده، مقاومت خمشی زیاد مشابه با فولاد، ضد خوردگی و مقاومت در برابر سایش را داراست؛ بنابراین به‌عنوان سرامیک ساختاری و سرامیک کاربردی، ماده‌ای ایدئال برای جایگزینی مواد سنتی در صنایع مدرن است. سرامیک زیرکونیا دانه‌های ریزی دارد که باعث به وجود آمدن لبه‌های تیز و سطوح صاف می‌گردد. همچنین توانایی هدایت یون‌های اکسیژن را دارد و می‌توان از آن برای اندازه‌گیری فشارهای جزئی اکسیژن در پروب‌ها استفاده کرد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود قطعات سرامیکی زیرکونیا برای اتصال سرامیک و فولاد و سایر کاربردها مانند شافت پمپ، ابزارهای فلزساز، دستگاه‌های کمکی در فرآیندهای جوشکاری و حلقه‌های عایق در فرآیندهای حرارتی مناسب باشد.
خواص عمومی قطعات سرامیکی زیرکونیا
- چگالی بالا؛ تا ۱/۶ گرم بر سانتیمتر مکعب
- مقاومت خمشی و سفتی بالا
- چقرمگی شکست عالی؛ مقاوم در برابر ضربه
- مقاومت در برابر سایش
- عایق الکتریکی
- رسانایی حرارتی پائین؛ حدود ۱۰ درصد آلومین
- مقاومت در برابر خوردگی اسیدها و بازها
- مدول ارتجاعی مشابه فولاد
- ضریب انبساط حرارتی مشابه آهن
- مقاومت مکانیکی بالا و مقاومت در برابر شکستگی
- مقاومت بالا در دمای محیط و دمای بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد
- مقاومت عالی در برابر شکستگی
- ضریب کم انبساط حرارتی
- مقاومت در برابر شوک حرارتی بسیار بالا
- مقاومت در برابر خوردگی عالی در اسیدها و مواد قلیایی
- مصارف زیرکونیا در صنعت
از قطعات پیشرفتۀ سرامیکی زیرکونیا، در محیط‌های سختی استفاده می‌شود که مقاومت در برابر سایش و خوردگی و عملکرد مکانیکی بالا از اهمیت بسیاری بالایی برخوردار است. چهار مادۀ اصلی مبتنی بر دی‌اکسید زیرکونیوم برای تولید سرامیک‌های پیشرفتۀ فنی مورد استفاده قرار می‌گیرند: زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا (YSZ)، زیرکونیای نیمه تثبیت‌شدۀ منیزیم (MgPSZ)، آلومینای مقاوم به زیرکونیا (ZTA) و زیرکونیای مقاوم به آلومینا (ATZ). به‌عنوان‌مثال، از سرامیک زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا می‌توان در ابزارهای صنعتی، یاتاقان‌ها و مواد ساینده استفاده کرد.
با توجه به مقاومت مکانیکی برجستۀ زیرکونیا و ویژگی‌های روان‌کنندۀ منحصربه‌فرد، قطعات سرامیکی زیرکونیا به‌طور مستقیم و گسترده‌ای برای شافت‌ها یا محافظ موتورهای پیشرفته، سوپاپ‌ها و پمپ‌ها در محیط‌های مختلف کار استفاده می‌شوند.
به دلیل عایق‌بندی خوب در دمای بالا، در صنایع برق و الکترونیک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. مقاومت خوب آن در حرارت بسیار بالا، باعث می‌شود تا از آن به‌عنوان لوله‌های گرمایی القایی، مواد نسوز و المنت گرمایشی استفاده شود. قطعات سرامیکی زیرکونیا به دلیل خصوصیات منحصربه‌فرد عملکردی در سنسورهای اکسیژن، سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
قطعات سازۀ سرامیکی زیرکونیا با عملکرد عالی، کمبود مواد فلزی را جبران می‌کنند؛ بنابراین آن‌ها در صنایع گوناگون ازجمله خودروسازی بسیار مورد توجه قرار می‌گیرند. آن‌ها دارای تحمل لرزش طولانی هستند و به‌عنوان قطعات مورد استفاده در سیستم احتراق و اگزوز، می‌توانند شوک حرارتی را برای مدت طولانی تحمل کنند. به دلیل قابلیت اطمینان مکانیکی زیاد سرامیک زیرکونیا، میزان شکست آن‌ها معمولاً بین 5 تا ۱۰ است.
از دیگر مصارف آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- شکل‌دهی یا قالب‌ریزی سیم
- عایق‌بندی رینگ در فرایندهای حرارتی
- شفت‌ها و اکسل‌های دقت‌بالا در محیط‌های پرسایش
- لوله‌های قابل استفاده در فرایندهای پخت در کوره
- لایی‌های ضد سایش
- لوله‌های محافظ ترموکوپل
- نازل‌های سندبلاست
- مواد نسوز
- قالب‌های اکستروژن
- بوش‌ها و کلاهک‌ها
- ظرف مخصوص پخت اسباب
- بست‌ها و بوش‌های فیبر نوری
- چاقو و تیغه
- قطعات سلول سوخت
- یاتاقان و غلتک
- نازل‌ها و پین‌های جوشکاری
- قطعات لیزر
- فندک گازی
- عایق الکتریکی
- گایدرهای سرامیکی
- سنسور اکسیژن
- تجهیزات پزشکی و جراحی
- واشرهای مکانیکی
- پمپ‌ها، پیستون‌ها و آسترها
- خواص فنی زیرکونیا
زیرکونیای ایتریا در مقابل زیرکونیای منیزیوم
هرچند Y-PSZ برای مصارف مکانیکی سنگین ماده‌ای عالی محسوب می‌شود، برای مصارف با دمای بسیار بالا مناسب نیست، زیرا دچار لغزش در مرز رگه‌ها می‌شود؛ این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که قرارگیری طولانی‌مدت در دمای بالا سبب می‌شود ماده از فاز مستحکم چهاروجهی به فاز ضعیف‌تر مونولینیک تغییر شکل دهد. این ماده برای شرایط مرطوب و نمدار مناسب نیست زیرا زمانی که در معرض بخار آب قرار می‌گیرد خواص آن تضعیف می‌شود، بنابراین، YSZ برای استفاده از محیط‌های خشک و با دمای متوسط مناسب‌ترین ماده است.
M-PSZ از مقاومت بهتری در برابر دماهای بالا و رطوبت برخوردار است، زیرا دچار تغییر فاز نمی‌شود. این ماده حتی در محیط‌های مرطوب با دمای بالا که خواص مکانیکی YSZ تضعیف می‌شود، مقاومت خود را حفظ می‌کند.
انواع قطعات سرامیکی زیرکونیا و مزایای استفاده از آن‌ها
قطعات ساخته‌شده از سرامیک زیرکونیا عمدتاً در دستگاه‌های با قدرت بالا، لوله‌های IC MOS، عایق حرارتی از نوع تراشه IGBT، برق با فرکانس بالا، ارتباطات، تجهیزات مکانیکی، جریان بالا، ولتاژ بالا، درجۀ حرارت بالا و سایر قطعاتی که نیاز به هدایت حرارتی و عایق حرارتی دارند استفاده می‌شوند.
از دیگر قطعات اصلی سرامیکی زیرکونیا صنعتی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- میله‌های سرامیکی زیرکونیا و پایه با سطح ریز پرداخت‌شده
- شافت‌های سرامیکی زیرکونیا
- سیلندرهای سرامیکی زیرکونیا
- پین و پلاگین سرامیکی زیرکونیا
- پیستون سرامیکی زیرکونیا
- آستین یا بوش سرامیکی زیرکونیا
- شیرآلات سرامیکی زیرکونیا
- اجزای پمپ‌های سرامیکی زیرکونیا
- پروانه‌های سرامیکی زیرکونیا
- آستین محور سرامیکی زیرکونیا
برخی از مزایای اصلی قطعات سرامیکی زیرکونیا صنعتی عبارت‌اند از:
- تشکیل CIP یا خشک پرس (اختیاری)
- مهار فوق‌العاده بالا با مقاومت مکانیکی عالی
- دارای روغن روان‌کنندۀ ضد سایش
- بی‌اثر بودن نسبت به عوامل شیمیایی پایدار
- مقاومت بالا در برابر خوردگی
- عایق‌بندی خوب
- دارای ویژگی ضد مغناطیسی
- مقاومت در برابر شوک حرارتی و پایداری گرمایی بالا
- غیر سمی و مطابق با مقررات ROHS و REACH
ماشین‌کاری و سمباده‌زنی زیرکونیا
زیرکونیا در حالات خام، بیسکویتی یا کاملاً چگالیده ماشین‌کاری می‌شود. در فرم خام یا بیسکویتی نسبتاً ساده‌تر به اشکال هندسی پیچیده درمی‌آید. بااین‌حال، فرایند تفجوشی که برای چگالیده کردن کامل این ماده لازم است، باعث می‌شود که بدنه زیرکونیا حدود ۲۰ درصد کوچک‌تر شود. این انقباض بدین معناست که حین ماشین‌کاری زیرکونیای پیش‌تفجوش، نگه‌داشتن تلرانس‌های بسیار محکم غیرممکن است. برای دستیابی به تلرانس‌های بسیار دقیق، باید ماده کاملاً تفجوش شده با ابزارهای الماسی ماشین‌کاری یا سمباده شود. در این فرایند، برای سمباده‌زنی از ابزار یا چرخ روکش الماس بسیار دقیقی استفاده می‌شود تا زمانی که فرم موردنظر به دست آید. این فرایند به جهت چقرمگی و سختی ذاتی زیرکونیا ممکن است زمان‌بر و پرهزینه باشد.
[1] Yttria Partially Stabilized Zirconia
[2] Magnesia Partially Stabilized Zirconia