Zirkonoxid als Werkstoff – bruchzäh & verlschleißbeständig.
Ideal für hoch beanspruchte Keramikbauteile.

Was ist Zirkonoxid (C830) ZrO2? 

Zirkonoxid wird auch als Zirkoniumdioxid oder Zirconia bezeichnet. Der Name Zirkonoxid ist jedoch sehr gebräuchlich. Es gehört zur Gruppe der Oxidkeramik und ist eine der häufigsten Verbindungen des Elementes Zirconium. Es ist ein anorganischer, nichtmetallischer Werkstoff mit herausragenden Werkstoffeigenschaften. Zirkonoxid wird auch als „keramischer Stahl“ bezeichnet.

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Welche Werkstoffeigenschaften hat Zirkonoxid?

Zirkonoxid ist ein nicht leitender und nicht magnetischer Werkstoff. Es zeichnet sich durch eine extrem hohe Widerstandsfähigkeit gegen

  • thermische
  • chemische
  • mechanische

Einwirkungen aus. Darüber hinaus ist Zirkonoxid sowohl gegen Säuren als auch gegen Alkalilaugen äußerst beständig.

Im Folgenden sind die wichtigsten Eigenschaften von Zirkonoxid dargestellt:

  • hohe Bruchzähigkeit
  • Wärmedehnung ähnlich wie bei Gusseisen
  • höchste Biegebruch- und Zugfestigkeit
  • hohe Verschleißbeständigkeit
  • hohe Korrosionsbeständigkeit
  • niedrige Wärmeleitfähigkeit
  • Sauerstoffionenleitfähigkeit
  • sehr gute tribologische Eigenschaften 
  • (d.h. in Bezug auf Reibung, Verschleiß und Schmierung)
  • sehr gut für Gleitpaarungen geeignet auch im Trockenlauf 
  • (d.h. Keramik/Keramik, Keramik/Kunststoff, Keramik/Metall)
Dicht- und Regelscheiben

Wofür wird Zirkonoxid eingesetzt?

Zirkonoxid kommt in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz. Rohre, Ventile, Pumpen, Gleitringe, Ziehwerkzeuge, Umformtechnik – es gibt kaum einen Industriebereich, in dem dieser Werkstoff nicht verwendet wird. Einige werden nachfolgend etwas ausführlicher beschrieben.

Feuerfestkeramik

Zirkonoxid ist ein feuerfester Werkstoff, d.h. er kann auch bei außerordentlich hohen Temperaturen - bis 1750 Grad C - eingesetzt werden. Zirkonoxid zeigt darüber hinaus eine hohe Beständigkeit gegen Alkalien, die in Metallschlacke und flüssigem Glas vorkommen. Werden Keramikfasermaterialien mit Zirkon überzogen, dann wird ihre mechanische Beständigkeit verstärkt. Das führt zu einem breiten Anwendungsbereich von Zirkonmaterialien. Sie werden in der Stahl-, Eisen-, Glas-, Aluminium-, Zement- und keramischen Industrie verwendet. Einsatzgebiete sind beispielsweise die Ofenauskleidung oder Auskleidung von Ablaufrinnen, die mit flüssigen Legierungen oder auch flüssigem Glas in Kontakt kommen.

Maschinenbau und Schweißtechnik

Durch die äußerst hohe Verschleißbeständigkeit wird Zirkonoxid besonders im Bereich Dicht- und Regeltechnik wie auch im Maschinenbau häufig eingesetzt. In der Schweißtechnik wird Zirkonoxid insbesondere bei Zentrier- und Positionierstiften verwendet.

Automobilindustrie

Die Automobilindustrie vertraut schon seit langem auf die herausragenden Werkstoffeigenschaften von Zirkonoxid. So wird beispielsweise im Bereich Dichtungs- und Lagertechnik Zirkonoxid verwendet.

Die exzellente Sauerstoffionenleitfähigkeit von Zirkonoxid wird auch bei der Lambdasonde, die zur Abgasrgelung bei Benzinmotoren eingesetzt wird, genutzt.

Medizintechnik

Zirkonoxid spielt heutzutage eine äußerst bedeutende Rolle in der Medizin. Insbesondere ist Zirkonoxid in zwei Bereichen ein wichtiger Werkstoff:

Orthopädie

In einer zunehmend alternden Gesellschaft nimmt die Häufigkeit von Kniegelenks- und Hüftgelenksoperationen zu. Arthrose ist oft soweit fortgeschritten, dass eine Bewegung nur noch unter großen Schmerzen möglich ist. Eine Operation und Austausch der Gelenke ist dann unvermeidlich. Hier ist der Einsatz eines Materials wichtig, das herausragende physikalische Eigenschaften aufweist, insbesondere muss die höchste Abrieb- und Bruchfestigkeit gewährleistet sein. Gleichzeitig muss der Werkstoff gut für den Organismus verträglich sein und zu keiner allergischen Abwehrreaktion des Körpers führen. Mit Zirkonoxid wurde dieser Werkstoff gefunden. Hüftprothesenköpfe und künstliche Kniegelenke aus Zirkonoxid werden heutzutage sehr häufig und erfolgreich eingesetzt.

Zahnmedizin

Mit zunehmendem Alter hatten Menschen früher häufig Totalprothesen als Gebiss, die sie abends oder auch zeitweise tagsüber herausnahmen. Essen oder verständliche Konversation waren so extrem erschwert und für viele Menschen bedeutete dies auch eine Einschränkung ihrer sozialen Kontakte. Heutzutage wird versucht, die Zähne so lange wie möglich zu erhalten. Im Bedarfsfall werden lediglich einzelne Zähne durch Implantate ersetzt. Da diese Implantate permanent im Kiefer und damit im menschlichen Organismus bleiben, werden höchste Ansprüche an die Verträglichkeit und Haltbarkeit des Materials gestellt. Hierbei wird zunehmend Keramikimplantaten den Vorzug gegeben. Sowohl einteilige Implantate als auch die klassischen, zweiteiligen Implantate können durch Keramikimplantate realisiert werden. Zirkonoxid wird in der Dentalmedizin am häufigsten als Keramikimplantat verwendet. Vorteile sind insbesondere die hohe Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit so wie die gute Gewebefreundichkeit und Verträglichkeit beim Patienten.

Daniel Goedevert, ehemaliger Ford Vorstandsvorsitzender, sagte als nach einem optimalen Material für die Brücke seiner Frau an den Frontzähnen gesucht wurde: „Schließlich wird Zirkonoxid, und das freute mich ganz persönlich, auch in der Automobilindustrie verwendet” (http://www.whitepearlsdental.de/cms/UserFiles/upload/daniel.pdf).

Auf einen Blick

Name: Zirkonoxid
Weitere Namen: Zirconiumdioxid, Zirconum(IV)-oxid, Zirconia
Chemische Formel: ZrO2
Aggregatszustand: fest
Beschreibung: farblos, geruchslos, praktisch wasserunlöslich
Schmelzpunkt: 2680 °C
Siedepunkt: 4300 °C
Einsatzbereich: Feuerfestkeramik, Prothetik, technische Keramik
Vorteile: extreme Widerstandsfestigkeit gegen mechanische, chemische und thermische Einflüsse

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Ursprung und Herstellung

Woraus besteht Zirkonoxid?

Zirkonoxid besteht aus Zirconiumsilicat ZrSiO4 (Zirkon). Zirconium ist in der Erdkruste weit verbreitet. Allerdings, kommt es dort nur kristallin und in sehr geringen Mengen (meist < 0,1 mm) vor.

Woher kommt Zirconium?

Die wichtigsten Zirconium-Förderländer sind Australien und Südafrika. Auch die USA und Brasilien haben bedeutende Zirconium-Lagerstätten.

Wie wird Zirkonoxid hergestellt?

Zur Herstellung von Zirkonoxid wird Silicatsand verwendet. Dieser wird als Zirconiumsilicat ZrSiO4 oder Zirkon bezeichnet. Durch intensives Waschen, Reinigen und Kalzinieren wird der Silicatsand von Verunreinigungen getrennt. Nach Beendigung dieser Prozesse bleibt 99-prozentiges Zirkonoxidpulver übrig.

Alternativ ist es möglich, Zirkonoxidhydrate zu entwässern und anschließend zu glühen, um Zirkonoxid zu erhalten.

Es gibt monokline, tetragonale und kubische Kristallmodifikationen. Zur Stabilisierung der kubischen Kristallmodifikation werden meist die folgenden Stabilisatoren zugegeben: Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid.

Wissenswertes über Zirkonoxid

1. Welche Farbe hat Zirkonoxid (C830) ZrO2?
Zirkonoxid ist weiß und geruchlos

2. Ist Zirkonoxid (C830) ZrO2 giftig?
Zirkonoxid ist nicht giftig.

3. Ist Zirkonoxid (C830) ZrO2 radioaktiv?
Auch wenn Zirkoniumoxid einen gewissen Anteil an natürlichen Radionukleotiden besitzt, so sind die Belastungen, die beispielsweise von anderen natürlichen und kosmischen Strahlungsquellen ausgehen deutlich höher.

4. Ist Zirkonoxid (C830) ZrO2 ein Metall?
Während Zirkon ein Metall ist, gehört Zirkonoxid zur Gruppe der Oxidkeramiken und ist nichtmetallisch.

5. Ist Zirkonoxid (C830) ZrO2 wasserlöslich?
Zirkonoxid ist praktisch wasserunlöslich.