Une bille en zircone fait ses preuves dans le broyeur, pas sur la fiche technique

On compare souvent les billes de zircone à celles d'alumine en termes de dureté, mais on obtient alors une réponse erronée. L'alumine est souvent légèrement plus dure. Ce n'est pas pour cette raison qu'un broyeur à haute énergie finit par opter pour de la zircone stabilisée à l'yttrie ou au cérium. Les paramètres utiles sont la densité, la ténacité et la proportion de la bille qui reste intacte après un mois de rotation à vitesse maximale.

Une bonne bille en Y-TZP est composée d’environ 95,1 % de ZrO₂ et d’environ 5,1 % de Y₂O₃ ; elle est frittée, dense, à grain fin et de structure tétragonale. Sa densité est proche de 6,0 g/cm³. Les médias stabilisés à la cérium peuvent présenter une densité légèrement supérieure, de l’ordre de 6,2. L’alumine à 92 % se situe entre 3,6 et 3,7. Le verre se situe autour de 2,5. L’énergie cinétique lors d’une collision est proportionnelle à la masse. À diamètre de bille et vitesse égaux, l’impact de la zircone transmet davantage d’énergie à la suspension. C’est ainsi que l’on obtient un broyage plus fin, ou que l’on broie à la même finesse avec une teneur en solides plus élevée, sans se contenter d’accélérer le broyeur jusqu’à ce que le revêtement s’abîme.

La ténacité constitue l’autre aspect essentiel. L’alumine est dure et fragile. La ténacité à la rupture du Y-TZP ou du Ce-TZP se situe généralement entre 8 et 12 MPa·m½, soit deux à trois fois celle d’une bille d’alumine. Ce phénomène s’explique par le durcissement par transformation : lorsqu’une fissure tente de se propager, le grain tétragonal passe en structure monoclinique, et le changement de volume s’oppose à la propagation de la fissure. Dans le broyeur, cela se traduit par moins de billes brisées dans le tamis de décharge et moins de débris coupants qui usent le rotor. La zircone bon marché, à grains grossiers ou mal stabilisée, ne bénéficie pas de cet avantage. Elle s’ébrèche comme une roche dure et vous en payez alors le double : perte de billes et usure du broyeur.

C'est au niveau de l'usure que le prix d'achat révèle toute sa réalité. La zircone coûte plusieurs fois plus cher que l'alumine au kilo. Dans les peintures, les encres, les céramiques électroniques, les matériaux pour batteries et le quartz de haute pureté, la contamination causée par une bille à usure rapide coûte plus cher que la bille elle-même. L'acier laisse du fer. L’alumine ne laisse que de l’alumine. Une bille en Y-TZP à faible usure ne laisse pratiquement aucun résidu, ce qui explique pourquoi le produit ne peut pas prendre de couleur ni contenir de fer. Les médias stabilisés à la cérium sont souvent les plus utilisés dans les broyeurs humides à haute énergie ; les nuances à base d’yttrium sont généralement privilégiées lorsque la pureté et les petites tailles (jusqu’à 0,1–0,3 mm pour le nanobroyage) sont importantes.

La taille doit tout de même être adaptée au broyeur. Une bille de 2 mm dans un broyeur conçu pour 0,8 mm ne “ frappera pas plus fort de manière utile ”. Elle bloquera le séparateur et endommagera le tamis. Le taux de remplissage, la viscosité de la boue et la vitesse périphérique déterminent si une densité élevée est bénéfique ou si elle ne fait que générer de la chaleur. L’alumine renforcée à la zircone se situe entre les deux — plus dense et plus résistante que l’alumine pure, moins chère que le TZP pur — et il s’agit là d’une véritable nuance, et non d’un slogan de compromis, si le broyage ne nécessite pas une densité de 6 g/cm³.

Si vous changez de média, ne vous contentez pas de demander un prix au kilogramme. Renseignez-vous sur le taux d'usure dans votre suspension, la résistance à l'écrasement au diamètre utilisé, la sphéricité, ainsi que sur la quantité de matière qui se détache réellement de la bille et se retrouve dans le produit. Une bille en zircone est un outil de broyage. C'est rentable lorsque le broyeur respecte les spécifications avec moins de perte de billes et moins d'impuretés dans le lot. Ce n'est pas rentable simplement parce que le nom indiqué sur le sac semble haut de gamme.