Циркониеви лагери срещу лагери от силициев нитрид, кой?

Циркониеви лагери срещу лагери от силициев нитрид, кой?

С непрекъснатия напредък и развитие на науката и технологиите на този етап много оборудване като високоскоростни машинни инструменти и прецизни инструменти за тестване имат все по-високи изисквания към работната среда и работа. Хората също изискват това механично оборудване да има различни характеристики като висока скорост, висока прецизност и висока надеждност. За да отговорят на нуждите от развитие на много области като високопрецизни машини, нефтохимическа промишленост, космическа промишленост, военна и национална отбрана, механичните части трябва да имат добра топлоустойчивост, устойчивост на корозия, ниски магнитни свойства и т.н., и също трябва да могат да издържат на по-голям натиск. . Като един от ключовите компоненти, търкалящите лагери имат по-високи изисквания за производителност.

Традиционните метални лагери обаче вече не могат да отговорят на настоящите изисквания за дългосрочна стабилна работа при изключително тежки условия на работа. В сравнение с традиционните лагери, керамични лагери имат отлични цялостни свойства като дълъг експлоатационен живот, висока обща прецизност и твърдост, висока скорост на въртене, добра термична стабилност, изолация и немагнитни свойства. Те са подходящи за използване при високи температури, високи скорости, висока точност, силна корозия и силни магнитни полета. Има много широки перспективи за приложение при работни условия като и без смазване. В търговската мрежа има няколко вида керамични лагери, като всички те предлагат много предимства пред традиционните лагерни елементи. Типичните керамични материали, които обикновено се използват като носещи материали, са силициев нитрид (Si3N4) и циркониев оксид (ZrO2). Този блог ще обясни подробно предимствата и недостатъците на керамичните лагери от силициев нитрид (Si3N4) и циркониев оксид (ZrO2) и ще ви предостави конструктивни предложения за избор на подходящ лагер.

Циркониеви лагери срещу лагери от силициев нитрид

Какво представляват лагерите от силициев нитрид?

Силициевият нитрид е много твърд, но и много лек материал. Има отлична устойчивост на вода, солена вода и различни киселини и основи. Освен това има много широк работен температурен диапазон и е подходящ за използване при приложения с висок вакуум. Изключително високата твърдост на лагерите от силициев нитрид също означава по-голяма крехкост, така че ударът или ударното натоварване трябва да бъдат сведени до минимум, за да се избегне рискът от напукване. Керамичните лагери от силициев нитрид са черни. Обикновено вътрешните и външните пръстени и топките са направени от силициев нитрид, а клетката е изработена от PTFE или найлон. В тази комбинация температурната устойчивост не надвишава 240 градуса (тъй като самият PTFE също е вид найлон, така че продуктът Ако има този материал в него, температурната устойчивост няма да надвишава 240 градуса.

Лагери от силициев нитрид са били използвани като основен тип лагер за различни космически приложения. Струва си да се отбележи, че космическите совалки на НАСА първоначално са били построени с помощта на стоманени лагери в турбинните помпи, което се оказа неправилно, когато космическите совалки, и по-специално техните двигатели, претърпяха огромни натоварвания и температури. Поради тези екстремни натоварвания, инженерите на НАСА надстроиха лагерите до лагери от силициев нитрид поради превъзходството му във вакуумна среда. Впечатляващо е, че според анализа на НАСА лагерите Si3N4 предлагат 40% подобрение на работното време в сравнение със стоманените лагери.

лагери от силициев нитрид

Предимства на лагерите от силициев нитрид

Разгледайте предимствата, приложенията и ключовите съображения за керамичните лагери от силициев нитрид (Si3N4). Лагерите от силициев нитрид бързо навлизат в различни индустрии поради тяхната уникална комбинация от здравина, леки свойства и устойчивост на околната среда.

  • Леки характеристики: Керамичните лагери Si3N4 са около 40% по-леки от стоманените лагери. Значителното намаление на теглото означава по-ниска инерция и по-малко енергия, необходима за механично ускорение и забавяне, повишавайки ефективността при високоскоростни приложения.

  • Изключителна твърдост и устойчивост на износване: Силициевият нитрид е известен със своята изключително висока твърдост, надвишаваща тази на повечето метали. Тази твърдост спомага за подобряване на устойчивостта на износване, като по този начин удължава живота на лагера дори при тежки работни условия.

  • Нисък коефициент на триене: Гладката повърхност на Si3N4 керамичните лагери, комбинирана със състава на материала, води до много нисък коефициент на триене. Това ниско триене минимизира генерирането на топлина и загубата на енергия, като по този начин повишава общата ефективност на оборудването.

  • Възможност за висока температура: Керамичните лагери от Si3N4 запазват механичните си свойства при високи температури, при които традиционните материали могат да се влошат. Това ги прави подходящи за приложения, включващи високи работни температури, разширявайки тяхната използваемост в среди, неподходящи за метални лагери.

  • Корозия и химическа устойчивост: Силициевият нитрид е присъщо устойчив на широк спектър от корозивни вещества, включително вода, солена вода и много киселини и основи. Тази устойчивост гарантира тяхната надеждност в корозивни среди като химическа обработка или морски приложения.

  • Електроизолационни свойства: Керамичните лагери от силициев нитрид са електрически изолиращи. Това свойство е критично за електрически и електронни приложения, тъй като изолацията е от съществено значение за предотвратяване на галванична корозия и свързаните с нея щети.

  • Съвместимост със среди с висок вакуум: Лагерите от силициев нитрид могат да работят ефективно в среда с висок вакуум без риск от отделяне на газове, често срещан проблем с определени материали под вакуум.

  • Намалено термично разширение: Силициевият нитрид има по-ниска скорост на топлинно разширение, осигурявайки стабилност на размерите в диапазон от температури и намалявайки празнините, които могат да повлияят на точността.

  • Ненамагнитващи: Немагнитните свойства на силициевия нитрид го правят подходящ за приложения, при които трябва да се избягват магнитни смущения, като някои медицински или електронни устройства.

  • Потенциал за работа без смазване: Поради присъщите си характеристики, керамичните лагери от силициев нитрид могат да работят без смазване в определени приложения, намалявайки изискванията за поддръжка и елиминирайки

Недостатъци на лагерите от силициев нитрид

  • Скъп: Поради сложния процес на приготвяне, цената е сравнително висока.

  • Чувствителен на удар: Лагерите от силициев нитрид са податливи на повреда при удар в сравнение с циркониевите лагери.

Лагерна клетка от силициев нитрид

Керамичните лагери Si3N4 се предлагат в различни варианти на клетка, всяка от които е съобразена със специфични изисквания:

  • Клетка PEEK: Известни със своята висока якост и химическа устойчивост, клетките PEEK са идеални за различни тежки среди.

  • PTFE клетки: Тези клетки имат отлична химическа инертност и ниско триене, което ги прави идеални за приложения, изискващи минимално съпротивление.

  • Клетка от неръждаема стомана 316: Най-подходяща за приложения, изискващи здравина и умерена устойчивост на топлина и корозия.

  • Подобрена товароносимост: Керамичните лагери от силициев нитрид с пълно допълнение разполагат с допълнителни сачми и без клетка, което има капацитет на натоварване приблизително с 20% по-висок от лагерите с клетка.

  • Съображения за скорост: Въпреки това, поради увеличения брой търкалящи се елементи и произтичащото от това триене, максималната работна скорост на тези лагери е 70% по-ниска от сравнимите лагери с клетки.

Лагерна клетка от силициев нитрид

 

Особеност

Циркониеви керамични лагери

Керамични лагери от силициев нитрид

Керамични лагери от силициев карбид

Твърдост на материала

Високо

много висока

изключително високо

Тегло

по-лек от стомана

Относно. 40% по-лек от стоманата

по-лек от стомана

Коефициент на триене

ниска до средна

много ниско

ниско

Най-висока температурна устойчивост

до 400 ° C

до 1200 ° C

до 1600 ° C

Устойчивост на корозия

много добре

отличен

Отлично представяне в кисела и солена среда

електрическа изолация

Високо

Високо

Промяна

термично разширение

лекота

ниско

ниско

Устойчивост на удар/удароустойчивост

добър

добър

Високо

За да се увеличи максимално живота и производителността на лагерите от силициев нитрид, се препоръчва работа под максимално натоварване и номинална скорост. Този подход е особено важен, тъй като те са крехки от по-малко твърдите материали.

Приложение на лагери от силициев нитрид

Керамичните лагери Si3N4 се използват широко в различни индустрии поради техните уникални характеристики. Основните приложения включват:

  • Морски приложения: Тяхната устойчивост на пълно и постоянно потапяне ги прави идеални за морски приложения.

  • Среда с висок вакуум: Свойствата на материала на силициевия нитрид са полезни за приложения във висок вакуум.

  • Прецизни приложения: Ниското триене и високата товароносимост го правят подходящ за прецизни машини.

  • Електрически превозни средства: В индустрията за електрически превозни средства тяхната лека природа и електроизолационни свойства повишават ефективността и надеждността на двигателя.

Циркониеви керамични лагери са бели. Обикновено вътрешният и външният пръстен и топките са направени от цирконий, а клетката е направена от PTFE (т.е. тефлон). Тази комбинация може да издържи на температури до 240 градуса по Целзий, но ако се изисква температурната устойчивост да надвишава 240 градуса по Целзий до 400 градуса по Целзий, топката трябва да бъде напълнена с цирконий (т.е. клетката не се използва и цялата топка е изработен от цирконий), така че може да издържа на температури от около 400 градуса.

Циркониевите лагери са основно керамични лагери, изработени от цирконий (ZrO2) като основна суровина. Той има изключителна висока якост, висока якост на огъване и висока устойчивост на износване, което го прави отличен в много области. В допълнение, коефициентът на топлинно разширение на циркониевата керамика е близък до този на металите, което позволява идеалното й съчетаване с метали. Друга важна характеристика на циркониевите лагери са неговите топлоизолационни свойства, които им позволяват да работят в среда с висока температура и да издържат на бързи температурни промени. Керамичните лагери, направени от ZrO2 или циркониев диоксид, са здрав керамичен материал със свойства на разширение, много подобни на стоманата, но са с 30% по-леки. Това е предимство, когато се разглежда прилягането на вала и корпуса при приложения с висока температура, където разширяването на лагера може да означава, че валът вече не пасва. Въпреки че често се наричат ​​ZrO2 лагери, те всъщност са направени от ZrO2, стабилизиран с итрий, което придава на материала по-голяма здравина и устойчивост на счупване при стайна температура. Те също са изключително водоустойчиви, което означава, че често се използват в морски приложения, особено когато оборудването е напълно потопено или където традиционните стоманени лагери не могат да се справят с натоварването или скоростта.

циркониеви лагери

Циркониеви керамични сачмени лагери СРЕЩУ керамични сачмени лагери от силициев нитрид

Циркониевите керамични лагери (ZrO2) и керамичните лагери от силициев нитрид (Si3N4) са и двата вида керамични лагери. Те обикновено се използват широко в областта на производството на високопрецизни машини или в областта на абразивните материали. Основните разлики между сачмените лагери от циркониева керамика и сачмените лагери от силициев нитрид са:

Цвят

над 80% от керамичните топки от цирконий са предимно бели, а белите керамични топки от цирконий са техният истински цвят. Но понякога виждате, че керамичните топки изглеждат светложълти или сиви, тъй като циркониевият материал съдържа малко количество примеси. Циркониевите керамични топки имат предимствата на висока издръжливост, висока якост на огъване и устойчивост на износване, отлични топлоизолационни свойства и коефициент на топлинно разширение, близък до този на стоманените топки. Керамичните топки от силициев нитрид са предимно сажди. Изключително устойчиви са на високи температури и здравината им се поддържа до 1,200 градуса без да намалява. Те са едни от най-твърдите материали в света.

Сравнение на физическото представяне

По отношение на физичните свойства керамичните топки от цирконий имат отлична устойчивост на износване и устойчивост на корозия, докато керамичните топки от силициев нитрид също имат също толкова отлични характеристики. В същото време керамичните топки от силициев нитрид също се представят добре по отношение на точността на обработка. Следователно, в областите на приложение на индустрията за високопрецизни машини, като свръхпрецизни лагери, в допълнение към широкото използване на стоманени топки, керамичните топки също започнаха да стават популярни в прецизните лагери. Тъй като керамичните топки имат характеристики против корозия и ръжда в сравнение с носещите стоманени топки, а точността на обработка е дори по-висока от стоманените топки.
В същото време той може да играе ролята на устойчивост на висока температура в среда с висока температура. Поради това керамичните топки се появяват в лагери и други свръхпрецизни машинни полета, като водещи релси, аксесоари за линейно плъзгане и др., и имат тенденция да заменят стоманените топки.
â € <

Материални свойства

Циркониев лагер

Лагер от силициев нитрид

Плътност (kg·m-3)

5900

3250

Модул на еластичност (GPa)

205

310

Якост на натиск (MPa)

2000

> 3500

Модул на разрушаване (MPa)

600-900

700-1000

Твърдост по Викерс (GPa)

10-13

14-18

Издръжливост (MPa·m1/2)

8-12

5-8

Коефициент на термично разширение (K-3·10-6)

12

3.4

Специфична топлина (J·kg-1·K-1)

400

800

Горна граница на използвана температура (℃)

750

1050

Устойчивост на удар

среда

Високо

Режим на повреда при умора при търкалящ контакт

Беля

Беля

От масата, можем да знаем, че плътността на силициевия нитрид е 55.09% от тази на циркониевата керамика. Керамичните лагери, направени от силициев нитрид, са леки, което им позволява да се използват в медицински устройства, домакински уреди, двигатели на аерокосмическо оборудване и колянови валове на състезателни автомобили. В същото време, поради ниската си плътност, когато силициевият нитрид се използва като търкалящ елемент, центробежната сила, генерирана от въртящото се тяло, когато лагерът се върти, се намалява, което е благоприятно за високоскоростно въртене. Това му позволява да се използва в газотурбинни двигатели, шпиндели на машинни инструменти и центробежно разделяне. оборудване и други области.

Еластичният модул и якостта на натиск на силициевия нитрид също са по-високи от тези на циркониевия оксид, което е от полза за способността на лагера да издържа на напрежение; коефициентът на топлинно разширение на силициевия нитрид е по-малък от този на циркониевия оксид, което е от полза за намаляване на реакцията на лагера към температурата. Променящата се чувствителност прави диапазона на работните скорости на лагера по-широк; Устойчивостта на силициев нитрид при висока температура, устойчивостта на корозия и отличната химическа стабилност позволяват керамиката от силициев нитрид да се използва при по-високи температури и на места, където не може да се използва циркониев оксид, като натриев хидроксид сулфат. Силни киселинно-алкални сцени.

Въпреки че керамиката от силициев нитрид има характеристиките на силна адаптивност и превъзходна производителност, цената на керамичните лагери от силициев нитрид е сравнително висока. В сравнение с други керамични материали (силициев нитрид и др.), процесът на приготвяне на циркониеви материали е сравнително прост, цената на зеленото тяло е ниска и е лесно да се продава. Следователно керамичните лагери от цирконий могат да се използват в приложения, които имат относително ниски изисквания за производителност и ниски разходи. Долна сцена. В същото време якостта на циркония е по-висока от тази на силициевия нитрид, което е от полза за стабилното използване на лагерите.

Заслужава ли си добавената цена?

Изцяло керамичните лагери обикновено са по-кръгли, по-гладки и по-твърди от стоманата, с отлична устойчивост на корозия и топлина, по-висока стабилност на размерите и по-ниска плътност. Това обаче си има цена. Керамичните лагери са много скъпи от стоманените лагери. И така, кога си струва да инвестираме в керамични лагери?

Приложенията с висока стойност, като например лабораторно оборудване, имат точни изисквания, които трябва да бъдат изпълнени всеки път, когато приложението се използва. Използването на грешни компоненти в такова оборудване може да замърси условията за изследване или да доведе до пълно спиране на изследването. Това е същото като при медицинското оборудване, където незамърсените и немагнитните свойства на керамичните лагери са критични.

Вземете ядрено-магнитен резонанс (MRI), техника за изобразяване, свързана предимно с болничните MRI скенери. Технологията използва силни магнитни полета за генериране на дву- или триизмерни изображения на всеки жив обект. Стандартните стоманени лагери не могат да се използват в тези скенери поради магнетизъм, така че керамичните лагери са най-добрият избор за тези приложения с висока стойност.

По същия начин, тъй като производителите на интегрални схеми се стремят да направят своите чипове по-бързи, по-малки и по-евтини, компаниите за оборудване за производство на полупроводници разчитат на усъвършенствани керамични компоненти, за да постигнат необходимата производителност. Лагерите, направени от силициев нитрид вместо стандартен алуминиев оксид (алуминиев оксид), осигуряват електрическа изолация и добра устойчивост на корозия.

циркониеви лагери MRI

В съвременните промишлени области лагерите се използват широко и лагерите от цирконий и лагерите от силициев нитрид, като два керамични лагера с висока производителност, се превърнаха в първи избор в много ситуации с високо търсене поради техните уникални физични и химични свойства. И така, каква е разликата между двете и как да изберем?

Силициевият нитрид има подобно съпротивление и диелектрична константа на алуминиевия оксид, но поради своята микроструктура материалът е много по-здрав. Изцяло керамичните лагери могат да се приспособят към много предизвикателни условия, присъстващи във фазата на производство на полупроводници; от температури на пещта, приближаващи се до 1400 градуса по Целзий, до качеството на въздуха на клас 1 чисти помещения. Изведнъж добавената цена е очевидно оправдана.

Като цяло циркониевите лагери и лагерите от силициев нитрид имат своите предимства и недостатъци. Когато избирате, трябва да имате предвид действителните нужди и условия на приложение, за да изберете най-подходящия материал. Например, циркониевите лагери са добър избор за приложения, които изискват висока устойчивост на износване и топлоизолация; докато лагерите от силициев нитрид са подходящи за приложения, които изискват висока якост и устойчивост на корозия.

Пълнокерамични срещу хибридни керамични лагери?

Когато повечето хора се сещат керамични лагери, те обикновено се отнасят до хибридни версии. Хибридните лагери се намират някъде по средата между керамични и стоманени и обикновено включват шайби или пръстени от неръждаема стомана и керамични топки. Стоманените вътрешни и външни пръстени на хибридните лагери могат да се обработват до много строги допуски, което означава, че са най-подходящи за приложения като електрически двигатели, лабораторно оборудване и машинни инструменти.

Например, при мелница, триенето може да бъде намалено чрез добавяне на керамични хибридни лагери и синтетична смазка, като по този начин се увеличават оборотите в минута (RPM) с 25%. Шлифовъчен шпиндел с хибридна керамика може да работи 4,000 часа без никакви проблеми, докато шлифовъчен шпиндел със стоманени лагери може да работи 3,000 часа. Хибридните лагери също намаляват температурите с близо 50%. В хоризонталните обработващи центри е доказано, че преминаването от конвенционални към хибридни лагери намалява температурите на лагерите от 60 градуса по Целзий до 36 градуса по Целзий при 12,000 XNUMX RPM.

Пълнокерамични срещу хибридни керамични лагери

По-високи скорости могат да бъдат постигнати с помощта на хибридни комбинации от лагери, отколкото изцяло керамични лагери тъй като по-малко чупливите метални пръстени са по-малко склонни към внезапна катастрофална повреда при високи скорости или под натоварване. Въпреки това устойчивостта на корозия на хибридните лагери бледнее в сравнение с тази на изцяло керамичните лагери. Определянето на правилните лагери за екстремни среди винаги е било сложен въпрос. Но точно както цирконийът изясни произхода на живота, задаването на тези три въпроса ще подпомогне процеса на вземане на решения.