Segueix-me a: 
La guia definitiva dels materials de coixinets ceràmics
Els materials ceràmics s'utilitzen àmpliament en molts camps a causa de les seves propietats úniques, com ara alta resistència, alta duresa, resistència al desgast i estabilitat a alta temperatura. Per exemple, els estudis ho han demostrat coixinets totalment ceràmics funcionen millor a l'aigua que qualsevol acer inoxidable. Els materials de coixinets ceràmics d'ús habitual inclouen nitrur de silici (Si3N4), òxid de zirconi (ZrO2), òxid d'alumini (Al2O3) o carbur de silici (SiC). Els millors materials ceràmics per a ambients contaminats per l'aigua són el nitrur de silici i l'òxid de zirconi, que tenen una vida útil 70 vegades més llarga que els coixinets d'acer inoxidable. Aquest bloc té com a objectiu explorar la classificació i les especificacions dels materials de coixinets ceràmics, rodament de ceràmica processos de fabricació i proporcioneu suggeriments constructius per a la vostra comprensió integral dels coixinets ceràmics.
El component principal de la ceràmica d'alúmina és Al2O3, que en general conté més del 45%. Les ceràmiques d'alúmina tenen diverses propietats excel·lents, com ara resistència a altes temperatures, resistència a la corrosió, alta resistència, alta duresa i bones propietats dielèctriques, que són de 2 a 3 vegades les de la ceràmica ordinària. Tanmateix, l'inconvenient de les ceràmiques d'alúmina és que són fràgils i no poden acceptar canvis bruscos de temperatura ambient. L'alúmina es pot dividir en diferents sèries segons el contingut d'Al2O3 i els additius utilitzats. Per exemple, l'alúmina es pot dividir en 75% d'alúmina, 85% d'alúmina, 95% d'alúmina, 99% d'alúmina, etc.
material | Alúmina | ||||
Propietat | unitat | AL997 | AL995 | AL99 | AL95 |
% d'alúmina | - | 99.70% | 99.50% | 99.00% | 95.00% |
color | - | ivori | ivori | ivori | Marfil i Blanc |
Permeabilitat | - | hermètic | hermètic | hermètic | hermètic |
Densitat | g / cm³ | 3.94 | 3.9 | 3.8 | 3.75 |
Rectitud | - | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ |
Duresa | Escala de Mohs | 9 | 9 | 9 | 8.8 |
Absorció d'aigua | - | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 |
Resistència a la flexió (típica a 20 °C) | MPa | 375 | 370 | 340 | 304 |
Resistència a la compressió (típica a 20 °C) | MPa | 2300 | 2300 | 2210 | 1910 |
Coeficient d'expansió tèrmica (25 °C a 800 °C) | 0-6/°C | 7.6 | 7.6 | 7.6 | 7.6 |
Resistència dielèctrica (5 mm de gruix) | AC kV/mm | 10 | 10 | 10 | 10 |
Pèrdua dielèctrica (25 °C @ 1 MHz) | - | <0.0001 | <0.0001 | 0.0006 | 0.0004 |
Constant dielèctrica (25 °C @ 1 MHz) | - | 9.8 | 9.7 | 9.5 | 9.2 |
Resistència de volum (20 °C @ 300 °C) | Ω·cm³ | >10^14 2*10^12 | >10^14 2*10^12 | >10^14 4*10^11 | >10^14 2*10^11 |
Temperatura de treball a llarg termini | ° C | 1700 | 1650 | 1600 | 1400 |
Conductivitat tèrmica (25 °C) | W/m·K | 35 | 35 | 34 | 20 |
L'alúmina és un excel·lent aïllant elèctric que pot resistir corrents extremadament elevats. La seva resistència a l'electricitat augmenta amb la seva puresa. Com més gran sigui la puresa de l'alúmina, més gran serà la seva resistència. És ben sabut que l'alúmina també té un punt de fusió molt alt i una forta resistència mecànica. El punt de fusió dels productes ordinaris d'Al2O3 és molt alt, a 2072 °C. Tanmateix, quan la temperatura supera els 1000 graus centígrads, la seva resistència mecànica disminueix. A causa de la gran diferència en el seu coeficient d'expansió tèrmica, la seva resistència al xoc tèrmic és pobre quan s'exposa a temperatures molt elevades.
L'excel·lent estabilitat química de l'alúmina és el principal factor de la seva alta resistència a la corrosió. L'alúmina també és lleugerament soluble en àcids forts (com l'àcid sulfúric calent i HCl calent, l'HF també té un cert efecte corrosiu) i solucions alcalines, però és insoluble en aigua. L'alúmina pura pot resistir la corrosió química, fent que l'alúmina pura sigui el material principal escollit per a una varietat de peces industrials. Els materials ceràmics d'alúmina també tenen una pressió de vapor i una pressió de descomposició molt baixes. Aquestes propietats de la ceràmica d'alúmina la converteixen en una de les ceràmiques més utilitzades en entorns estructurals, de desgast i corrosió.
Les ceràmiques d'alúmina es fabriquen normalment amb bauxita i es poden modelar mitjançant modelat per injecció, modelat per compressió, premsat isostàtic, fosa antilliscant, mecanitzat de diamant i extrusió. Igual que el nitrur d'alumini, l'alúmina també es pot produir per premsat en sec i sinterització o per premsat en calent amb ajuda de sinterització adequada. A causa de la seva excel·lent estabilitat química, la ceràmica d'alúmina s'utilitza àmpliament en coixinets, impulsors de bombes resistents a l'àcid, cossos de bombes, revestiments de canonades àcids i vàlvules. A causa de la seva duresa extremadament alta i resistència al desgast, la ceràmica d'alúmina també s'utilitza sovint per fabricar peces tèxtils resistents al desgast i eines de tall.
Materials ceràmics: ordenats per densitat
Zirconi > 99% alúmina > 94% alúmina > 85% alúmina > Nitrur d'alumini > Carbur de silici > Mullita > Macor© > Cordierita
Materials ceràmics: ordenats per duresa
Carbur de silici > 99% d'alúmina > YTZP Zirconia > Nitrur de silici > TTZ Zirconia > 94% d'alúmina > 85% d'alúmina > Mullita > Cordierita > Macor©
Quan el contingut d'alúmina és superior al 95%, es pot utilitzar com a excel·lent aïllant elèctric. També té pèrdues dielèctriques baixes i s'utilitza àmpliament en els camps de l'electrònica i els aparells elèctrics. A més, l'alúmina transparent té una bona transmitància a la llum visible i als raigs infrarojos i es pot utilitzar per fabricar làmpades de sodi d'alta pressió i materials per a finestres de detecció d'infrarojos. A més, les ceràmiques d'alúmina tenen una excel·lent biocompatibilitat (similar als aliatges de titani), alta resistència i alta resistència al desgast. Per tant, també són materials ideals per preparar ossos artificials i articulacions artificials.
Zirconi (ZrO2)
Les ceràmiques de zirconi tenen baixa conductivitat tèrmica (aïllants) i alta resistència. Es van utilitzar per primera vegada en viatges espacials a la dècada de 1960 per formar una barrera tèrmica que permetia que el transbordador espacial entrés a l'atmosfera terrestre. També manegen bé les altes temperatures, amb temperatures de funcionament per a ceràmiques de zirconi que oscil·len entre -85 °C i 400 °C. No obstant això, no són tan resistents al xoc tèrmic com el nitrur de silici.
La zirconia té una forta resistència a la corrosió, cosa que la converteix en una opció perfecta per a líquids altament corrosius. Les ceràmiques de zirconi tenen una resistència molt alta al creixement de fissures, la qual cosa les fa ideals per a processos de soldadura i eines de conformació de filferro. També els fa molt adequats per a aplicacions mecàniques amb risc de fractura. També tenen una dilatació tèrmica molt alta, amb un coeficient de dilatació tèrmica similar al de l'acer, el que els converteix en el material preferit per a unir-se. ceràmica i acer. A partir de les seves propietats tribològiques, l'òxid de zirconi és molt adequat per al moviment de rodament, com ara coixinets lineals o coixinets de boles (com el fabricant TK lineal). A més, les ceràmiques d'òxid de zirconi i nitrur de silici tenen els avantatges d'una gran compatibilitat al buit, no magnètica, no conductora, resistència a alta i baixa temperatura, resistència química, alta rigidesa i llarga vida. L'òxid de zirconi i el nitrur de silici es poden convertir en coixinets després del funcionament en sec.
En comparació amb l'òxid d'alumini, l'òxid de zirconi té propietats mecàniques elevades, alta resistència i alta tenacitat. Si l'únic requisit és la resistència, es recomana aquest material. A més, l'òxid de zirconi (ZrO2) és una ceràmica coneguda en l'àmbit sanitari per la seva biocompatibilitat, bioinert, altes propietats mecàniques i estabilitat química. A la indústria dental, la ceràmica d'òxid de zirconi s'utilitza per fabricar diversos productes de restauració dental. Per exemple, els blancs de zirconi opacs o translúcids s'utilitzen per fer ponts, corones i xapes. La zirconia premsada isostàticament en calent s'utilitza per fer implants dentals i pilars. Un dels principals avantatges d'utilitzar zirconi per a les restauracions dentals és que l'acabat superficial del producte acabat s'assembla molt al de les dents naturals. A més, les ceràmiques de zirconi són translúcides i brillants, la qual cosa les fa adequades per a aplicacions on l'aspecte és similar al material de la dent circumdant.
Carbur de silici
La ceràmica de carbur de silici es compon principalment de SiC, que és una ceràmica d'alta resistència i alta duresa. Quan s'utilitza a altes temperatures de 1200 ℃ a 1400 ℃, la ceràmica de carbur de silici encara pot mantenir una alta resistència a la flexió i es pot utilitzar per a components d'alta temperatura com ara broquets de cua de coets, mànigues de termopar i tubs de forn. Les ceràmiques de carbur de silici també tenen una bona conductivitat tèrmica, resistència a l'oxidació, conductivitat elèctrica i alta resistència a l'impacte. És un material ceràmic fort i durador que també té una baixa densitat, una baixa taxa d'expansió tèrmica i una excel·lent resistència al xoc tèrmic, el que el fa adequat per a una varietat d'aplicacions.
Composition | Carbur de Silici |
pes molecular | 40.1 |
Canals | Negre |
Punt de fusió | 2,730 °C (4,946 °F) (descomposició) |
Densitat | 3.0 a 3.2 g/cm³ |
Resistivitat elèctrica | 1 a 4 x 10^5 Ω·m |
Porositat | 0.15 de 0.21 |
Calor específica | 670 a 1180 J/kg·K |
El carbur de silici es produeix combinant químicament àtoms de carboni i silici. Les partícules de carbur de silici s'han utilitzat com a abrasiu durant molts anys, més habitualment en forma de paper de vidre. No obstant això, aquestes partícules es poden unir mitjançant la sinterització per formar un material ceràmic molt durador que té excel·lents propietats mecàniques, cosa que el converteix en una excel·lent opció per a la fabricació de coixinets. A causa de la seva alta conductivitat tèrmica i elèctrica, el carbur de silici es pot utilitzar com a component d'eliminació estàtica.
Ceràmica de nitrur
Ceràmica de nitrur estan fets de nitrurs metàl·lics, com ara nitrur de silici i nitrur d'alumini. Ceràmica de nitrur de silici (Si3N4) Si3N4 és el component principal de la ceràmica de nitrur de silici, que és d'alta resistència, alta duresa, resistent al desgast, resistent a la corrosió i autolubricant. temperatura alta ceràmica.
Propietat | Valor |
color | Gris i gris fosc |
Densitat | 3.2 a 3.25 g/cm³ |
Duresa | HRA 92 a 94 |
Temperatura màxima de funcionament | 1300 a 1600 ° C |
Conductivitat tèrmica | De 23 a 25 W/(m·K) |
Resistència a la flexió | ≥900 MPa |
Duresa fractural | De 6 a 8 MPa·m¹/² |
Coeficient d’expansió tèrmica | 2.95 a 3 x 10⁻⁶ / °C (0 a 1400 °C) |
Si busqueu un material que pugui suportar altes temperatures i condicions mecàniques dures, el carbur de silici és una bona opció, tot i que aquest material és relativament car. Quan es tracta de suportar altes temperatures, el nitrur de silici és superior a les solucions metàl·liques i Si3N4 té un rang de temperatures de funcionament de -100 °C a 900 °C. A més, el coeficient d'expansió lineal del nitrur de silici és el més petit entre tots els tipus de ceràmica. El coeficient d'expansió tèrmica del nitrur de silici és de 3.2 x 10-6/k, mentre que el coeficient d'expansió tèrmica del carbur de silici és de 3 x 10-6/k. Els coeficients d'expansió tèrmica de l'òxid de zirconi i l'òxid d'alumini són 10.5 x 10-6/k i 8.5 x 10-6/k respectivament, però tots dos són molt inferiors a l'acer del coixinet, que té un coeficient de 12.5 x 10-6/k.
Classificació | Idexid d’alumini | Idexid d’alumini | Idexid d’alumini | Idexid d’alumini | Carbur de Silici | Carbur de Silici | Nitrur de silici | Mullita | Òxid de zirconi | talc |
| KMA995 | KMG995 | KMA96 | KMA96 | KMG96 | KMG96 | Kai170 | talc | KYCS | - |
Component principal | 99.7 | 99.6 | 96 | 96 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
color | Milky | blanc | blanc | blanc | blanc | Negre | Negre | Gris | blanc | Gris |
Densitat aparent (g/cm³) | 3.9 | 3.9 | 3.7 | 3.7 | 6 | 3.1 | 3.2 | 2.7 | 3.5 | 2.7 |
Resistència a la flexió (MPa) | 400 | 390 | 320 | 320 | 1000 | 450 | 420 | 200 | 120 | 150 |
Mòdul de Young (GPa) | 380 | 370 | 340 | 340 | 410 | 350 | 310 | 210 | 130 | 170 |
Mecànic | Duresa (GPa) | 21 | 20 | 19 | 19 | 24 | 13 | 22 | 13 | 22 |
Relació de Poisson | - | 0.24 | 0.24 | 0.23 | 0.31 | - | - | - | - | - |
Tenacitat a la fractura (MPa·m¹/²) | 4.1 | 4 | 3.5 | 3.5 | 4 | 4.6 | 6 | 2.5 | 4 | 3.2 |
Coeficient d'expansió tèrmica (×10⁻⁶/°C) | 6.4 | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 7.7 | 11 | 3.2 | 2.5 | 2.5 | 3.0 |
Tèrmic | Conductivitat tèrmica (W/m·K) | 30 | 28 | 21 | 21 | 120 | 80 | 17 | 1.2 | 1.2 |
Calor específic (J/g·K) | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 1.4 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
Constant dielèctrica (1 MHz) | 10.1 | 10.1 | 9.4 | 9.5 | 11 | 7 | 7 | 8.5 | 8.5 | 6.5 |
Pèrdua dielèctrica (×10⁻⁴) | 50 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
Resistivitat de volum (Ω·cm) | 10¹⁵ | 10¹⁵ | 10¹⁴ | 10¹⁴ | 10¹² | 10¹² | 10¹² | 10¹³ | 10¹³ | 10¹³ |
Tensió de ruptura (kV/mm) | 10 | 10 | 10 | 10 | 11 | 11 | 11 | 10 | 10 | 10 |
Característiques | Alta força | Alta força | Alta força | Alta força | Alta duresa | Alta duresa | Alta duresa | Alta duresa | Baixa conductivitat tèrmica | Baixa conductivitat tèrmica |
| Aïllant | Aïllant | Aïllant | Aïllant | Conductor | Conductor | Aïllant | Aïllant | Pes lleuger | Pes lleuger |
Usa | Material abrasiu | Material abrasiu | Material abrasiu | Material abrasiu | Material abrasiu | Material abrasiu | Material de segellat | Material de segellat | Aïllament tèrmic | Aïllament tèrmic |
| Peces resistents al desgast | Peces resistents al desgast | Peces resistents al desgast | Peces resistents al desgast | Peces amb resistència a alta temperatura | Peces amb resistència a alta temperatura | Parts aeroespacials | Parts aeroespacials | Parts d'equips semiconductors | Parts d'equips semiconductors |
| Peces d'alta temperatura | Peces d'alta temperatura | Peces d'alta temperatura | Peces d'alta temperatura | eina de peces | eina de peces | Parts d'elèctrodes | Parts d'elèctrodes | Implants dentals | Implants dentals |
| Parts de semiconductors | Parts de semiconductors | Parts de semiconductors | Parts de semiconductors | - |
|
|
|
|
Article | unitat | Si₃N₄ | ZrO₂ | Al₂O₃ (99.5%) | SiC | Acer amb coixinet |
Densitat | g / cm³ | 3.23 | 6.05 | 3.92 | 3.12 | 7.85 |
Absorció d'aigua | % | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Coeficient d'expansió tèrmica lineal | 10⁻⁶/k | 3.2 | 10.5 | 8.5 | 3 | 12.5 |
Mòdul d'elasticitat (Mod. Young) | GPa | 300 | 210 | 340 | 440 | 208 |
Relació de Poisson | / | 0.26 | 0.3 | 0.22 | 0.17 | 0.3 |
Duresa (Hv) | MPa | 1500 | 1200 | 1650 | 2800 | 700 |
Força a la flexió (@ RT) | MPa | 720 | 950 | 310 | 390 | 520 (resistència a la tracció) |
Resistència a la flexió (700 °C) | MPa | 450 | 210 | 230 | 380 | / |
Resistència a la compressió (@ RT) | MPa | 2300 | 2000 | 1800 | 1800 | / |
Tenacitat a la fractura, K₁c | MPa·m¹/² | 6.2 | 10 | 4.2 | 3.9 | 25 |
Conductivitat tèrmica (@ RT) | W/m·k | 25 | 2 | 26 | 120 | 40 |
Resistivitat elèctrica (@ RT) | Ω·mm²/m | >10¹³ | >10¹⁵ | >10¹⁶ | >10³ | 0.1 ~ 1 |
Màx. Temperatura d'ús (sense càrrega) | ° F | 1050 | 750 | 1500 | 1700 | 1700 |
Resistència a la corrosió | / | Excel · lent | Excel · lent | Excel · lent | Excel · lent | Pobre |
El nitrur de silici té una resistència al xoc tèrmic de fins a 600 °C, mentre que el carbur de silici té una resistència al xoc tèrmic de només 400 °C, cosa que indica que el risc de fractura a causa dels canvis de temperatura és mínim. En entorns amb grans canvis de temperatura, quan la resistència al xoc tèrmic és una prioritat, el nitrur de silici i el carbur de silici són les millors opcions. A més, el nitrur de silici té una excel·lent resistència a la corrosió i pot resistir la corrosió de diversos àcids, excepte l'àcid fluorhídric, així com la corrosió dels àlcalis i diversos metalls. Té un excel·lent aïllament elèctric i resistència a la radiació.
Aquestes propietats de la ceràmica de nitrur de silici la fan útil com a coixinets d'alta temperatura, segells utilitzats en mitjans corrosius, termopous, eines de tall de metalls, etc. Per exemple, la indústria dels coixinets de boles fa dècades que utilitza aquest material perquè el seu rendiment ha estat provat i demostrat. s'utilitza sovint en elements rodants de coixinets ceràmics, com boles i corrons. La seva duresa mecànica extremadament alta i la seva excel·lent resistència a la calor, resistència a la corrosió i resistència al desgast són els motius pels quals s'utilitza en diverses aplicacions d'alta càrrega.
Procés de fabricació de coixinets de ceràmica
1. Processament de pols. El processament de pols de ceràmica és molt similar al processament de pols de metall. El processament de pols de ceràmica consisteix a produir pols per mòlta, després fabricar productes ecològics, i després consolidar-los per obtenir el producte final. La pols és una col·lecció de partícules fines. La pols de ceràmica es pot obtenir triturant, triturant, separant impureses, barrejant i assecant les matèries primeres.
2. Barreja. Els components ceràmics es barregen mitjançant diversos procediments i màquines, i es converteixen en purins afegint aigua o altres líquids.
3. Mètode d'emmotllament. Hi ha dos mètodes principals d'emmotllament de coixinets ceràmics comuns, a saber, l'emmotllament per injecció i l'emmotllament en pols. L'emmotllament per injecció consisteix a barrejar pols ceràmica, aglutinant orgànic, agent reològic, pols submicrònica, etc., i injectar-los al motlle per a l'emmotllament. L'emmotllament en pols consisteix a comprimir la pols de ceràmica en un cos modelat i després sinteritzar-lo. Aquests dos mètodes tenen els seus propis avantatges i desavantatges i s'han de seleccionar segons requisits específics d'enginyeria.
4. Procés de sinterització. Durant el procés de producció de coixinets ceràmics, es requereix un tractament de sinterització per solidificar el cos modelat en un producte acabat i, al mateix temps, també es pot millorar la seva duresa i resistència. El procés de sinterització dels coixinets ceràmics inclou principalment la sinterització d'òxids i la sinterització sense òxid. Segons el flux del procés, la sinterització es realitza primer en una atmosfera oxidant i després la sinterització es realitza en una atmosfera no oxidant. Durant tot el procés de sinterització, els paràmetres ambientals com la temperatura, la pressió i l'atmosfera s'han de controlar per aconseguir l'efecte desitjat.
5. Mecanitzat de precisió. Els coixinets de ceràmica sinteritzada s'han de sotmetre a un mecanitzat de precisió posterior, inclòs el rectificat, el polit i altres passos per garantir la seva precisió geomètrica i la seva qualitat superficial. Al mateix temps, també es requereix una inspecció de qualitat, inclosa la detecció i l'anàlisi d'indicadors com ara la duresa, la densitat, la desviació dimensional i el soroll per garantir que els productes compleixin els estàndards internacionals i els requisits del client.
Factors que afecten la qualitat dels coixinets ceràmics
La qualitat i l'eficiència del processament de coixinets ceràmics es veuen afectades per molts factors, com ara la qualitat del material, el mètode d'emmotllament, el procés de sinterització, la tecnologia i l'equip de mecanitzat de precisió. A més, també es veu afectat per paràmetres ambientals com la temperatura, la pressió, la velocitat i l'atmosfera durant el processament. Tenint en compte aquests factors, els tècnics de processament han de seleccionar els fluxos de procés, els equips i les eines adequats per garantir la qualitat del processament. En el camp d'aplicació actual dels materials ceràmics, els coixinets ceràmics s'han convertit en una tecnologia bàsica indispensable.