Coixinets de zirconi i coixinets de nitrur de silici, quins?

Coixinets de zirconi i coixinets de nitrur de silici, quins?

Amb l'avenç i el desenvolupament continus de la ciència i la tecnologia en aquesta etapa, molts equips, com ara màquines-eina d'alta velocitat i instruments de prova de precisió, tenen requisits cada cop més elevats per a l'entorn de treball i el treball. La gent també requereix que aquests equips mecànics hagin de tenir diverses prestacions com ara alta velocitat, alta precisió i alta fiabilitat. Per tal de satisfer les necessitats de desenvolupament de molts camps, com ara maquinària d'alta precisió, indústria petroquímica, aeroespacial, defensa militar i nacional, les peces mecàniques han de tenir una bona resistència a la calor, resistència a la corrosió, propietats magnètiques baixes, etc., i també han de ser capaços de per suportar una pressió més gran. . Com un dels components clau, els coixinets de rodament tenen requisits de rendiment més elevats.

Tanmateix, els coixinets metàl·lics tradicionals ja no són capaços de complir els requisits actuals per a un funcionament estable a llarg termini en condicions de treball extremadament dures. En comparació amb els coixinets tradicionals, coixinets de ceràmica have excellent comprehensive properties such as long service life, high overall precision and stiffness, high rotation speed, good thermal stability, insulation and non-magnetic properties. They are suitable for use in high temperatures, high speeds, high precision, strong corrosion and strong magnetic fields. It has very broad application prospects under working conditions such as and without lubrication. There are several commercially available ceramic bearing types, all of which offer many advantages over traditional bearing elements. Typical ceramics commonly used as bearing materials are silicon nitride (Si3N4) and zirconium oxide (ZrO2). This blog will explain in detail the advantages and disadvantages of silicon nitride (Si3N4) and zirconium oxide (ZrO2) ceramic bearings, and provide constructive suggestions for you to choose a suitable bearing.

Coixinets de zirconi vs coixinets de nitrur de silici

Què són els coixinets de nitrur de silici?

El nitrur de silici és un material molt dur però també molt lleuger. Té una excel·lent resistència a l'aigua, l'aigua salada i una varietat d'àcids i àlcalis. També té un rang de temperatures de funcionament molt ampli i és adequat per al seu ús en aplicacions d'alt buit. La duresa extremadament alta dels coixinets de nitrur de silici també significa una major fragilitat, de manera que s'ha de minimitzar la càrrega d'impacte o impacte per evitar el risc d'esquerdes. Els coixinets ceràmics de nitrur de silici són negres. En general, els anells i les boles interiors i exteriors estan fets de nitrur de silici i la gàbia està feta de PTFE o niló. En aquesta combinació, la resistència a la temperatura no supera els 240 graus (perquè el propi PTFE també és un tipus de niló, de manera que el producte si hi ha aquest material, la resistència a la temperatura no superarà els 240 graus.

Coixinets de nitrur de silici s'han utilitzat com a tipus de coixinet primari per a una varietat d'aplicacions aeroespacials. Val la pena assenyalar que els transbordadors espacials de la NASA es van construir originalment amb coixinets d'acer a les bombes de turbina, cosa que va resultar no ser el correcte quan els transbordadors espacials, i especialment els seus motors, van experimentar càrregues i temperatures enormes. A causa d'aquestes càrregues extremes, els enginyers de la NASA van actualitzar els coixinets a coixinets de nitrur de silici per la seva superioritat en entorns de buit. De manera impressionant, segons l'anàlisi de la NASA, els coixinets Si3N4 ofereixen una millora del 40% en el temps de funcionament en comparació amb els coixinets d'acer.

coixinets de nitrur de silici

Avantatges dels coixinets de nitrur de silici

Exploreu els avantatges, les aplicacions i les consideracions clau dels coixinets ceràmics de nitrur de silici (Si3N4). Els coixinets de nitrur de silici es troben ràpidament en diverses indústries a causa de la seva combinació única de força, propietats lleugeres i resistència ambiental.

  • Característiques lleugeres: Els coixinets de ceràmica Si3N4 són aproximadament un 40% més lleugers que els coixinets d'acer. La reducció significativa de pes significa una menor inèrcia i menys energia necessària per a l'acceleració i desacceleració mecànica, augmentant l'eficiència en aplicacions d'alta velocitat.

  • Duresa i resistència al desgast excepcionals: El nitrur de silici és conegut per la seva duresa extremadament alta, que supera la de la majoria dels metalls. Aquesta duresa ajuda a millorar la resistència al desgast, allargant així la vida útil del coixinet fins i tot en condicions de funcionament severes.

  • Coeficient de fricció baix: L'acabat de la superfície llisa dels coixinets de ceràmica Si3N4 combinat amb la seva composició del material dóna com a resultat un coeficient de fricció molt baix. Aquesta baixa fricció minimitza la generació de calor i la pèrdua d'energia, augmentant així l'eficiència global de l'equip.

  • Capacitat d'alta temperatura: Els coixinets ceràmics Si3N4 mantenen les seves propietats mecàniques a altes temperatures on els materials tradicionals es poden degradar. Això els fa aptes per a aplicacions que impliquen altes temperatures de funcionament, ampliant la seva usabilitat en entorns inadequats per a coixinets metàl·lics.

  • Corrosió i resistència química: El nitrur de silici és inherentment resistent a una àmplia gamma de substàncies corrosives, com ara aigua, aigua salada i molts àcids i àlcalis. Aquesta resistència garanteix la seva fiabilitat en entorns corrosius com el processament químic o aplicacions marines.

  • Propietats d'aïllament elèctric: Els coixinets ceràmics de nitrur de silici són elèctricament aïllants. Aquesta propietat és fonamental en aplicacions elèctriques i electròniques, ja que l'aïllament és essencial per evitar la corrosió galvànica i els danys relacionats.

  • Compatibilitat amb ambients d'alt buit: Els coixinets de nitrur de silici poden funcionar amb eficàcia en entorns d'alt buit sense risc de desgasificació, un problema comú amb determinats materials sota buit.

  • Expansió tèrmica reduïda: El nitrur de silici té una menor taxa d'expansió tèrmica, proporcionant estabilitat dimensional en un rang de temperatures i reduint els buits que poden afectar la precisió.

  • No magnètic: Les propietats no magnètiques del nitrur de silici el fan adequat per a aplicacions on s'han d'evitar les interferències magnètiques, com ara determinats dispositius mèdics o electrònics.

  • Potencial de funcionament sense lubricació: A causa de les seves característiques inherents, els coixinets ceràmics de nitrur de silici poden funcionar sense lubricació en determinades aplicacions, reduint els requisits de manteniment i eliminant

Desavantatges dels coixinets de nitrur de silici

  • Caro: A causa del seu complicat procés de preparació, el preu és relativament elevat.

  • Sensible a l'impacte: Silicon nitride bearings are susceptible to impact damage than zirconia bearings.

Gàbia de coixinets de nitrur de silici

Els coixinets de ceràmica Si3N4 estan disponibles en una varietat d'opcions de gàbia, cadascuna adaptada a requisits específics:

  • Gàbia PEEK: conegudes per la seva alta resistència i resistència química, les gàbies PEEK són ideals per a una varietat d'entorns durs.

  • Gàbies de PTFE: aquestes gàbies tenen una excel·lent inercia química i una baixa fricció, la qual cosa les fa ideals per a aplicacions que requereixen una resistència mínima.

  • Gàbia d'acer inoxidable 316: més adequada per a aplicacions que requereixen força i resistència moderada a la calor i a la corrosió.

  • Capacitat de càrrega millorada: els coixinets ceràmics de nitrur de silici de complement complet inclouen boles addicionals i sense gàbia, que tenen una capacitat de càrrega aproximadament un 20% més gran que els coixinets de gàbia.

  • Consideracions de velocitat: No obstant això, a causa de l'augment del nombre d'elements rodants i la fricció resultant, la velocitat màxima de funcionament d'aquests coixinets és un 70% inferior a la de coixinets comparables amb gàbies.

Gàbia de coixinets de nitrur de silici

 

característica

Coixinets ceràmics de zirconi

Coixinets ceràmics de nitrur de silici

Coixinets ceràmics de carbur de silici

Duresa material

alt

molt alt

extremadament alt

pes

més lleuger que l'acer

Sobre. 40% més lleuger que l'acer

més lleuger que l'acer

Coeficient de fricció

baix a mitjà

molt baix

sota

Màxima resistència a la temperatura

fins a 400 ° C

fins a 1200 ° C

fins a 1600 ° C

resistència a la corrosió

molt bo

Excel · lent

Excel·lent rendiment en ambients àcids i salins

aïllament elèctric

alt

alt

Canvi

expansió tèrmica

facilitat

sota

sota

Resistència a l'impacte/resistència als cops

alt

To maximize silicon nitride bearing life and performance, operation below maximum load and rated speed is recommended. This approach is particularly important because they are brittle than less hard materials.

Aplicació de coixinets de nitrur de silici

Els coixinets de ceràmica Si3N4 s'utilitzen àmpliament en diverses indústries a causa de les seves característiques úniques. Les principals aplicacions inclouen:

  • Aplicacions marines: La seva resistència a la submersió completa i permanent els fa ideals per a aplicacions marines.

  • Ambient d'alt buit: Les propietats del material del nitrur de silici són beneficioses per a aplicacions d'alt buit.

  • Aplicacions de precisió: La baixa fricció i l'alta capacitat de càrrega el fan adequat per a maquinària de precisió.

  • Els vehicles elèctrics: A la indústria del vehicle elèctric, la seva naturalesa lleugera i les seves propietats d'aïllament elèctric augmenten l'eficiència i la fiabilitat del motor.

Coixinets ceràmics de zirconi són blanques. En general, els anells i les boles interiors i exteriors estan fets de zirconi i la gàbia està feta de PTFE (és a dir, tefló). Aquesta combinació pot suportar temperatures de fins a 240 graus centígrads, però si es requereix que la resistència a la temperatura superi els 240 graus centígrads a 400 graus centígrads, la bola s'ha d'omplir de zirconi (és a dir, la gàbia no s'utilitza i la bola sencera s'ha d'omplir). fet de zirconi), per la qual cosa pot suportar temperatures d'uns 400 graus.

Els coixinets de zirconi són principalment coixinets de ceràmica fets de zirconi (ZrO2) com a matèria primera principal. Té una gran tenacitat, una alta resistència a la flexió i una alta resistència al desgast, que el fan excel·lent en molts camps. A més, el coeficient d'expansió tèrmica de la ceràmica de zirconi és proper al dels metalls, la qual cosa permet combinar-la perfectament amb els metalls. Una altra característica important dels coixinets de zirconi són les seves propietats d'aïllament tèrmic, que li permeten treballar en ambients d'alta temperatura i suportar canvis ràpids de temperatura. Els coixinets de ceràmica fets de ZrO2 o diòxid de zirconi són un material ceràmic resistent amb propietats d'expansió molt semblants a l'acer, però són un 30% més lleugers. Aquest és un avantatge quan es considera l'ajust de l'eix i la carcassa en aplicacions d'alta temperatura, on l'expansió del coixinet pot significar que l'eix ja no encaixi. Tot i que sovint es coneixen com a coixinets de ZrO2, en realitat estan fets de ZrO2 estabilitzat amb itria, la qual cosa dóna al material una major resistència i resistència a la fractura a temperatura ambient. També són extremadament impermeables, el que significa que s'utilitzen sovint en aplicacions marines, especialment quan l'equip està completament submergit o on els coixinets d'acer tradicionals no poden fer front a la càrrega o la velocitat.

coixinets de zirconi

Coixinets de boles de ceràmica de zirconi VS coixinets de boles de ceràmica de nitrur de silici

Els coixinets de ceràmica de zirconi (ZrO2) i els coixinets de ceràmica de nitrur de silici (Si3N4) són tots dos tipus de coixinets de ceràmica. Normalment s'utilitzen àmpliament en el camp de la indústria de maquinària d'alta precisió o en el camp dels materials abrasius. Les principals diferències entre els coixinets de boles de ceràmica de zirconi i els coixinets de boles de ceràmica de nitrur de silici són:

color

més del 80% de les boles de ceràmica de zirconi són principalment blanques i les boles de ceràmica de zirconi blanc són el seu veritable color. Però de vegades veus que les boles de ceràmica apareixen de color groc clar o gris, perquè el material de zirconi conté una petita quantitat d'impureses. Les boles de ceràmica de zirconi tenen els avantatges d'una alta tenacitat, una gran resistència a la flexió i resistència al desgast, excel·lents propietats d'aïllament tèrmic i un coeficient d'expansió tèrmica proper al de les boles d'acer. Les boles de ceràmica de nitrur de silici són principalment negre de carboni. Són extremadament resistents a les altes temperatures i la seva resistència es pot mantenir fins a 1,200 graus sense disminuir. Són un dels materials més durs del món.

Comparació del rendiment físic

Pel que fa a les propietats físiques, les boles de ceràmica de zirconi tenen una excel·lent resistència al desgast i a la corrosió, mentre que les boles de ceràmica de nitrur de silici també tenen un rendiment igualment excel·lent. Al mateix temps, les boles de ceràmica de nitrur de silici també funcionen bé pel que fa a la precisió de processament. Per tant, en els camps d'aplicació de la indústria de la maquinària d'alta precisió, com ara els coixinets d'ultra precisió, a més de l'ús generalitzat de boles d'acer, les boles de ceràmica també han començat a popularitzar-se en els coixinets de precisió. Com que les boles de ceràmica tenen característiques anticorrosives i anticorrosions en comparació amb les boles d'acer dels coixinets, i la precisió de processament és fins i tot més alta que les boles d'acer.
Al mateix temps, pot jugar el paper de resistència a alta temperatura en entorns d'alta temperatura. Per tant, les boles de ceràmica apareixen als coixinets i altres camps de maquinària d'ultra precisió, com ara guies, accessoris de lliscament lineal, etc., i tenen tendència a substituir les boles d'acer.
â € <

Propietats del material

Coixinet de zirconi

Coixinet de nitrur de silici

Densitat (kg·m-3)

5900

3250

Mòdul d'elasticitat (GPa)

205

310

Resistència a la compressió (MPa)

2000

> 3500

Mòdul de ruptura (MPa)

600-900

700-1000

Duresa Vickers (GPa)

10-13

14-18

Tenacitat (MPa·m1/2)

8-12

5-8

Coeficient d'expansió tèrmica (K-3·10-6)

12

3.4

Calor específica (J·kg-1·K-1)

400

800

Límit superior de temperatura d'ús (℃)

750

1050

Resistència a l'impacte

mitjà

alt

Mode de fallada per fatiga de contacte rodant

Pelar

Pelar

De la taula, podem saber que la densitat del nitrur de silici és del 55.09% de la de la ceràmica de zirconi. Els coixinets de ceràmica fets amb nitrur de silici són lleugers, cosa que els permet utilitzar-los en dispositius mèdics, electrodomèstics, motors d'equips aeroespacials i cigonyals de cotxes de carreres. Al mateix temps, a causa de la seva baixa densitat, quan s'utilitza nitrur de silici com a element rodant, la força centrífuga generada pel cos giratori quan gira el coixinet es redueix, la qual cosa afavoreix la rotació a alta velocitat. Això permet que s'utilitzi en motors de turbina de gas, eixos de màquines-eina i separació centrífuga. equips i altres camps.

El mòdul elàstic i la resistència a la compressió del nitrur de silici també són superiors als de l'òxid de zirconi, cosa que és beneficiosa per a la capacitat del coixinet de suportar l'estrès; el coeficient d'expansió tèrmica del nitrur de silici és més petit que el de l'òxid de zirconi, cosa que és beneficiós per reduir la resposta del coixinet a la temperatura. La sensibilitat canviant fa que el rang de velocitat de funcionament del coixinet sigui més ampli; La resistència a alta temperatura del nitrur de silici, la resistència a la corrosió i l'excel·lent estabilitat química permeten que la ceràmica de nitrur de silici s'utilitzi a temperatures més altes i en llocs on no es pot utilitzar l'òxid de zirconi com el sulfat d'hidròxid de sodi. Escenes àcid-base fortes.

Tot i que les ceràmiques de nitrur de silici tenen les característiques d'una forta adaptabilitat i un rendiment superior, el cost dels coixinets de ceràmica de nitrur de silici és relativament elevat. En comparació amb altres materials ceràmics (nitrur de silici, etc.), el procés de preparació dels materials de zirconi és relativament senzill, el cost del cos verd és baix i és fàcil de comercialitzar. Per tant, els coixinets de ceràmica de zirconi es poden utilitzar en aplicacions que tenen requisits de rendiment relativament baixos i requisits de baix cost. Escena inferior. Al mateix temps, la duresa de la zirconia és superior a la del nitrur de silici, cosa que és beneficiosa per a l'ús estable dels coixinets.

Val la pena el cost afegit?

All-ceramic bearings are generally rounder, smoother and harder than steel, with excellent corrosion and heat resistance, higher dimensional stability and lower density. However, this comes at a cost. Ceramic bearings are much expensive than steel bearings. So, when is it worth investing in ceramic bearings?

Les aplicacions d'alt valor, com els equips de laboratori, tenen requisits exactes que s'han de complir cada vegada que s'utilitza l'aplicació. L'ús de components incorrectes en aquests equips pot contaminar les condicions d'investigació o fer que l'estudi s'aturi completament. Això és el mateix que en els equips mèdics, on les propietats lliures de contaminació i no magnètiques dels coixinets de ceràmica són crítiques.

Preneu la ressonància magnètica (MRI), una tècnica d'imatge associada principalment amb els escàners de ressonància magnètica d'hospitals. La tecnologia utilitza camps magnètics forts per generar imatges bidimensionals o tridimensionals de qualsevol objecte viu. Els coixinets d'acer estàndard no es poden utilitzar en aquests escàners a causa del magnetisme, de manera que els coixinets de ceràmica són la millor opció per a aquestes aplicacions d'alt valor.

Likewise, as integrated circuit manufacturers strive to make their chips faster, smaller, and cheaper, semiconductor manufacturing equipment companies have become reliant on advanced ceramic components to achieve the required performance. Bearings made from silicon nitride instead of standard aluminum oxide (aluminum oxide) provide electrical insulation and good corrosion resistance.

coixinets de zirconi per ressonància magnètica

En els camps industrials moderns, els coixinets s'utilitzen àmpliament, i els coixinets de zirconi i els coixinets de nitrur de silici, com a dos coixinets ceràmics d'alt rendiment, s'han convertit en la primera opció en moltes situacions d'alta demanda a causa de les seves propietats físiques i químiques úniques. Aleshores, quina diferència hi ha entre els dos i com hem de triar?

El nitrur de silici té una resistivitat i una constant dielèctrica similars a l'òxid d'alumini, però a causa de la seva microestructura, el material és molt més fort. Els coixinets totalment ceràmics poden adaptar-se a les moltes condicions difícils presents en la fase de producció de semiconductors; des de temperatures del forn que s'acosten als 1400 graus centígrads, fins a la qualitat de l'aire de les sales netes de classe 1. De sobte, el cost afegit està clarament justificat.

In general, zirconia bearings and silicon nitride bearings each have their own advantages and disadvantages. When selecting, you need to consider the actual needs and application conditions to select the most suitable material. For example, zirconia bearings are a good choice for applications that require high wear resistance and heat insulation; while silicon nitride bearings are suitable for applications that require high strength and corrosion resistance.

Coixinets ceràmics complets o híbrids?

Quan la majoria de la gent pensa coixinets de ceràmica, solen referir-se a versions híbrides. Els coixinets híbrids es troben en algun lloc intermedi entre la ceràmica i l'acer i solen incloure curses o anells d'acer inoxidable i boles de ceràmica. Els anells interiors i exteriors d'acer dels coixinets híbrids es poden mecanitzar amb toleràncies molt ajustades, el que significa que són els més adequats per a aplicacions com ara motors elèctrics, equips de laboratori i màquines-eina.

Per exemple, en una mòlta, la fricció es pot reduir afegint coixinets híbrids de ceràmica i un lubricant de greix sintètic, augmentant així les revolucions per minut (RPM) en un 25%. Un eix de rectificat amb ceràmica híbrida pot funcionar durant 4,000 hores sense cap problema, mentre que un eix de rectificat amb coixinets d'acer pot funcionar durant 3,000 hores. Els coixinets híbrids també redueixen les temperatures gairebé un 50%. Als centres de mecanitzat horitzontal, s'ha demostrat que el canvi de coixinets convencionals a híbrids redueix la temperatura dels coixinets de 60 graus centígrads a 36 graus centígrads a 12,000 rpm.

Coixinets ceràmics complets vs híbrids

Es poden aconseguir velocitats més altes mitjançant combinacions de coixinets híbrids que totalment coixinets de ceràmica perquè els anells metàl·lics menys fràgils són menys propensos a una fallada catastròfica sobtada a altes velocitats o sota càrrega. Dit això, la resistència a la corrosió dels coixinets híbrids palideix en comparació amb la dels coixinets totalment ceràmics. Especificar els coixinets adequats per a entorns extrems sempre ha estat un tema complex. Però de la mateixa manera que la zirconia va aclarir els orígens de la vida, fer aquestes tres preguntes ajudarà al procés de presa de decisions.