Následuj mě na: 
Vyplatí se investovat do celokeramických ložisek?
Plně keramická ložiska jsou odolná proti opotřebení, korozi a mají vysokou rychlost. Jsou také nemagnetické, mají nízké koeficienty tření, jsou antielektrické, odolné proti korozi, lehčí, hladší a tvrdší. Byly široce používány v extrémně drsných prostředích nebo speciálních pracovních podmínkách, jako je letecký průmysl, petrochemie a elektronická zařízení. Celokeramická ložiska jsou typem ložiska, jehož kroužky a valivá tělesa jsou vyrobena z keramických materiálů, jako je oxid zirkoničitý (ZrO2), nitrid křemíku (Si3N4) a karbid křemíku (Sic); existuje mnoho typů držáků a běžné výrobní materiály zahrnují polytetrafluorethylen, nylon 66, polyetherimid, oxid zirkonu, nitrid křemíku, nerezovou ocel nebo speciální letecký hliník. Tento blog podrobně představí výhody, typy a srovnání s ocelovými ložisky celokeramických ložisek a také komplexní průzkum toho, zda keramická ložiska do kterých se vyplatí investovat.
Plně keramická ložiska mají mnoho výhod oproti tradičním kovovým ložiskům, včetně vysokorychlostního výkonu, nízkého tření, odolnosti proti korozi a trvanlivosti. Jsou široce používány v náročných prostředích, od vysokorychlostních strojů po zařízení pro chemické zpracování a vysokoteplotní pece.
①. Zabraňte současné korozi
Když motor běží, potenciální rozdíl mezi dvěma konci hřídele nebo mezi hřídeli se nazývá napětí na hřídeli a výsledný proud hřídele může způsobit poškození oběžné dráhy a valivých prvků a stárnutí maziva. Celokeramická ložiska mohou bránit průchodu proudu a mají trvanlivou izolační schopnost než ložiska s keramickým povlakem. V generátorových aplikacích větrných turbín jsou často specifikována celokeramická ložiska.
②. Vysoká rychlost
Hustota valivých těles z nitridu křemíku je o 60 % nižší než u valivých těles z ložiskové oceli stejné velikosti. Nižší hmotnost a setrvačnost mají za následek vyšší rychlostní výkon, díky čemuž je schopnost ložiska rychle startovat a zastavovat vynikající. Plná keramická ložiska mají navíc bezolejové samomazné vlastnosti a nízký koeficient tření, takže keramická kuličková ložiska mají velmi vysoké otáčky.
③. Dlouhý život
Teplo generované třením v celokeramických ložiskách je nízké, zejména při vysokých otáčkách, což pomáhá prodloužit životnost ložisek a prodloužit interval domazávání, což může výrazně snížit ztráty způsobené prostojem a náklady na údržbu způsobené údržbou ložisek.
④. Vysoká tvrdost a vysoká houževnatost
Keramická valivá tělesa mají vyšší tvrdost a vynikající houževnatost. Kombinace těchto dvou charakteristik může získat lepší drsnost povrchu a může zabránit poškození vnějšími tvrdými částicemi a nárazy a má silnou odolnost proti opotřebení.
⑤. Vyšší tuhost
Tuhost ložiska se vztahuje k míře pružné deformace ložiska při zatížení. Tuhost ovlivňuje různé aspekty vibrací ložisek, hluku, životnosti a přesnosti otáčení a je důležitým výkonnostním parametrem při analýze ložisek. Tvrdost celokeramických ložisek je 1x vyšší než u ložiskové oceli a modul pružnosti je asi o 1/3 vyšší.
⑥. Vysoká teplotní odolnost
Keramická valivá tělesa mají nižší koeficient tepelné roztažnosti. Nízký koeficient tepelné roztažnosti pomáhá snižovat citlivost na změny teploty, čímž zabraňuje zaseknutí. V prostředí s vysokou teplotou mohou plně keramická ložiska spolehlivě pracovat při 800-1000 °C bez expanze způsobené teplotními rozdíly.
Plně keramické typy ložisek
Plně keramická ložiska ZrO2 mají vynikající odolnost vůči vysokým a nízkým teplotám, vysokému tlaku, korozi, magnetické izolaci a samomazání. Mohou pracovat ve speciálních prostředích. Keramická ložiska zirkonia (ZrO2) bez držáku mohou být použita v prostředí do 400 ℃.
Plně keramická ložiska Si3N4 mají všechny vlastnosti celokeramických ložisek ZrO2 a navíc další výhody, jako je nízká hmotnost, vysoká odolnost proti opotřebení a vysoká tvrdost. Ve srovnání s celokeramickými ložisky ZrO2 jsou celokeramická ložiska Si3N4 vhodná pro vysokorychlostní a vysoce zatěžované aplikace a snesou vyšší teploty. Nabízejí dobrou pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti mechanické oxidaci, zatížitelnost při vysokých teplotách a odolnost vůči korozivním plynům. Keramická ložiska Si3N4 bez držáku mohou pracovat v prostředí do 1100 ℃.
Celokeramická ložiska z karbidu křemíku (SiC) nabízejí vyšší odolnost proti chemické korozi, lepší pevnost, vyšší tvrdost a větší odolnost proti opotřebení ve srovnání s jinými keramickými materiály. Mají také nízké třecí vlastnosti a jsou vhodné pro nejvyšší teploty. Keramická ložiska SiC bez držáku lze použít v prostředí do 1400 ℃.
Al2O3 keramická ložiska
Keramická ložiska Alumina (Al2O3) používají aluminovou keramiku s 99% obsahem oxidu hlinitého. Valivá tělesa jsou rovněž vyrobena z hliníkové keramiky. Keramická ložiska Al2O3 bez držáku mohou pracovat v prostředí do 1400 ℃.
Plně komplementární kuličková celokeramická ložiska
Plnohodnotná kuličková celokeramická ložiska mají na jedné straně zářez, který umožňuje zatížení keramických kuliček než u standardních konstrukcí díky absenci klece. Tím se zvýší jejich nosnost a zabrání se omezením materiálů klece, čímž se dosáhne odolnosti proti korozi a teplotní odolnosti keramických celokeramických ložisek. Tato ložiska nejsou vhodná pro vysoké otáčky a při montáži by měl být zářez umístěn na straně, která nenese axiální zatížení.
Výzvy celokeramických ložisek
Výrobní proces keramických ložisek zahrnuje několik procesů, včetně přípravy surovin, lisování, slinování a povrchové úpravy, a každý proces má důležitý dopad na výkonnost konečného produktu. Složitost výrobního procesu nejen zvyšuje výrobní náklady, ale také klade vyšší požadavky na řízení výrobního procesu.
Vysoká cena.
Výrobní cena keramických materiálů je poměrně vysoká, což je způsobeno především drahými surovinami keramických materiálů a složitým výrobním procesem. Proces přípravy vysoce výkonných keramických materiálů, jako je oxid zirkoničitý (ZrO2), nitrid křemíku (Si3N4) a karbid křemíku (SiC), vyžaduje vysokoteplotní slinování a přesné obrábění, které je nejen časově a energeticky náročné, ale také vyžadují drahé vybavení a technickou podporu. Proto se vysoká cena keramických ložisek stala hlavní překážkou jejich propagace a aplikace.
Náročné na výrobu
Keramické materiály mají vysokou tvrdost a nízkou houževnatost, což ztěžuje jejich zpracování. Tradiční technologie zpracování kovů často nefunguje při zpracování keramických materiálů, které je náchylné k poškození materiálu nebo chybám při zpracování. Křehkost keramických materiálů navíc usnadňuje praskání a fragmentaci během zpracování, což zvyšuje složitost a riziko zpracování.
Kvůli křehkému lomu
Přestože keramická ložiska mají vynikající odolnost vůči vysokým teplotám, korozi a nízké třecí vlastnosti, křehkost a odolnost keramických materiálů proti nárazu jsou v některých extrémních prostředích nízké, což omezuje jejich rozsah použití. Například v prostředí s vysokým nárazem a vysokými vibracemi mohou keramická ložiska selhat v důsledku křehkého lomu.
Celokeramická ložiska se stala nepostradatelnou klíčovou součástí moderního průmyslu díky svému vynikajícímu výkonu a širokým možnostem použití. Přestože jsou jejich počáteční investice vysoké, jejich dlouhá životnost a nízké náklady na údržbu je činí hospodárnými při dlouhodobém používání. Zejména v náročných prostředích, jako je vysoká teplota, vysoký tlak a korozivní účinky, jsou výhody celokeramických ložisek zřejmé.
Vynikající výkon
Vezmeme-li jako příklad celokeramická ložiska z nitridu křemíku, keramika z nitridu křemíku je strukturální keramika s vynikajícím komplexním výkonem a mnoha jedinečnými vlastnostmi, díky kterým jsou široce používány v moderní technologii. Keramika z nitridu křemíku má extrémně vysokou mechanickou pevnost a tvrdost, srovnatelnou s korundem, je samomazná a odolná proti opotřebení. Při pokojové teplotě může jeho pevnost v ohybu dosahovat až 980 MPa, což je srovnatelné s legovanou ocelí. důležité je, že jeho pevnost se nesníží ani při vysoké teplotě 1200℃. Keramika z nitridu křemíku má vynikající tepelnou stabilitu, malý koeficient tepelné roztažnosti a vynikající tepelnou vodivost, takže má dobrou odolnost proti tepelným šokům. Dokonce ani tepelný šok z pokojové teploty na 1000 ℃ nezpůsobí prasknutí.
| Typické vlastnosti | Al2O3 | ZrO2 | Si3N4 | SiC | Ocelová ložiska |
|---|---|---|---|---|---|
| Hustota (kg/m^3) | 3250 | 3100 | 3900 | 3200 | 7800 |
| Elastický modul (GPa) | 310 | 210 | 320 | 420 | 210 |
| Pevnost v tlaku (MPa) | > 3500 | 2000-2500 | 2000-2700 | 2000 | - |
| Pevnost v ohybu (MPa) | 700-1000 | 500-900 | 500-900 | 300-600 | 1000 |
| Lomová houževnatost (MPa·m^1/2) | 3-5 | 8-12 | 6-10 | 3-5 | 16-20 |
| Tvrdost (GPa) | 14-18 | 10-13 | 18-20 | 24-28 | 8 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10^-6/K) | 4-8 | 10-12 | 2-4 | 3-5 | 12 |
| Tepelná vodivost (W·m^-1·K^-1) | 20 | 2 | 30 | 100 | 30 |
| Měrné teplo (J·kg^-1·K^-1) | 800 | 500-700 | 800 | 880 | 450 |
| Maximální provozní teplota (℃) | 1050 | 500-800 | 1250 | 1250 | 400-600 |
| Odolnost proti oxidaci | Vysoký | Střední | Vysoký | Velmi vysoko | Velmi vysoko |
| Režim selhání | Křehký lom | Křehký lom | Křehký lom | Křehký lom | Tvárná zlomenina |
Tato tabulka poskytuje srovnávací přehled klíčových vlastností průmyslové keramiky (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC) a ložiskové oceli, přičemž zdůrazňuje jejich rozdíly v hustotě, mechanické pevnosti, tepelných vlastnostech a způsobech porušení.
Keramika z nitridu křemíku má vynikající chemickou stabilitu a odolá korozi téměř všech anorganických kyselin (kromě kyseliny fluorovodíkové) a roztoků hydroxidu sodného s koncentrací pod 30 %. Zároveň mají také dobrou toleranci vůči korozi mnoha organických látek. důležité je, že nesmáčí různé roztoky neželezných kovů, zejména tekutý hliník, a mohou odolat silnému záření. Keramika z nitridu křemíku má nízkou hustotu a nízkou měrnou hmotnost, pouze 2/5 oceli, a má dobrou elektrickou izolaci.
Samomazné
Plně keramická ložiska mohou správně fungovat bez použití maziv, takže aplikace v kryogenních čerpadlech umožňuje výzkumníkům vyhnout se vlivu změn viskozity maziva na normální provoz ložisek. Kryogenní ložiska se používají především v různých typech kapalinových čerpadel, jako jsou čerpadla na zkapalněný zemní plyn, čerpadla na kapalný dusík (vodík, kyslík), butanová čerpadla atd. Tato zařízení potřebují udržovat stabilní výkon a dlouhou životnost v prostředí s nízkou teplotou a keramické ložiska se stala nepostradatelnou součástí těchto zařízení pro jejich vynikající výkon a přizpůsobivost. Keramická ložiska byla také široce používána v zařízeních, jako jsou kapalinová čerpadla pro rakety a rakety a kosmické lodě. Tato zařízení musí pracovat v extrémně drsném prostředí a keramická ložiska mají vynikající odolnost proti korozi a schopnost přizpůsobit se prostředí s vysokou a nízkou teplotou, což z nich dělá ideální volbu pro tato zařízení.
Aplikační případ - MRI
Magnetická rezonance (MRI) je zobrazovací technologie široce používaná v lékařském a vědeckém výzkumu. Často je spojován s MRI skenery v nemocnicích, které využívají silná magnetická pole k vytváření dvourozměrných a trojrozměrných snímků lidského těla nebo jiných živých objektů. Ve skenerech MRI musí být všechna použitá zařízení nemagnetická, aby se zabránilo interferenci s obrazem. Tradiční ocelová ložiska proto nejsou v tomto scénáři vhodná, protože jejich magnetismus může ovlivnit kvalitu obrazu. Nemagnetická keramická ložiska jsou velmi vhodná pro použití uvnitř MRI skenerů. Výhodou keramických ložisek je, že jsou vysoce nemagnetická, a proto nezpůsobují žádné interference s MRI skeny. Kromě toho mají keramická ložiska také vynikající odolnost proti korozi a vysokou tvrdost, která dokáže udržet stabilní výkon v drsném prostředí.
Případ aplikace – čistý prostor
Čistá místnost je prostředí, které je extrémně blízké bezprašnosti a poskytuje výzkumníkům podmínky bez znečištění pro přípravu a měření malých přístrojů, zařízení nebo materiálů. Schopnost udržet toto bezprašné prostředí je však často zpochybňována, zejména proto, že se mazivo ve standardních ocelových ložiscích postupně uvolňuje do prostředí. Tento jev může narušit kontrolu čistoty čistého prostoru. Řešení představují celokeramická ložiska. Protože mohou pracovat bez maziv, nevytvářejí keramická ložiska během provozu téměř žádné tření a povrch může být velmi hladký, čímž je dosaženo provozu bez maziva. Kromě toho, na rozdíl od ložisek z nerezové oceli, celokeramická ložiska nevytvářejí akumulaci tepla uvnitř ložiska, takže není nutné mazání, které pomáhá odvádět teplo.
Použití keramických ložisek bez maziva může zcela eliminovat problém s odplyňováním způsobený ocelovými ložisky, a tím zachovat kontrolu čistoty čistého prostoru. Plně keramická ložiska nejen hladce běží, ale také poskytují stabilní a spolehlivý výkon v čistých prostorách. Keramická ložiska proto hrají důležitou roli při udržování čistoty a kontrolních schopností čistých prostor.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Plně keramická ložiska mají výhody, jako je odolnost proti vysoké teplotě, odolnost proti korozi a elektrická izolace, ale také čelí výzvám mnohem vyšších nákladů než ocelová ložiska a relativně nízké nosnosti. Pro speciální aplikace, jako je vysoká teplota, vysoký tlak, koroze, přesnost, čistá a jiná pracovní prostředí, se do celokeramických ložisek vyplatí investovat.