Následuj mě na: 
Nejlepší průvodce keramickými ložiskovými materiály
Keramické materiály jsou široce používány v mnoha oblastech díky svým jedinečným vlastnostem, jako je vysoká pevnost, vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení a vysoká teplotní stabilita. Prokázaly to například studie celokeramická ložiska fungují lépe ve vodě než jakákoli nerezová ocel. Mezi běžně používané keramické ložiskové materiály patří nitrid křemíku (Si3N4), oxid zirkonu (ZrO2), oxid hlinitý (Al2O3) nebo karbid křemíku (SiC). Nejlepší keramické materiály pro prostředí znečištěné vodou jsou nitrid křemíku a oxid zirkoničitý, které mají životnost 70x delší než ložiska z nerezové oceli. Tento blog si klade za cíl prozkoumat klasifikaci a specifikace materiálů keramických ložisek, keramické ložisko výrobních procesů a poskytnout konstruktivní návrhy pro vaše komplexní pochopení keramických ložisek.
Hlavní složkou aluminové keramiky je Al2O3, který obvykle obsahuje více než 45 %. Keramika z oxidu hlinitého má různé vynikající vlastnosti, jako je odolnost proti vysoké teplotě, odolnost proti korozi, vysoká pevnost, vysoká tvrdost a dobré dielektrické vlastnosti, které jsou 2 až 3krát vyšší než u běžné keramiky. Nevýhodou aluminové keramiky je však to, že je křehká a nedokáže přijmout náhlé změny okolní teploty. Oxid hlinitý lze rozdělit do různých řad podle obsahu Al2O3 a použitých přísad. Například oxid hlinitý lze rozdělit na 75% oxid hlinitý, 85% oxid hlinitý, 95% oxid hlinitý, 99% oxid hlinitý atd.
Materiál | Alumina | ||||
Vlastnictví | Jednotka | AL997 | AL995 | AL99 | AL95 |
% oxidu hlinitého | - | 99.70% | 99.50% | 99.00% | 95.00% |
Barva | - | Slonová kost | Slonová kost | Slonová kost | Slonovina a bílá |
Propustnost | - | Vzduchotěsný | Vzduchotěsný | Vzduchotěsný | Vzduchotěsný |
Hustota | g / cm3 | 3.94 | 3.9 | 3.8 | 3.75 |
Přímost | - | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ |
Tvrdost | Mohsova stupnice | 9 | 9 | 9 | 8.8 |
Absorbce vody | - | ≤0.2 | ≤0.2 | ≤0.2 | ≤0.2 |
Pevnost v ohybu (typická při 20 °C) | MPa | 375 | 370 | 340 | 304 |
Pevnost v tlaku (typická při 20 °C) | MPa | 2300 | 2300 | 2210 | 1910 |
Koeficient tepelné roztažnosti (25 °C až 800 °C) | 0-6/°C | 7.6 | 7.6 | 7.6 | 7.6 |
Dielektrická pevnost (tloušťka 5 mm) | AC kV/mm | 10 | 10 | 10 | 10 |
Dielektrická ztráta (25 °C @ 1 MHz) | - | 0.0006 | 0.0004 | ||
Dielektrická konstanta (25 °C @ 1 MHz) | - | 9.8 | 9.7 | 9.5 | 9.2 |
Objemový odpor (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 |
Dlouhodobá pracovní teplota | ° C | 1700 | 1650 | 1600 | 1400 |
Tepelná vodivost (25°C) | W / m · K. | 35 | 35 | 34 | 20 |
Alumina je vynikající elektrický izolátor, který odolá extrémně vysokým proudům. Jeho odolnost vůči elektřině se zvyšuje s jeho čistotou. Čím vyšší je čistota oxidu hlinitého, tím vyšší je jeho odolnost. Je dobře známo, že oxid hlinitý má také velmi vysokou teplotu tání a silnou mechanickou pevnost. Teplota tání běžných Al2O3 produktů je velmi vysoká, 2072°C. Když však teplota překročí 1000 stupňů Celsia, jeho mechanická pevnost klesá. Vzhledem k obrovskému rozdílu v koeficientu tepelné roztažnosti je jeho odolnost vůči teplotním šokům při vystavení velmi vysokým teplotám špatná.
Vynikající chemická stabilita oxidu hlinitého je hlavním faktorem jeho vysoké odolnosti proti korozi. Oxid hlinitý je také mírně rozpustný v silných kyselinách (jako je horká kyselina sírová a horká HCl, HF má také určitý korozivní účinek) a alkalických roztocích, ale je nerozpustný ve vodě. Čistý oxid hlinitý může odolávat chemické korozi, díky čemuž je čistý oxid hlinitý hlavním materiálem volby pro různé průmyslové díly. Keramické materiály z oxidu hlinitého mají také velmi nízký tlak par a tlak rozkladu. Tyto vlastnosti keramiky z oxidu hlinitého z ní dělají jednu z nejpoužívanějších keramik ve strukturách, opotřebení a korozi.
Keramika z oxidu hlinitého se obvykle vyrábí z bauxitu a lze ji tvarovat pomocí vstřikování, lisování, izostatického lisování, lití skluzem, diamantového obrábění a vytlačování. Podobně jako nitrid hliníku lze i oxid hlinitý vyrábět lisováním za sucha a slinováním nebo lisováním za tepla s vhodnými pomocnými slinovacími prostředky. Díky své vynikající chemické stabilitě se keramika z oxidu hlinitého široce používá v ložiskách, oběžných kolech čerpadel odolných vůči kyselinám, tělesech čerpadel, obložení potrubí a ventilů pro kyseliny. Díky své extrémně vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení se keramika z oxidu hlinitého také často používá k výrobě textilních dílů odolných proti opotřebení a řezných nástrojů.
Keramické materiály – seřazené podle hustoty
Zirkon > 99 % Alumina > 94 % Alumina > 85 % Alumina > Nitrid hliníku > Karbid křemíku > Mullit > Macor© > Cordierite
Keramické materiály – seřazené podle tvrdosti
Karbid křemíku > 99 % Alumina > YTZP Zirkon > Nitrid křemíku > TTZ Zirkon > 94 % Alumina > 85 % Alumina > Mullit > Cordierit > Macor©
Pokud je obsah oxidu hlinitého vyšší než 95 %, lze jej použít jako vynikající elektrický izolant. Má také nízké dielektrické ztráty a je široce používán v oblasti elektroniky a elektrických spotřebičů. Transparentní oxid hlinitý má navíc dobrou propustnost pro viditelné světlo a infračervené paprsky a lze jej použít k výrobě vysokotlakých sodíkových výbojek a materiálů pro infračervené detekce. Keramika z oxidu hlinitého má navíc vynikající biokompatibilitu (podobně jako slitiny titanu), vysokou pevnost a vysokou odolnost proti opotřebení. Proto jsou také ideálními materiály pro přípravu umělých kostí a umělých kloubů.
oxid zirkoničitý (ZrO2)
Zirkoniová keramika má nízkou tepelnou vodivost (izoluje) a vysokou pevnost. Poprvé byly použity při cestování do vesmíru v 1960. letech 85. století k vytvoření tepelné bariéry, která umožnila raketoplánu vstoupit do zemské atmosféry. Dobře zvládají i vysoké teploty, přičemž provozní teploty zirkonové keramiky se pohybují od -400 °C do XNUMX °C. Nejsou však tak odolné vůči teplotním šokům jako nitrid křemíku.
Oxid zirkoničitý má silnou odolnost proti korozi, což z něj dělá perfektní volbu pro vysoce korozivní kapaliny. Zirkoniová keramika má velmi vysokou odolnost proti růstu trhlin, díky čemuž je ideální pro svařovací procesy a nástroje pro tvarování drátu. Díky tomu jsou také velmi vhodné pro mechanické aplikace s rizikem lomu. Mají také velmi vysokou tepelnou roztažnost, s koeficientem tepelné roztažnosti podobným jako ocel, což z nich činí materiál volby pro spojování keramika a ocel. Oxid zirkoničitý je na základě svých tribologických vlastností velmi vhodný pro valivý pohyb, jako jsou lineární ložiska nebo kuličková ložiska (např. výrobce TK linear). Kromě toho má keramika z oxidu zirkoničitého a nitridu křemíku výhody vysoké vakuové kompatibility, nemagnetické, nevodivé, vysoké a nízké teplotní odolnosti, chemické odolnosti, vysoké tuhosti a dlouhé životnosti. Z oxidu zirkoničitého a nitridu křemíku lze vyrobit ložiska po chodu nasucho.
Ve srovnání s oxidem hlinitým má oxid zirkoničitý vysoké mechanické vlastnosti, vysokou pevnost a vysokou houževnatost. Pokud je jediným požadavkem pevnost, doporučuje se tento materiál. Kromě toho je oxid zirkoničitý (ZrO2) keramika známá v oblasti zdraví pro svou biokompatibilitu, bioinertnost, vysoké mechanické vlastnosti a chemickou stabilitu. V dentálním průmyslu se keramika z oxidu zirkoničitého používá k výrobě různých produktů pro zubní náhrady. Například neprůhledné nebo průsvitné zirkonové polotovary se používají k výrobě můstků, korunek a fazet. Za tepla izostaticky lisovaný oxid zirkoničitý se používá k výrobě zubních implantátů a abutmentů. Jednou z hlavních výhod použití oxidu zirkoničitého pro zubní náhrady je, že povrchová úprava hotového výrobku velmi připomíná přirozené zuby. Zirkonová keramika je navíc průsvitná a lesklá, díky čemuž je vhodná pro aplikace, kde je vzhled podobný okolnímu materiálu zubu.
Karbid křemíku
Keramika z karbidu křemíku se skládá hlavně z SiC, což je vysokopevnostní vysokoteplotní keramika s vysokou tvrdostí. Při použití při vysokých teplotách 1200 ℃ až 1400 ℃ si keramika z karbidu křemíku může stále udržet vysokou pevnost v ohybu a lze ji použít pro vysokoteplotní součásti, jako jsou trysky raketových ocasních ploch, termočlánkové objímky a trubky pece. Keramika z karbidu křemíku má také dobrou tepelnou vodivost, odolnost proti oxidaci, elektrickou vodivost a vysokou rázovou houževnatost. Je to pevný a odolný keramický materiál, který má také nízkou hustotu, nízkou míru tepelné roztažnosti a vynikající odolnost proti tepelným šokům, díky čemuž je vhodný pro různé aplikace.
Složení | Karbid křemíku |
Molekulární váha | 40.1 |
Vzhled | Černá |
Bod tání | 2,730 °C (4,946 °F) (rozklad) |
Hustota | 3.0 až 3.2 g/cm³ |
Elektrický odpor | 1 až 4 x 10^5 Ω·m |
Porozita | 0.15 0.21 na |
Specifické teplo | 670 až 1180 J/kg·K |
Karbid křemíku se vyrábí chemickou kombinací atomů uhlíku a křemíku. Částice karbidu křemíku se již řadu let používají jako brusivo, nejčastěji ve formě brusného papíru. Tyto částice však mohou být spojeny dohromady pomocí slinování za vzniku vysoce odolného keramického materiálu, který má vynikající mechanické vlastnosti, což z něj činí vynikající volbu pro výrobu ložisek. Díky své vysoké tepelné a elektrické vodivosti může být karbid křemíku použit jako součást eliminace statické elektřiny.
Nitridová keramika
Nitridová keramika jsou vyrobeny z nitridů kovů, jako např nitrid křemíku a nitrid hliníku. Keramika z nitridu křemíku (Si3N4) Si3N4 je hlavní složkou keramiky z nitridu křemíku, která má vysokou pevnost, vysokou tvrdost, je odolná proti opotřebení, korozi a samomazná. vysoká teplota keramický.
Vlastnictví | Hodnota |
Barva | Šedá a tmavě šedá |
Hustota | 3.2 až 3.25 g/cm³ |
Tvrdost | HRA 92 až 94 |
Maximální provozní teplota | 1300 až 1600 ° C |
Tepelná vodivost | 23 až 25 W/(m·K) |
Pevnost v ohybu | ≥ 900 MPa |
Pevnost v lomu | 6 až 8 MPa·m¹/² |
Koeficient tepelné roztažnosti | 2.95 až 3 x 10⁻⁶ /°C (0 až 1400 °C) |
Pokud hledáte materiál, který odolá vysokým teplotám a drsným mechanickým podmínkám, pak je karbid křemíku dobrou volbou, i když je tento materiál poměrně drahý. Pokud jde o odolnost vůči vysokým teplotám, nitrid křemíku je lepší než kovové roztoky a Si3N4 má rozsah provozních teplot -100 °C až 900 °C. Kromě toho je koeficient lineární roztažnosti nitridu křemíku nejmenší ze všech typů keramiky. Koeficient tepelné roztažnosti nitridu křemíku je 3.2 x 10-6/k, zatímco koeficient tepelné roztažnosti karbidu křemíku je 3 x 10-6/k. Koeficienty tepelné roztažnosti oxidu zirkoničitého a oxidu hlinitého jsou 10.5 x 10-6/k a 8.5 x 10-6/k, ale oba jsou mnohem nižší než u ložiskové oceli, která má koeficient 12.5 x 10-6/k.
Klasifikace | Oxid hlinitý | Oxid hlinitý | Oxid hlinitý | Oxid hlinitý | Karbid křemíku | Karbid křemíku | Nitrid křemíku | Mullit | Oxid zirkoničitý | Mastek |
| KMA 995 | KMG995 | KMA 96 | KMA 96 | KMG96 | KMG96 | Kai170 | Mastek | KYCS | - |
Hlavní komponenta | 99.7 | 99.6 | 96 | 96 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
Barva | mléčný | Bílý | Bílý | Bílý | Bílý | Černá | Černá | Šedá | Bílý | Šedá |
Objemová hustota (g/cm³) | 3.9 | 3.9 | 3.7 | 3.7 | 6 | 3.1 | 3.2 | 2.7 | 3.5 | 2.7 |
Pevnost v ohybu (MPa) | 400 | 390 | 320 | 320 | 1000 | 450 | 420 | 200 | 120 | 150 |
Youngův modul (GPa) | 380 | 370 | 340 | 340 | 410 | 350 | 310 | 210 | 130 | 170 |
mechanický | Tvrdost (GPa) | 21 | 20 | 19 | 19 | 24 | 13 | 22 | 13 | 22 |
Poissonův poměr | - | 0.24 | 0.24 | 0.23 | 0.31 | - | - | - | - | - |
Lomová houževnatost (MPa·m¹/²) | 4.1 | 4 | 3.5 | 3.5 | 4 | 4.6 | 6 | 2.5 | 4 | 3.2 |
Koeficient tepelné roztažnosti (×10⁻⁶/°C) | 6.4 | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 7.7 | 11 | 3.2 | 2.5 | 2.5 | 3.0 |
Termální | Tepelná vodivost (W/m·K) | 30 | 28 | 21 | 21 | 120 | 80 | 17 | 1.2 | 1.2 |
Měrné teplo (J/g·K) | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 1.4 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
Dielektrická konstanta (1 MHz) | 10.1 | 10.1 | 9.4 | 9.5 | 11 | 7 | 7 | 8.5 | 8.5 | 6.5 |
Dielektrická ztráta (×10⁻⁴) | 50 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
Objemový odpor (Ω·cm) | 10¹⁵ | 10¹⁵ | 10¹⁴ | 10¹⁴ | 10¹² | 10¹² | 10¹² | 10¹³ | 10¹³ | 10¹³ |
Průrazné napětí (kV/mm) | 10 | 10 | 10 | 10 | 11 | 11 | 11 | 10 | 10 | 10 |
Funkce | Vysoká pevnost | Vysoká pevnost | Vysoká pevnost | Vysoká pevnost | Vysoká tvrdost | Vysoká tvrdost | Vysoká houževnatost | Vysoká houževnatost | Nízká tepelná vodivost | Nízká tepelná vodivost |
| Izolační | Izolační | Izolační | Izolační | Vodivý | Vodivý | Izolační | Izolační | Nízká hmotnost | Nízká hmotnost |
použití | Brusný materiál | Brusný materiál | Brusný materiál | Brusný materiál | Brusný materiál | Brusný materiál | Těsnicí materiál | Těsnicí materiál | Tepelná izolace | Tepelná izolace |
| Díly odolné proti opotřebení | Díly odolné proti opotřebení | Díly odolné proti opotřebení | Díly odolné proti opotřebení | Díly odolné vůči vysokým teplotám | Díly odolné vůči vysokým teplotám | Díly pro letectví a kosmonautiku | Díly pro letectví a kosmonautiku | Části polovodičových zařízení | Části polovodičových zařízení |
| Vysokoteplotní díly | Vysokoteplotní díly | Vysokoteplotní díly | Vysokoteplotní díly | Části nástrojů | Části nástrojů | Části elektrod | Části elektrod | Zubní implantáty | Zubní implantáty |
| Polovodičové části | Polovodičové části | Polovodičové části | Polovodičové části | - |
|
|
|
|
Položka | Jednotka | Si3N4 | ZrO₂ | Al₂O99.5 (XNUMX %) | SiC | Ocelová ložiska |
Hustota | g / cm3 | 3.23 | 6.05 | 3.92 | 3.12 | 7.85 |
Absorbce vody | % | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Koeficient lineární tepelné expanze | 10⁻⁶/k | 3.2 | 10.5 | 8.5 | 3 | 12.5 |
Modul pružnosti (Young's Mod.) | GPa | 300 | 210 | 340 | 440 | 208 |
Poissonův poměr | / | 0.26 | 0.3 | 0.22 | 0.17 | 0.3 |
Tvrdost (Hv) | MPa | 1500 | 1200 | 1650 | 2800 | 700 |
Pevnost v ohybu (@ RT) | MPa | 720 | 950 | 310 | 390 | 520 (pevnost v tahu) |
Pevnost v ohybu (700 °C) | MPa | 450 | 210 | 230 | 380 | / |
Síla v tlaku (@ RT) | MPa | 2300 | 2000 | 1800 | 1800 | / |
Lomová houževnatost, K₁c | MPa·m¹/² | 6.2 | 10 | 4.2 | 3.9 | 25 |
Tepelná vodivost (@ RT) | W/m·k | 25 | 2 | 26 | 120 | 40 |
Elektrický odpor (@ RT) | Ω·mm²/m | >10¹³ | >10¹⁵ | >10¹⁶ | >10³ | 0.1 1 ~ |
Max. Použít teplotu (bez zatížení) | ° C | 1050 | 750 | 1500 | 1700 | 1700 |
Odolnost proti korozi | / | vynikající | vynikající | vynikající | vynikající | chudý |
Nitrid křemíku má odolnost proti tepelnému šoku až 600 °C, zatímco karbid křemíku má odolnost proti tepelnému šoku pouze 400 °C, což naznačuje, že riziko lomu v důsledku teplotních změn je minimální. V prostředí s velkými teplotními změnami, kdy je nejvyšší prioritou odolnost proti tepelným šokům, jsou nejlepší volbou nitrid křemíku a karbid křemíku. Kromě toho má nitrid křemíku vynikající odolnost proti korozi a může odolat korozi z různých kyselin kromě kyseliny fluorovodíkové, jakož i korozi z alkálií a různých kovů. Má vynikající elektrickou izolaci a odolnost proti záření.
Díky těmto vlastnostem je keramika z nitridu křemíku užitečná jako vysokoteplotní ložiska, těsnění používaná v korozivních médiích, teploměrné jímky, nástroje pro řezání kovů atd. Například průmysl kuličkových ložisek používá tento materiál po desetiletí, protože jeho výkonnost byla prokázána a často se používá ve valivých tělesech keramických ložisek, jako jsou kuličky a válečky. Jeho extrémně vysoká mechanická houževnatost a vynikající tepelná odolnost, odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení jsou důvody, proč se používá v různých aplikacích s vysokým zatížením.
Proces výroby keramických ložisek
1. Práškové zpracování. Zpracování keramického prášku je velmi podobné zpracování kovového prášku. Zpracování keramického prášku zahrnuje výrobu prášku mletím, poté výrobu zelených produktů a jejich konsolidaci, aby se získal konečný produkt. Prášek je sbírka jemných částic. Keramický prášek lze získat drcením, mletím, separací nečistot, mícháním a sušením surovin.
2. Míchání. Keramické komponenty jsou smíchány dohromady pomocí různých postupů a strojů a přeměněny na kaši přidáním vody nebo jiných kapalin.
3. Lisovací metoda. Existují dva hlavní běžné způsoby lisování keramických ložisek, a to vstřikování a lisování prášku. Vstřikování je smíchání keramického prášku, organického pojiva, reologického činidla, submikronového prášku atd., a jejich vstřikování do formy pro formování. Práškové lisování je stlačování keramického prášku do tvarovaného tělesa a jeho následné spékání. Tyto dvě metody mají své výhody a nevýhody a měly by být vybrány podle specifických technických požadavků.
4. Proces slinování. Při výrobě keramických ložisek je zapotřebí slinovací úprava, aby se tvarované těleso zpevnilo do hotového výrobku a zároveň se také zlepšila jeho tvrdost a pevnost. Proces slinování keramických ložisek zahrnuje především oxidové slinování a neoxidové slinování. Podle postupu procesu se slinování nejprve provádí v oxidační atmosféře a poté se slinování provádí v neoxidační atmosféře. Během celého procesu slinování je třeba řídit parametry prostředí, jako je teplota, tlak a atmosféra, aby se dosáhlo požadovaného účinku.
5. Přesné obrábění. Slinutá keramická ložiska musí projít následným přesným obráběním, včetně broušení, leštění a dalších kroků, aby byla zajištěna jejich geometrická přesnost a kvalita povrchu. Současně je také vyžadována kontrola kvality, včetně detekce a analýzy ukazatelů, jako je tvrdost, hustota, rozměrová odchylka a hluk, aby bylo zajištěno, že produkty splňují mezinárodní normy a požadavky zákazníků.
Faktory ovlivňující kvalitu keramických ložisek
Kvalitu a efektivitu zpracování keramických ložisek ovlivňuje mnoho faktorů, včetně kvality materiálu, způsobu lisování, procesu slinování, technologie přesného obrábění a vybavení. Kromě toho je také ovlivněna parametry prostředí, jako je teplota, tlak, rychlost a atmosféra během zpracování. S ohledem na tyto faktory musí zpracovatelé zvolit vhodné procesní toky, zařízení a nástroje k zajištění kvality zpracování. V současné oblasti použití keramických materiálů se keramická ložiska stala nepostradatelnou základní technologií.