Následuj mě na: 
Zirkonová ložiska vs ložiska z nitridu křemíku, která z nich?
S neustálým pokrokem a rozvojem vědy a techniky v této fázi má mnoho zařízení, jako jsou vysokorychlostní obráběcí stroje a přesné testovací přístroje, stále vyšší požadavky na pracovní prostředí a práci. Lidé také vyžadují, aby tato mechanická zařízení měla různé výkony, jako je vysoká rychlost, vysoká přesnost a vysoká spolehlivost. Aby byly uspokojeny vývojové potřeby mnoha oborů, jako jsou vysoce přesné stroje, petrochemický průmysl, letecký a kosmický průmysl, vojenská a národní obrana, mechanické díly musí mít dobrou tepelnou odolnost, odolnost proti korozi, nízké magnetické vlastnosti atd. aby odolal většímu tlaku. . Valivá ložiska mají jako jednu z klíčových součástí vyšší požadavky na výkon.
Tradiční kovová ložiska však již nejsou schopna splnit současné požadavky na dlouhodobý stabilní provoz v extrémně náročných pracovních podmínkách. Ve srovnání s tradičními ložisky keramická ložiska mají vynikající komplexní vlastnosti, jako je dlouhá životnost, vysoká celková přesnost a tuhost, vysoká rychlost otáčení, dobrá tepelná stabilita, izolační a nemagnetické vlastnosti. Jsou vhodné pro použití při vysokých teplotách, vysokých rychlostech, vysoké přesnosti, silné korozi a silných magnetických polích. Má velmi široké možnosti použití v pracovních podmínkách, jako je mazání i bez mazání. Existuje několik komerčně dostupných typů keramických ložisek, z nichž všechny nabízejí mnoho výhod oproti tradičním ložiskovým prvkům. Typickými keramickými materiály běžně používanými jako ložiskové materiály jsou nitrid křemíku (Si3N4) a oxid zirkoničitý (ZrO2). Tento blog podrobně vysvětlí výhody a nevýhody keramických ložisek z nitridu křemíku (Si3N4) a oxidu zirkoničitého (ZrO2) a poskytne konstruktivní návrhy pro výběr vhodného ložiska.
Nitrid křemíku je velmi tvrdý, ale také velmi lehký materiál. Má vynikající odolnost vůči vodě, slané vodě a řadě kyselin a zásad. Má také velmi široký rozsah provozních teplot a je vhodný pro použití v aplikacích s vysokým vakuem. Extrémně vysoká tvrdost ložisek z nitridu křemíku také znamená větší křehkost, takže rázové nebo rázové zatížení by mělo být minimalizováno, aby se zabránilo riziku prasknutí. Keramická ložiska z nitridu křemíku jsou černá. Obecně jsou vnitřní a vnější kroužky a kuličky vyrobeny z nitridu křemíku a klec je vyrobena z PTFE nebo nylonu. V této kombinaci nepřesahuje teplotní odolnost 240 stupňů (protože samotný PTFE je také druh nylonu, takže produkt Pokud je v něm tento materiál, teplotní odolnost nepřesáhne 240 stupňů.
Ložiska z nitridu křemíku se používají jako primární typ ložiska pro různé aplikace v letectví. Stojí za zmínku, že raketoplány NASA byly původně postaveny s použitím ocelových ložisek v turbínových čerpadlech, což se ukázalo jako nesprávná věc, když raketoplány a zejména jejich motory zažily obrovské zatížení a teploty. Kvůli těmto extrémním zátěžím inženýři z NASA upgradovali ložiska na ložiska z nitridu křemíku, protože mají vynikající vlastnosti ve vakuovém prostředí. Podle analýzy NASA nabízejí ložiska Si3N4 40% zlepšení provozní doby ve srovnání s ocelovými ložisky.
Výhody ložisek z nitridu křemíku
Prozkoumejte výhody, aplikace a klíčové aspekty keramických ložisek z nitridu křemíku (Si3N4). Ložiska z nitridu křemíku si rychle nacházejí cestu do různých průmyslových odvětví díky své jedinečné kombinaci pevnosti, nízké hmotnosti a odolnosti vůči životnímu prostředí.
Lehké vlastnosti: Keramická ložiska Si3N4 jsou asi o 40 % lehčí než ocelová ložiska. Výrazné snížení hmotnosti znamená nižší setrvačnost a méně energie potřebné pro mechanické zrychlení a zpomalení, což zvyšuje účinnost ve vysokorychlostních aplikacích.
Výjimečná tvrdost a odolnost proti opotřebení: Nitrid křemíku je známý svou extrémně vysokou tvrdostí, která převyšuje tvrdost většiny kovů. Tato tvrdost pomáhá zlepšit odolnost proti opotřebení, čímž prodlužuje životnost ložiska i za náročných provozních podmínek.
Nízký koeficient tření: Hladký povrch keramických ložisek Si3N4 v kombinaci s jejich materiálovým složením má za následek velmi nízký koeficient tření. Toto nízké tření minimalizuje tvorbu tepla a energetické ztráty, čímž zvyšuje celkovou účinnost zařízení.
Schopnost vysoké teploty: Keramická ložiska Si3N4 si zachovávají své mechanické vlastnosti při vysokých teplotách, kdy mohou tradiční materiály degradovat. Díky tomu jsou vhodné pro aplikace s vysokými provozními teplotami, což rozšiřuje jejich použitelnost v prostředích nevhodných pro kovová ložiska.
Koroze a chemická odolnost: Nitrid křemíku je přirozeně odolný vůči širokému spektru korozivních látek, včetně vody, slané vody a mnoha kyselin a zásad. Tato odolnost zajišťuje jejich spolehlivost v korozivním prostředí, jako je chemické zpracování nebo námořní aplikace.
Elektrické izolační vlastnosti: Keramická ložiska z nitridu křemíku jsou elektricky izolující. Tato vlastnost je kritická v elektrických a elektronických aplikacích, protože izolace je nezbytná pro zabránění galvanické korozi a souvisejícímu poškození.
Kompatibilita s prostředím s vysokým vakuem: Ložiska z nitridu křemíku mohou efektivně pracovat v prostředí s vysokým vakuem bez rizika úniku plynu, což je běžný problém u určitých materiálů ve vakuu.
Snížená tepelná roztažnost: Nitrid křemíku má nižší rychlost tepelné roztažnosti, poskytuje rozměrovou stabilitu v celém rozsahu teplot a snižuje mezery, které mohou ovlivnit přesnost.
Nemagnetický: Nemagnetické vlastnosti nitridu křemíku jej činí vhodným pro aplikace, kde je třeba se vyhnout magnetickému rušení, jako jsou některá lékařská nebo elektronická zařízení.
Možnost provozu bez mazání: Díky svým přirozeným vlastnostem mohou keramická ložiska z nitridu křemíku v určitých aplikacích fungovat bez mazání, což snižuje požadavky na údržbu a eliminuje
Nevýhody ložisek z nitridu křemíku
Drahý: Vzhledem ke složitému procesu přípravy je cena poměrně vysoká.
Citlivé na náraz: Ložiska z nitridu křemíku jsou náchylná k poškození nárazem než ložiska zirkonia.
Klec ložiska z nitridu křemíku
Keramická ložiska Si3N4 jsou k dispozici v řadě variant klecí, z nichž každá je přizpůsobena specifickým požadavkům:
PEEK klece: Známé pro svou vysokou pevnost a chemickou odolnost, PEEK klece jsou ideální pro různá drsná prostředí.
PTFE klece: Tyto klece mají vynikající chemickou inertnost a nízké tření, díky čemuž jsou ideální pro aplikace vyžadující minimální odpor.
316 Klec z nerezové oceli: Nejvhodnější pro aplikace vyžadující pevnost a střední odolnost vůči teplu a korozi.
Zvýšená nosnost: Keramická ložiska z nitridu křemíku s plným počtem mají extra kuličky a žádnou klec, která má nosnost přibližně o 20 % vyšší než klecová ložiska.
Úvahy o rychlosti: V důsledku zvýšeného počtu valivých těles a výsledného tření je však maximální provozní rychlost těchto ložisek o 70 % nižší než u srovnatelných ložisek s klecí.
| vlastnost | Zirkonová keramická ložiska | Keramická ložiska z nitridu křemíku | Keramická ložiska z karbidu křemíku |
Tvrdost materiálu | Vysoký | velmi vysoká | extrémně vysoký |
Hmotnost | lehčí než ocel | O. O 40 % lehčí než ocel | lehčí než ocel |
Koeficient tření | nízká až střední | velmi nízká | nízký |
Nejvyšší teplotní odolnost | až 400 ° C | až 1200 ° C | až 1600 ° C |
odolnost proti korozi | velmi dobrá | vynikající | Vynikající výkon v kyselém a slaném prostředí |
elektrická izolace | Vysoký | Vysoký | Měnící se |
teplotní roztažnost | snadnost | nízký | nízký |
Odolnost proti nárazu/odolnost proti otřesům | dobrý | dobrý | Vysoký |
Pro maximalizaci životnosti a výkonu ložiska z nitridu křemíku se doporučuje provoz pod maximálním zatížením a jmenovitými otáčkami. Tento přístup je zvláště důležitý, protože jsou křehké než méně tvrdé materiály.
Aplikace ložisek z nitridu křemíku
Keramická ložiska Si3N4 jsou díky svým jedinečným vlastnostem široce používána v různých průmyslových odvětvích. Mezi hlavní aplikace patří:
Námořní aplikace: Díky jejich odolnosti vůči úplnému a trvalému ponoření jsou ideální pro námořní aplikace.
Prostředí s vysokým vakuem: Vlastnosti materiálu nitridu křemíku jsou výhodné pro aplikace s vysokým vakuem.
Přesné aplikace: Nízké tření a vysoká nosnost jej činí vhodným pro přesné stroje.
Elektromobily: V průmyslu elektrických vozidel jejich nízká hmotnost a elektrické izolační vlastnosti zvyšují účinnost a spolehlivost motoru.
Zirkonová keramická ložiska jsou bílé. Obecně platí, že vnitřní a vnější kroužky a kuličky jsou vyrobeny ze zirkonu a klec je vyrobena z PTFE (tj. teflonu). Tato kombinace odolá teplotám až 240 stupňů Celsia, ale pokud je požadována teplotní odolnost přesahující 240 stupňů Celsia až 400 stupňů Celsia, musí být kulička naplněna oxidem zirkoničitým (tj. klec se nepoužívá a kulička je celá vyrobeno ze zirkonu), takže vydrží teploty kolem 400 stupňů.
Zirkonová ložiska jsou převážně keramická ložiska vyrobená ze zirkonu (ZrO2) jako hlavní suroviny. Má vynikající vysokou houževnatost, vysokou pevnost v ohybu a vysokou odolnost proti opotřebení, díky čemuž je vynikající v mnoha oblastech. Koeficient tepelné roztažnosti zirkonové keramiky je navíc blízký kovům, což umožňuje její dokonalé spojení s kovy. Další důležitou vlastností zirkonových ložisek jsou jejich tepelně izolační vlastnosti, které jim umožňují pracovat v prostředí s vysokou teplotou a odolávat rychlým změnám teplot. Keramická ložiska vyrobená z ZrO2 nebo oxidu zirkoničitého jsou houževnatý keramický materiál s expanzními vlastnostmi velmi podobnými oceli, ale jsou o 30 % lehčí. To je výhoda při zvažování uložení hřídele a pouzdra ve vysokoteplotních aplikacích, kde expanze ložiska může znamenat, že hřídel již nesedí. Přestože se často označují jako ložiska ZrO2, ve skutečnosti jsou vyrobena z yttriem stabilizovaného ZrO2, který dodává materiálu větší pevnost a odolnost proti lomu při pokojové teplotě. Jsou také extrémně vodotěsné, což znamená, že se často používají v námořních aplikacích, zejména tam, kde je zařízení zcela ponořeno nebo kde tradiční ocelová ložiska nezvládají zatížení nebo rychlost.
Zirkonová keramická kuličková ložiska VS keramická kuličková ložiska z nitridu křemíku
Keramická ložiska zirkonia (ZrO2) a keramická ložiska z nitridu křemíku (Si3N4) jsou oba typy keramických ložisek. Obvykle jsou široce používány v oblasti vysoce přesného strojírenství nebo v oblasti abrazivních materiálů. Hlavní rozdíly mezi zirkoniovými keramickými kuličkovými ložisky a keramickými kuličkovými ložisky z nitridu křemíku jsou:
Barva
více než 80 % zirkonových keramických kuliček je převážně bílých a bílé zirkonové keramické kuličky jsou jejich skutečnou barvou. Někdy ale vidíte, že keramické kuličky vypadají světle žluté nebo šedé, protože zirkonový materiál obsahuje malé množství nečistot. Keramické kuličky zirkonia mají výhody vysoké houževnatosti, vysoké pevnosti v ohybu a odolnosti proti opotřebení, vynikajících tepelně izolačních vlastností a koeficientu tepelné roztažnosti, který se blíží koeficientu ocelových kuliček. Keramické kuličky z nitridu křemíku jsou převážně saze. Jsou extrémně odolné vůči vysokým teplotám a jejich pevnost může být zachována až do 1,200 stupňů bez poklesu. Jsou jedním z nejtvrdších materiálů na světě.
Srovnání fyzické výkonnosti
Pokud jde o fyzikální vlastnosti, keramické kuličky zirkonia mají vynikající odolnost proti opotřebení a korozi, zatímco keramické kuličky z nitridu křemíku mají také stejně vynikající výkon. Keramické kuličky z nitridu křemíku si zároveň vedou dobře i z hlediska přesnosti zpracování. V aplikačních oblastech vysoce přesného strojního průmyslu, jako jsou ultra-přesná ložiska, se proto vedle rozšířeného používání ocelových kuliček začaly u přesných ložisek prosazovat také keramické kuličky. Protože keramické kuličky mají antikorozní a antikorozní vlastnosti ve srovnání s ložiskovými ocelovými kuličkami a přesnost zpracování je dokonce vyšší než u ocelových kuliček.
Zároveň může hrát roli odolnosti proti vysoké teplotě v prostředí s vysokou teplotou. Keramické kuličky se proto objevují v ložiscích a dalších velmi přesných strojních oborech, jako jsou vodicí lišty, lineární posuvné příslušenství atd., a mají tendenci nahrazovat ocelové kuličky.
Vlastnosti materiálu | Zirkonové ložisko | Ložisko z nitridu křemíku |
Hustota (kg·m-3) | 5900 | 3250 |
Modul pružnosti (GPa) | 205 | 310 |
Pevnost v tlaku (MPa) | 2000 | > 3500 |
Modul lomu (MPa) | 600-900 | 700-1000 |
Tvrdost podle Vickerse (GPa) | 10-13 | 14-18 |
Houževnatost (MPa·m1/2) | 8-12 | 5-8 |
Koeficient tepelné roztažnosti (K-3·10-6) | 12 | 3.4 |
Měrné teplo (J·kg-1·K-1) | 400 | 800 |
Horní mez teploty použití (℃) | 750 | 1050 |
Odolnost proti nárazu | střední | Vysoký |
Režim poruchy únavy valivého kontaktu | Oloupat | Oloupat |
Od stolumůžeme vědět, že hustota nitridu křemíku je 55.09 % hustoty zirkonové keramiky. Keramická ložiska vyrobená z nitridu křemíku jsou lehká, což umožňuje jejich použití v lékařských zařízeních, domácích spotřebičích, motorech leteckých zařízení a klikových hřídelích závodních automobilů. Zároveň se díky nízké hustotě při použití nitridu křemíku jako valivého tělesa snižuje odstředivá síla generovaná rotujícím tělesem při otáčení ložiska, což přispívá k vysokorychlostnímu otáčení. To umožňuje jeho použití v motorech s plynovou turbínou, vřetenech obráběcích strojů a odstředivé separaci. vybavení a další obory.
Modul pružnosti a pevnost v tlaku nitridu křemíku jsou také vyšší než u oxidu zirkoničitého, což je výhodné pro schopnost ložiska odolávat namáhání; koeficient tepelné roztažnosti nitridu křemíku je menší než u oxidu zirkoničitého, což je výhodné pro snížení odezvy ložiska na teplotu. Měnící se citlivost rozšiřuje rozsah provozních otáček ložiska; Vysoká teplotní odolnost, odolnost proti korozi a vynikající chemická stabilita nitridu křemíku umožňují použití keramiky z nitridu křemíku při vyšších teplotách a v místech, kde nelze použít oxid zirkonu, jako je hydroxid sodný. Silné acidobazické scény.
Přestože keramika z nitridu křemíku má vlastnosti silné adaptability a vynikajícího výkonu, náklady na keramická ložiska z nitridu křemíku jsou relativně vysoké. Ve srovnání s jinými keramickými materiály (nitrid křemíku atd.) je proces přípravy materiálů na bázi oxidu zirkoničitého relativně jednoduchý, cena surového tělesa je nízká a lze jej snadno uvést na trh. Zirkonová keramická ložiska lze proto použít v aplikacích, které mají relativně nízké požadavky na výkon a nízké náklady. Spodní scéna. Zároveň je houževnatost oxidu zirkoničitého vyšší než houževnatost nitridu křemíku, což je výhodné pro stabilní použití ložisek.
Vyplatí se dodatečné náklady?
Celokeramická ložiska jsou obecně kulatější, hladší a tvrdší než ocel, s vynikající odolností proti korozi a teplu, vyšší rozměrovou stálostí a nižší hustotou. To však něco stojí. Keramická ložiska jsou mnohem dražší než ocelová ložiska. Kdy se tedy vyplatí investovat do keramických ložisek?
Vysoce hodnotné aplikace, jako je laboratorní vybavení, mají přesné požadavky, které je třeba splnit při každém použití aplikace. Použití nesprávných součástí v takovém zařízení může kontaminovat podmínky výzkumu nebo způsobit úplné zastavení studie. To je stejné jako u lékařského vybavení, kde jsou kritické vlastnosti keramických ložisek bez kontaminace a nemagnetické vlastnosti.
Vezměte si magnetickou rezonanci (MRI), zobrazovací techniku primárně spojenou s nemocničními MRI skenery. Technologie využívá silná magnetická pole k vytváření dvou- nebo trojrozměrných obrazů jakéhokoli živého objektu. Standardní ocelová ložiska nelze v těchto skenerech použít kvůli magnetismu, takže keramická ložiska jsou nejlepší volbou pro tyto vysoce hodnotné aplikace.
Podobně jako výrobci integrovaných obvodů usilují o to, aby jejich čipy byly rychlejší, menší a levnější, společnosti vyrábějící polovodičové zařízení začaly při dosahování požadovaného výkonu spoléhat na pokročilé keramické součástky. Ložiska vyrobená z nitridu křemíku namísto standardního oxidu hlinitého (oxid hlinitý) poskytují elektrickou izolaci a dobrou odolnost proti korozi.
V moderních průmyslových oborech jsou ložiska široce používána a ložiska zirkonia a ložiska z nitridu křemíku, jako dvě vysoce výkonná keramická ložiska, se díky svým jedinečným fyzikálním a chemickým vlastnostem stala první volbou v mnoha situacích s vysokou poptávkou. Jaký je tedy mezi nimi rozdíl a jak bychom si měli vybrat?
Nitrid křemíku má podobný odpor a dielektrickou konstantu jako oxid hlinitý, ale díky své mikrostruktuře je materiál mnohem pevnější. Celokeramická ložiska se mohou vyrovnat s mnoha náročnými podmínkami přítomnými ve fázi výroby polovodičů; od teploty pece blížící se 1400 stupňům Celsia až po kvalitu vzduchu v čistých prostorách třídy 1. Najednou jsou dodatečné náklady jasně oprávněné.
Obecně platí, že zirkonová ložiska a ložiska z nitridu křemíku mají každá své výhody a nevýhody. Při výběru je třeba zvážit skutečné potřeby a podmínky aplikace, abyste vybrali nejvhodnější materiál. Například zirkoniová ložiska jsou dobrou volbou pro aplikace, které vyžadují vysokou odolnost proti opotřebení a tepelnou izolaci; zatímco ložiska z nitridu křemíku jsou vhodná pro aplikace, které vyžadují vysokou pevnost a odolnost proti korozi.
Celokeramika vs hybridní keramická ložiska?
Když většina lidí přemýšlí keramická ložiska, obvykle odkazují na hybridní verze. Hybridní ložiska jsou umístěna někde uprostřed mezi keramikou a ocelí a obvykle obsahují kroužky nebo kroužky z nerezové oceli a keramické kuličky. Ocelové vnitřní a vnější kroužky hybridních ložisek lze obrábět s velmi úzkými tolerancemi, což znamená, že jsou nejvhodnější pro aplikace, jako jsou elektromotory, laboratorní zařízení a obráběcí stroje.
Například u brusky lze tření snížit přidáním keramických hybridních ložisek a syntetického maziva, čímž se zvýší otáčky za minutu (RPM) o 25 %. Brusné vřeteno s hybridní keramikou vydrží bez problémů 4,000 hodin, brusné vřeteno s ocelovými ložisky pak 3,000 hodin. Hybridní ložiska také snižují teploty o téměř 50 %. V horizontálních obráběcích centrech se ukázalo, že přechod z konvenčních na hybridní ložiska snižuje teploty ložisek z 60 stupňů Celsia na 36 stupňů Celsia při 12,000 XNUMX otáčkách za minutu.
Vyšších otáček lze dosáhnout použitím kombinací hybridních ložisek než plně keramická ložiska protože méně křehké kovové kroužky jsou méně náchylné k náhlému katastrofickému selhání při vysokých rychlostech nebo při zatížení. To znamená, že odolnost proti korozi hybridních ložisek bledne ve srovnání s plně keramickými ložisky. Specifikace správných ložisek pro extrémní prostředí byla vždy složitým problémem. Ale stejně jako oxid zirkoničitý objasnil původ života, položení těchto tří otázek pomůže rozhodovacímu procesu.