La guía definitiva sobre materiales cerámicos para rodamientos

La guía definitiva sobre materiales cerámicos para rodamientos

Los materiales cerámicos se utilizan ampliamente en muchos campos debido a sus propiedades únicas, como alta resistencia, alta dureza, resistencia al desgaste y estabilidad a altas temperaturas. Por ejemplo, los estudios han demostrado que rodamientos totalmente cerámicos Funciona mejor en agua que cualquier acero inoxidable. Los materiales cerámicos para cojinetes comúnmente utilizados incluyen nitruro de silicio (Si3N4), óxido de circonio (ZrO2), óxido de aluminio (Al2O3) o carburo de silicio (SiC). Los mejores materiales cerámicos para entornos contaminados por agua son el nitruro de silicio y el óxido de circonio, que tienen una vida útil 70 veces mayor que los rodamientos de acero inoxidable. Este blog tiene como objetivo explorar la clasificación y especificaciones de los materiales cerámicos para rodamientos. rodamiento de cerámica procesos de fabricación y brindar sugerencias constructivas para su comprensión integral de los rodamientos cerámicos.

El componente principal de las cerámicas de alúmina es Al2O3, que generalmente contiene más del 45%. Las cerámicas de alúmina tienen varias propiedades excelentes, como resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, alta resistencia, alta dureza y buenas propiedades dieléctricas, que son de 2 a 3 veces mayores que las de las cerámicas comunes. Sin embargo, la desventaja de las cerámicas de alúmina es que son frágiles y no pueden aceptar cambios bruscos de temperatura ambiente. La alúmina se puede dividir en diferentes series según el contenido de Al2O3 y los aditivos utilizados. Por ejemplo, la alúmina se puede dividir en 75% de alúmina, 85% de alúmina, 95% de alúmina, 99% de alúmina, etc.

un grupo de bolas seguidas

Material

Alúmina

Propiedad

Unidad

AL997

AL995

AL99

AL95

% alúmina

99.70%

99.50%

99.00%

95.00%

Color

Marfil

Marfil

Marfil

Marfil y blanco

Permeabilidad

Hermético

Hermético

Hermético

Hermético

Densidad

g / cm³

3.94

3.9

3.8

3.75

Rectitud

1 ‰

1 ‰

1 ‰

1 ‰

Dureza

Escala de Mohs

9

9

9

8.8

Absorción de agua

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

Resistencia a la flexión (típica a 20 °C)

MPa

375

370

340

304

Resistencia a la compresión (típica a 20 °C)

MPa

2300

2300

2210

1910

Coeficiente de expansión térmica (25°C a 800°C)

0-6 / ° C

7.6

7.6

7.6

7.6

Rigidez dieléctrica (5 mm de espesor)

CA kV/mm

10

10

10

10

Pérdida dieléctrica (25°C @ 1MHz)

<0.0001

<0.0001

0.0006

0.0004

Constante dieléctrica (25 °C a 1 MHz)

9.8

9.7

9.5

9.2

Resistividad de volumen (20°C a 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 trabajo a largo plazo

° C

1700

1650

1600

1400

Conductividad Térmica (25°C)

W / m · K

35

35

34

20

La alúmina es un excelente aislante eléctrico que puede resistir corrientes extremadamente altas. Su resistencia a la electricidad aumenta con su pureza. Cuanto mayor sea la pureza de la alúmina, mayor será su resistencia. Es bien sabido que la alúmina también tiene un punto de fusión muy alto y una gran resistencia mecánica. El punto de fusión de los productos Al2O3 ordinarios es muy alto, 2072°C. Sin embargo, cuando la temperatura supera los 1000 grados centígrados, su resistencia mecánica disminuye. Debido a la enorme diferencia en su coeficiente de expansión térmica, su resistencia al choque térmico es pobre cuando se expone a temperaturas muy altas.

La excelente estabilidad química de la alúmina es el factor principal de su alta resistencia a la corrosión. La alúmina también es ligeramente soluble en ácidos fuertes (como el ácido sulfúrico caliente y el HCl caliente, el HF también tiene cierto efecto corrosivo) y soluciones alcalinas, pero es insoluble en agua. La alúmina pura puede resistir la corrosión química, lo que la convierte en el principal material elegido para una variedad de piezas industriales. Los materiales cerámicos de alúmina también tienen una presión de vapor y una presión de descomposición muy bajas. Estas propiedades de la cerámica de alúmina la convierten en una de las cerámicas más utilizadas en entornos estructurales, de desgaste y de corrosión.

Las cerámicas de alúmina generalmente se fabrican a partir de bauxita y se pueden moldear mediante moldeo por inyección, moldeo por compresión, prensado isostático, fundición deslizante, mecanizado con diamante y extrusión. Al igual que el nitruro de aluminio, la alúmina también se puede producir mediante prensado en seco y sinterización o mediante prensado en caliente con ayudas de sinterización adecuadas. Debido a su excelente estabilidad química, las cerámicas de alúmina se utilizan ampliamente en cojinetes, impulsores de bombas resistentes a los ácidos, cuerpos de bombas, revestimientos de tuberías de ácido y válvulas. Debido a su altísima dureza y resistencia al desgaste, la cerámica de alúmina también se utiliza a menudo para fabricar piezas textiles resistentes al desgaste y herramientas de corte.

Materiales cerámicos: ordenados por densidad

Zirconia > 99% Alúmina > 94% Alúmina > 85% Alúmina > Nitruro de Aluminio > Carburo de Silicio > Mullita > Macor© > Cordierita

Materiales cerámicos: ordenados por dureza

Carburo de Silicio > 99% Alúmina > Zirconio YTZP > Nitruro de Silicio > Zirconio TTZ > 94% Alúmina > 85% Alúmina > Mullita > Cordierita > Macor©

Cuando el contenido de alúmina es superior al 95%, puede utilizarse como un excelente aislante eléctrico. También tiene bajas pérdidas dieléctricas y se usa ampliamente en los campos de la electrónica y los aparatos eléctricos. Además, la alúmina transparente tiene buena transmitancia a la luz visible y a los rayos infrarrojos y puede usarse para fabricar lámparas de sodio de alta presión y materiales para ventanas de detección de infrarrojos. Además, las cerámicas de alúmina tienen una excelente biocompatibilidad (similar a las aleaciones de titanio), alta resistencia y alta resistencia al desgaste. Por lo tanto, también son materiales ideales para preparar huesos y articulaciones artificiales.

Circonio (ZrO2)

Las cerámicas de circonio tienen baja conductividad térmica (aislan) y alta resistencia. Se utilizaron por primera vez en viajes espaciales en la década de 1960 para formar una barrera térmica que permitía al transbordador espacial entrar en la atmósfera terrestre. También soportan bien las altas temperaturas, con temperaturas de funcionamiento para cerámicas de circonio que oscilan entre -85 °C y 400 °C. Sin embargo, no son tan resistentes al choque térmico como el nitruro de silicio.

La circona tiene una fuerte resistencia a la corrosión, lo que la convierte en una opción perfecta para líquidos altamente corrosivos. Las cerámicas de circonio tienen una resistencia muy alta al crecimiento de grietas, lo que las hace ideales para procesos de soldadura y herramientas de formación de alambre. También los hace muy adecuados para aplicaciones mecánicas que implican riesgo de fractura. También presentan una dilatación térmica muy alta, con un coeficiente de dilatación térmica similar al del acero, lo que los convierte en el material elegido para la unión. cerámica y acero. Debido a sus propiedades tribológicas, el óxido de circonio es muy adecuado para movimientos rodantes, como por ejemplo rodamientos lineales o rodamientos de bolas (como los del fabricante TK linear). Además, las cerámicas de óxido de circonio y nitruro de silicio tienen las ventajas de alta compatibilidad con el vacío, resistencia no magnética, no conductora, a altas y bajas temperaturas, resistencia química, alta rigidez y larga vida útil. El óxido de circonio y el nitruro de silicio se pueden convertir en rodamientos después del funcionamiento en seco.

Rodamiento de cerámica de circonio.

En comparación con el óxido de aluminio, el óxido de circonio tiene altas propiedades mecánicas, alta resistencia y alta tenacidad. Si la resistencia es el único requisito, se recomienda este material. Además, el óxido de circonio (ZrO2) es una cerámica conocida en el ámbito de la salud por su biocompatibilidad, bioinerte, altas propiedades mecánicas y estabilidad química. En la industria dental, las cerámicas de óxido de circonio se utilizan para fabricar diversos productos de restauración dental. Por ejemplo, las piezas en bruto de circonio opacas o translúcidas se utilizan para hacer puentes, coronas y carillas. La circona prensada isostáticamente en caliente se utiliza para fabricar implantes y pilares dentales. Una de las principales ventajas del uso de circonio para restauraciones dentales es que el acabado superficial del producto terminado se parece mucho al de los dientes naturales. Además, las cerámicas de circonio son translúcidas y brillantes, lo que las hace adecuadas para aplicaciones en las que la apariencia es similar al material del diente circundante.

El carburo de silicio

Las cerámicas de carburo de silicio están compuestas principalmente de SiC, que es una cerámica de alta resistencia y alta temperatura. Cuando se usan a altas temperaturas de 1200 ℃ a 1400 ℃, las cerámicas de carburo de silicio aún pueden mantener una alta resistencia a la flexión y pueden usarse para componentes de alta temperatura como boquillas de cola de cohetes, manguitos de termopar y tubos de hornos. Las cerámicas de carburo de silicio también tienen buena conductividad térmica, resistencia a la oxidación, conductividad eléctrica y alta tenacidad al impacto. Es un material cerámico resistente y duradero que también tiene baja densidad, baja tasa de expansión térmica y excelente resistencia al choque térmico, lo que lo hace adecuado para una variedad de aplicaciones.

Composición

Carburo de silicio.

Peso molecular

40.1

Apariencia

Negro

punto de fusión

2,730°C (4,946°F) (Descomposición)

Densidad

3.0 a 3.2 g / cm³

La resistividad eléctrica

1 a 4 x 10^5 Ω·m

Porosidad

0.15 a 0.21

Calor especifico

670 a 1180 J/kg·K

未 标题 1
3

El carburo de silicio se produce combinando químicamente átomos de carbono y silicio. Las partículas de carburo de silicio se han utilizado como abrasivo durante muchos años, más comúnmente en forma de papel de lija. Sin embargo, estas partículas se pueden unir mediante sinterización para formar un material cerámico muy duradero que tiene excelentes propiedades mecánicas, lo que lo convierte en una excelente opción para fabricar rodamientos. Debido a su alta conductividad térmica y eléctrica, el carburo de silicio se puede utilizar como componente de eliminación de estática.

Cerámica de nitruro

Cerámica de nitruro están hechos de nitruros metálicos, como nitruro de silicio y nitruro de aluminio. Cerámica de nitruro de silicio (Si3N4) Si3N4 es el componente principal de la cerámica de nitruro de silicio, que es de alta resistencia, alta dureza, resistente al desgaste, resistente a la corrosión y autolubricante. alta temperatura cerámico.

Propiedad

Value alto

Color

Gris y gris oscuro

Densidad

3.2 a 3.25 g / cm³

Dureza

HRA 92 a 94

Temperatura de funcionamiento máxima

1300 a 1600 ° C

Conductividad Térmica

23 a 25 W/(m·K)

Fuerza flexible

≥900 MPa

Tenacidad de fractura

6 a 8 MPa·m¹/²

Coeficiente de expansión térmica

2.95 a 3 x 10⁻⁶ /°C (0 a 1400°C)

Si busca un material que pueda soportar altas temperaturas y condiciones mecánicas duras, entonces el carburo de silicio es una buena opción, aunque este material es relativamente caro. Cuando se trata de soportar altas temperaturas, el nitruro de silicio es superior a las soluciones metálicas y el Si3N4 tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -100 °C a 900 °C. Además, el coeficiente de expansión lineal del nitruro de silicio es el más pequeño entre todos los tipos de cerámica. El coeficiente de expansión térmica del nitruro de silicio es 3.2 x 10-6/k, mientras que el coeficiente de expansión térmica del carburo de silicio es 3 x 10-6/k. Los coeficientes de expansión térmica del óxido de circonio y del óxido de aluminio son 10.5 x 10-6/k y 8.5 x 10-6/k respectivamente, pero ambos son mucho más bajos que los del acero para rodamientos, que tiene un coeficiente de 12.5 x 10-6/k.

Clasificación

Oxido de aluminio

Oxido de aluminio

Oxido de aluminio

Oxido de aluminio

Carburo de silicio.

Carburo de silicio.

Nitrido de silicona

Mullita

Óxido de circonio

Talco

 

KMA995

KMG995

KMA96

KMA96

KMG96

KMG96

Kai170

Talco

KYCS

-

Componente principal

99.7

99.6

96

96

92

92

92

92

92

92

Color

lechoso

Blanco

Blanco

Blanco

Blanco

Negro

Negro

Gris

Blanco

Gris

Densidad aparente (g / cm³)

3.9

3.9

3.7

3.7

6

3.1

3.2

2.7

3.5

2.7

Resistencia a la flexión (MPa)

400

390

320

320

1000

450

420

200

120

150

Módulo de Young (GPa)

380

370

340

340

410

350

310

210

130

170

Mecánico

Dureza (GPa)

21

20

19

19

24

13

22

13

22

El coeficiente de Poisson

0.24

0.24

0.23

0.31

Dureza a la fractura (MPa·m¹/²)

4.1

4

3.5

3.5

4

4.6

6

2.5

4

3.2

Coeficiente de expansión térmica (×10⁻⁶/°C)

6.4

5.8

5.7

5.7

7.7

11

3.2

2.5

2.5

3.0

Térmica

Conductividad Térmica (W/m·K)

30

28

21

21

120

80

17

1.2

1.2

Calor específico (J/g·K)

0.78

0.78

0.78

0.78

1.4

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

Constante dieléctrica (1 MHz)

10.1

10.1

9.4

9.5

11

7

7

8.5

8.5

6.5

Pérdida dieléctrica (×10⁻⁴)

50

50

40

50

50

50

50

50

50

50

Resistividad de volumen (Ω·cm)

10¹⁵

10¹⁵

10¹⁴

10¹⁴

10¹²

10¹²

10¹²

10¹³

10¹³

10¹³

Tensión de ruptura (kV/mm)

10

10

10

10

11

11

11

10

10

10

Caracteristicas

Alta Resistencia

Alta Resistencia

Alta Resistencia

Alta Resistencia

Alta dureza

Alta dureza

Alta tenacidad

Alta tenacidad

Conductividad térmica baja

Conductividad térmica baja

 

Aislante

Aislante

Aislante

Aislante

Conductivo

Conductivo

Aislante

Aislante

El peso ligero

El peso ligero

Usos

Material abrasivo

Material abrasivo

Material abrasivo

Material abrasivo

Material abrasivo

Material abrasivo

Material de sellado

Material de sellado

Aislamiento térmico

Aislamiento térmico

 

Piezas resistentes al desgaste

Piezas resistentes al desgaste

Piezas resistentes al desgaste

Piezas resistentes al desgaste

Piezas de resistencia a altas temperaturas

Piezas de resistencia a altas temperaturas

Partes aeroespaciales

Partes aeroespaciales

Piezas de equipos semiconductores

Piezas de equipos semiconductores

 

Piezas de alta temperatura

Piezas de alta temperatura

Piezas de alta temperatura

Piezas de alta temperatura

herramienta de piezas

herramienta de piezas

Piezas de electrodos

Piezas de electrodos

Implantes Dentales

Implantes Dentales

 

Piezas de semiconductores

Piezas de semiconductores

Piezas de semiconductores

Piezas de semiconductores

 

 

 

 

 

Asunto

Unidad

Si₃N₄

ZrO₂

Al₂O₃ (99.5%)

SiC

Teniendo acero

Densidad

g / cm³

3.23

6.05

3.92

3.12

7.85

Absorción de agua

%

0

0

0

0

0

Coeficiente de expansión térmica lineal

10⁻⁶/k

3.2

10.5

8.5

3

12.5

Módulo de elasticidad (Mod. de Young)

GPa

300

210

340

440

208

El coeficiente de Poisson

/

0.26

0.3

0.22

0.17

0.3

Dureza (Hv)

MPa

1500

1200

1650

2800

700

Resistencia a la flexión (@ RT)

MPa

720

950

310

390

520 (resistencia a la tracción)

Resistencia a la flexión (700 ° C)

MPa

450

210

230

380

/

Resistencia a la compresión (@ RT)

MPa

2300

2000

1800

1800

/

Dureza a la fractura, K₁c

MPa·m¹/²

6.2

10

4.2

3.9

25

Conductividad térmica (@ RT)

W / m · k

25

2

26

120

40

Resistividad eléctrica (@ RT)

Ω·mm²/m

>10¹³

>10¹⁵

>10¹⁶

>10³

0.1 1 ~

Máx. Usar temperatura (sin carga)

° F

1050

750

1500

1700

1700

Resistencia a la Corrosión

/

Excelente

Excelente

Excelente

Excelente

Pobre

El nitruro de silicio tiene una resistencia al choque térmico de hasta 600 °C, mientras que el carburo de silicio tiene una resistencia al choque térmico de solo 400 °C, lo que indica que el riesgo de fractura debido a los cambios de temperatura es mínimo. En ambientes con grandes cambios de temperatura, cuando la resistencia al choque térmico es una prioridad máxima, el nitruro de silicio y el carburo de silicio son las mejores opciones. Además, el nitruro de silicio tiene una excelente resistencia a la corrosión y puede resistir la corrosión de varios ácidos, excepto el ácido fluorhídrico, así como la corrosión de álcalis y diversos metales. Tiene un excelente aislamiento eléctrico y resistencia a la radiación.

Rodamientos de nitruro de silicio

Estas propiedades de las cerámicas de nitruro de silicio las hacen útiles como cojinetes de alta temperatura, sellos utilizados en medios corrosivos, termopozos, herramientas de corte de metales, etc. Por ejemplo, la industria de los rodamientos de bolas ha estado utilizando este material durante décadas porque su rendimiento ha sido probado y Se utiliza a menudo en elementos rodantes de rodamientos cerámicos, como bolas y rodillos. Su extremadamente alta tenacidad mecánica y su excelente resistencia al calor, a la corrosión y al desgaste son las razones por las que se utiliza en diversas aplicaciones de alta carga.

Proceso de fabricación de rodamientos cerámicos.

1. Procesamiento de polvo. El procesamiento de polvo cerámico es muy similar al procesamiento de polvo metálico. El procesamiento de polvo cerámico implica producir polvo moliéndolo, luego fabricar productos ecológicos y luego consolidarlos para obtener el producto final. El polvo es una colección de partículas finas. El polvo cerámico se puede obtener triturando, moliendo, separando impurezas, mezclando y secando las materias primas.

2. Mezcla. Los componentes cerámicos se mezclan mediante diversos procedimientos y máquinas, y se convierten en una suspensión añadiendo agua u otros líquidos.

3. Método de moldeo. Existen dos métodos principales de moldeo de rodamientos cerámicos comunes, a saber, moldeo por inyección y moldeo en polvo. El moldeo por inyección consiste en mezclar polvo cerámico, aglutinante orgánico, agente reológico, polvo submicrónico, etc., e inyectarlos en el molde para moldear. El moldeado en polvo consiste en comprimir el polvo cerámico en un cuerpo moldeado y luego sinterizarlo. Estos dos métodos tienen sus propias ventajas y desventajas y deben seleccionarse de acuerdo con los requisitos de ingeniería específicos.

4. Proceso de sinterización. Durante el proceso de producción de rodamientos cerámicos, se requiere un tratamiento de sinterización para solidificar el cuerpo moldeado en un producto terminado y, al mismo tiempo, también se puede mejorar su dureza y resistencia. El proceso de sinterización de rodamientos cerámicos incluye principalmente sinterización con óxido y sinterización sin óxido. Según el flujo del proceso, la sinterización se lleva a cabo primero en una atmósfera oxidante y luego la sinterización se lleva a cabo en una atmósfera no oxidante. Durante todo el proceso de sinterización, es necesario controlar parámetros ambientales como la temperatura, la presión y la atmósfera para lograr el efecto deseado.

5. Mecanizado de precisión. Los rodamientos cerámicos sinterizados deben someterse a un mecanizado de precisión posterior, que incluye esmerilado, pulido y otros pasos para garantizar su precisión geométrica y calidad de la superficie. Al mismo tiempo, también se requiere una inspección de calidad, incluida la detección y análisis de indicadores como dureza, densidad, desviación dimensional y ruido para garantizar que los productos cumplan con los estándares internacionales y los requisitos del cliente.

Factores que afectan la calidad de los rodamientos cerámicos.

La calidad y eficiencia del procesamiento de rodamientos cerámicos se ven afectadas por muchos factores, incluida la calidad del material, el método de moldeo, el proceso de sinterización, la tecnología y el equipo de mecanizado de precisión. Además, también se ve afectado por parámetros ambientales como la temperatura, presión, velocidad y atmósfera durante el procesamiento. En vista de estos factores, los técnicos de procesamiento deben seleccionar flujos de proceso, equipos y herramientas adecuados para garantizar la calidad del procesamiento. En el campo de aplicación actual de los materiales cerámicos, los rodamientos cerámicos se han convertido en una tecnología central indispensable.