Keraamiliste laagrimaterjalide ülim juhend

Keraamiliste laagrimaterjalide ülim juhend

Keraamilisi materjale kasutatakse laialdaselt paljudes valdkondades tänu oma ainulaadsetele omadustele, nagu kõrge tugevus, kõrge kõvadus, kulumiskindlus ja kõrge temperatuuri stabiilsus. Näiteks on uuringud näidanud, et täiskeraamilised laagrid toimivad vees paremini kui ükski roostevaba teras. Tavaliselt kasutatavate keraamiliste laagrimaterjalide hulka kuuluvad räninitriid (Si3N4), tsirkooniumoksiid (ZrO2), alumiiniumoksiid (Al2O3) või ränikarbiid (SiC). Parimad keraamilised materjalid veega saastunud keskkondadesse on räninitriid ja tsirkooniumoksiid, mille kasutusiga on 70 korda pikem kui roostevabast terasest laagritel. Selle ajaveebi eesmärk on uurida keraamiliste laagrimaterjalide klassifikatsiooni ja spetsifikatsioone, keraamiliste laagrite tootmisprotsesse ning pakkuda konstruktiivseid ettepanekuid keraamiliste laagrite igakülgseks mõistmiseks.

Alumiiniumoksiidi keraamika (Al2O3)

Alumiiniumoksiidi keraamika põhikomponent on Al2O3, mis sisaldab üldiselt üle 45%. Alumiiniumoksiidi keraamikal on mitmesugused suurepärased omadused, nagu kõrge temperatuurikindlus, korrosioonikindlus, kõrge tugevus, kõrge kõvadus ja head dielektrilised omadused, mis on 2–3 korda tavalisest keraamikast suuremad. Alumiiniumoksiidi keraamika puuduseks on aga see, et see on habras ega talu ümbritseva õhu temperatuuri järske muutusi. Al2O3 sisalduse ja kasutatud lisandite järgi saab alumiiniumoksiidi jagada erinevatesse seeriatesse. Näiteks võib alumiiniumoksiidi jagada 75% alumiiniumoksiidiks, 85% alumiiniumoksiidiks, 95% alumiiniumoksiidiks, 99% alumiiniumoksiidiks jne.

rühm palle reas

MATERJAL

Alumiiniumoksiid

vara

Üksus

AL997

AL995

AL99

AL95

% alumiiniumoksiid

-

99.70%

99.50%

99.00%

95.00%

Värvus

-

Ivory

Ivory

Ivory

Elevandiluu ja valge

Läbilaskvus

-

õhukindel

õhukindel

õhukindel

õhukindel

Tihedus

g / cmXNUMX

3.94

3.9

3.8

3.75

Sirgus

-

1 ‰

1 ‰

1 ‰

1 ‰

Kõvadus

Mohsi skaala

9

9

9

8.8

Vee imendumine

-

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

Paindetugevus (tavaline 20 °C juures)

MPa

375

370

340

304

Survetugevus (tavaline temperatuuril 20 °C)

MPa

2300

2300

2210

1910

Soojuspaisumise koefitsient (25°C kuni 800°C)

0-6/°C

7.6

7.6

7.6

7.6

Dielektriline tugevus (paksus 5 mm)

AC kV/mm

10

10

10

10

Dielektriline kadu (25°C @ 1MHz)

-

<0.0001

<0.0001

0.0006

0.0004

Dielektriline konstant (25°C @ 1MHz)

-

9.8

9.7

9.5

9.2

Mahutakistus (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

Pikaajaline töötemperatuur

° C

1700

1650

1600

1400

Soojusjuhtivus (25°C)

W/m·K

35

35

34

20

Alumiiniumoksiid on suurepärane elektriisolaator, mis talub väga suuri voolusid. Selle vastupidavus elektrile suureneb koos puhtusega. Mida kõrgem on alumiiniumoksiidi puhtus, seda suurem on selle vastupidavus. On hästi teada, et alumiiniumoksiidil on ka väga kõrge sulamistemperatuur ja tugev mehaaniline tugevus. Tavaliste Al2O3 toodete sulamistemperatuur on väga kõrge, 2072°C. Kui aga temperatuur ületab 1000 kraadi Celsiuse järgi, väheneb selle mehaaniline tugevus. Soojuspaisumisteguri tohutu erinevuse tõttu on selle vastupidavus termilisele šokile väga kõrge temperatuuriga kokkupuutel halb.

Alumiiniumoksiidi suurepärane keemiline stabiilsus on selle kõrge korrosioonikindluse peamine tegur. Alumiiniumoksiid lahustub vähesel määral ka tugevates hapetes (näiteks kuum väävelhape ja kuum HCl, HF on ka teatud söövitava toimega) ja leeliselistes lahustes, kuid ei lahustu vees. Puhas alumiiniumoksiid talub keemilist korrosiooni, muutes puhta alumiiniumoksiidi peamiseks valikumaterjaliks mitmesuguste tööstuslike osade jaoks. Alumiiniumoksiidi keraamilistel materjalidel on ka väga madal aururõhk ja lagunemisrõhk. Need alumiiniumoksiidi keraamika omadused muudavad selle üheks kõige laialdasemalt kasutatavaks keraamikaks konstruktsiooni-, kulumis- ja korrosioonikeskkonnas.

Alumiiniumoksiidi keraamika on tavaliselt valmistatud boksiidist ja seda saab vormida survevalu, survevalu, isostaatilise pressimise, libisemisvalu, teemanttöötluse ja ekstrusiooni abil. Sarnaselt alumiiniumnitriidiga saab alumiiniumoksiidi toota ka kuivpressimise ja paagutamise või kuumpressimise teel sobivate paagutamise abivahenditega. Tänu suurepärasele keemilisele stabiilsusele kasutatakse alumiiniumoksiidi keraamikat laialdaselt laagrites, happekindlates pumbatiivikutes, pumba korpustes, happetorustiku vooderdistes ja ventiilides. Tänu ülikõrgele kõvadusele ja kulumiskindlusele kasutatakse alumiiniumoksiidi keraamikat sageli ka tekstiilide kulumiskindlate detailide ja lõikeriistade valmistamiseks.

Keraamilised materjalid – sorteeritud tiheduse järgi

Tsirkooniumoksiid > 99% alumiiniumoksiid > 94% alumiiniumoksiid > 85% alumiiniumoksiid > alumiiniumnitriid > ränikarbiid > mulliit > Macor© > kordieriit

Keraamilised materjalid – sorteeritud kõvaduse järgi

Ränikarbiid > 99% alumiiniumoksiid > YTZP tsirkoonium > räninitriid > TTZ tsirkoonium > 94% alumiiniumoksiid > 85% alumiiniumoksiid > mulliit > kordieriit > Macor©

Kui alumiiniumoksiidi sisaldus on suurem kui 95%, saab seda kasutada suurepärase elektriisolaatorina. Sellel on ka väike dielektriline kadu ja seda kasutatakse laialdaselt elektroonika ja elektriseadmete valdkonnas. Lisaks on läbipaistval alumiiniumoksiidil hea läbilaskvus nähtavale valgusele ja infrapunakiirtele ning seda saab kasutada kõrgsurve-naatriumlampide ja infrapunatuvastusakna materjalide valmistamiseks. Lisaks on alumiiniumoksiidi keraamikal suurepärane biosobivus (sarnaselt titaanisulamitele), kõrge tugevus ja kõrge kulumiskindlus. Seetõttu on need ideaalsed materjalid ka kunstluude ja kunstliigeste ettevalmistamiseks.

Tsirkooniumoksiid (ZrO2)

Tsirkooniumkeraamika on madala soojusjuhtivusega (isoleerib) ja suure tugevusega. Esimest korda kasutati neid kosmosereisidel 1960. aastatel, et moodustada termiline barjäär, mis võimaldas kosmosesüstikul Maa atmosfääri siseneda. Nad taluvad hästi ka kõrgeid temperatuure, tsirkooniumoksiidi keraamika töötemperatuurid on vahemikus -85 °C kuni 400 °C. Kuid need ei ole termilise šoki suhtes nii vastupidavad kui räninitriid.

Tsirkooniumoksiidil on tugev korrosioonikindlus, mis teeb sellest ideaalse valiku väga söövitavate vedelike jaoks. Tsirkooniumkeraamikal on väga kõrge vastupidavus pragude kasvule, mistõttu sobivad need ideaalselt keevitusprotsessidesse ja traadi vormimise tööriistadesse. See muudab need ka väga sobivaks mehaanilisteks rakendusteks, kus on murdumisoht. Neil on ka väga suur soojuspaisumine, mille soojuspaisumistegur on sarnane terase omaga, mistõttu on need eelistatud materjal keraamika ja terase ühendamiseks . Oma triboloogiliste omaduste põhjal sobib tsirkooniumoksiid väga hästi veeremisliikumiseks, näiteks lineaarlaagrid või kuullaagrid (näiteks tootja TK Linear). Lisaks on tsirkooniumoksiidi ja räninitriidkeraamikal eelised kõrge vaakumühilduvus, mittemagnetiseerumine, mittejuhtivus, kõrge ja madala temperatuurikindlus, keemiline vastupidavus, suur jäikus ja pikk eluiga. Tsirkooniumoksiidist ja räninitriidist saab pärast kuivkäivitamist laagreid valmistada.

Tsirkooniumkeraamiline laager

Võrreldes alumiiniumoksiidiga on tsirkooniumoksiidil kõrged mehaanilised omadused, kõrge tugevus ja kõrge sitkus. Kui tugevus on ainus nõue, on see materjal soovitatav. Lisaks on tsirkooniumoksiid (ZrO2) keraamika, mis on tervisevaldkonnas tuntud oma biosobivuse, bioinertsuse, kõrgete mehaaniliste omaduste ja keemilise stabiilsuse poolest. Hambaravitööstuses kasutatakse tsirkooniumoksiidkeraamikat erinevate hammaste taastamise toodete valmistamiseks. Näiteks kasutatakse läbipaistmatuid või poolläbipaistvaid tsirkooniumoksiidi toorikuid sildade, kroonide ja spoonide valmistamiseks. Kuum isostaatiliselt pressitud tsirkooniumoksiidi kasutatakse hambaimplantaatide ja tugipostide valmistamiseks. Tsirkooniumoksiidi kasutamise üks peamisi eeliseid hammaste taastamisel on see, et valmistoote pinnaviimistlus sarnaneb vägagi loomulike hammaste omaga. Lisaks on tsirkooniumoksiidi keraamika poolläbipaistev ja läikiv, mistõttu sobib see rakendustesse, kus välimus sarnaneb ümbritseva hambamaterjaliga.

Ränikarbiid

Ränikarbiidist keraamika koosneb peamiselt ränidioksiidist, mis on ülitugev ja kõva kõrge temperatuuriga keraamika. Kõrgel temperatuuril 1200 ℃ kuni 1400 ℃ kasutamisel säilib ränikarbiidist keraamika kõrge paindetugevus ja seda saab kasutada kõrge temperatuuriga komponentide jaoks, nagu raketi sabadüüsid, termopaari hülsid ja ahjutorud. Ränikarbiidist keraamikal on ka hea soojusjuhtivus, oksüdatsioonikindlus, elektrijuhtivus ja kõrge löögikindlus. See on tugev ja vastupidav keraamiline materjal, millel on ka madal tihedus, madal soojuspaisumiskiirus ja suurepärane soojuslöögikindlus, mistõttu sobib see mitmesuguste rakenduste jaoks.

Aine koostis

Ränikarbiid

Molekulmass

40.1

Välimus

Must

Sulamispunkt

2,730°C (4,946°F) (lagunemine)

Tihedus

3.0 kuni 3.2 g/cm³

Elektriline takistus

1 kuni 4 x 10^5 Ω·m

Poorsus

0.15 et 0.21

Spetsiifiline soojus

670 kuni 1180 J/kg·K

未 标题 1
3

Ränikarbiidi toodetakse süsiniku ja räni aatomite keemilisel kombineerimisel. Ränikarbiidi osakesi on abrasiivina kasutatud juba aastaid, enamasti liivapaberi kujul. Neid osakesi saab aga paagutamise teel omavahel siduda, et moodustada väga vastupidav keraamiline materjal, millel on suurepärased mehaanilised omadused, mistõttu on see suurepärane valik laagrite valmistamiseks. Tänu oma kõrgele soojus- ja elektrijuhtivusele saab ränikarbiidi kasutada staatilise eliminatsioonikomponendina.

Nitriidkeraamika

Nitriidkeraamika on valmistatud metallinitriididest, näiteks räninitriidist ja alumiiniumnitriidist . Räninitriidkeraamika (Si3N4) Si3N4 on räninitriidkeraamika peamine komponent, mis on suure tugevusega, suure kõvadusega, kulumiskindel, korrosioonikindel ja iseõlitav kõrgel temperatuuril töötav keraamika.

vara

Väärtus

Värvus

Hall ja tumehall

Tihedus

3.2 kuni 3.25 g/cm³

Kõvadus

HRA 92 kuni 94

Maksimaalne töötemperatuur

1300 kuni 1600 ° C

Soojusjuhtivus

23 kuni 25 W/(m·K)

Paindetugevus

≥900 MPa

Luumurd sitkus

6 kuni 8 MPa·m¹/²

Soojuspaisumistegur

2.95 kuni 3 x 10⁻⁶ /°C (0 kuni 1400°C)

Kui otsite materjali, mis talub kõrgeid temperatuure ja karme mehaanilisi tingimusi, siis on ränikarbiid hea valik, kuigi see materjal on suhteliselt kallis. Kõrgete temperatuuride talumise osas on räninitriid parem kui metallilahused ja Si3N4 töötemperatuuri vahemik on -100 °C kuni 900 °C. Lisaks on räni nitriidi lineaarne paisumistegur kõigi keraamikatüüpide seas väikseim. Räninitriidi soojuspaisumistegur on 3.2 x 10-6/k, ränikarbiidi soojuspaisumistegur aga 3 x 10-6/k. Tsirkooniumoksiidi ja alumiiniumoksiidi soojuspaisumise koefitsiendid on vastavalt 10.5 x 10-6/k ja 8.5 x 10-6/k, kuid mõlemad on palju madalamad kui laagriterasel, mille koefitsient on 12.5 x 10-6/k.

Klassifikatsioon

Alumiiniumoksiid

Alumiiniumoksiid

Alumiiniumoksiid

Alumiiniumoksiid

Ränikarbiid

Ränikarbiid

Räninitriid

Mulliit

Tsirkooniumoksiid

talk

 

KMA995

KMG995

KMA96

KMA96

KMG96

KMG96

Kai170

talk

KYCS

-

Põhikomponent

99.7

99.6

96

96

92

92

92

92

92

92

Värvus

Linnukas

Valge

Valge

Valge

Valge

Must

Must

Hall

Valge

Hall

Puistetihedus (g/cm³)

3.9

3.9

3.7

3.7

6

3.1

3.2

2.7

3.5

2.7

Paindetugevus (MPa)

400

390

320

320

1000

450

420

200

120

150

Youngi moodul (GPa)

380

370

340

340

410

350

310

210

130

170

Mehaaniline

Kõvadus (GPa)

21

20

19

19

24

13

22

13

22

Poissoni suhe

-

0.24

0.24

0.23

0.31

-

-

-

-

-

Murdekindlus (MPa·m¹/²)

4.1

4

3.5

3.5

4

4.6

6

2.5

4

3.2

Soojuspaisumise koefitsient (×10⁻⁶/°C)

6.4

5.8

5.7

5.7

7.7

11

3.2

2.5

2.5

3.0

Termiline

Soojusjuhtivus (W/m·K)

30

28

21

21

120

80

17

1.2

1.2

Erisoojus (J/g·K)

0.78

0.78

0.78

0.78

1.4

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

Dielektriline konstant (1 MHz)

10.1

10.1

9.4

9.5

11

7

7

8.5

8.5

6.5

Dielektriline kadu (×10⁻⁴)

50

50

40

50

50

50

50

50

50

50

Mahutakistus (Ω·cm)

10¹⁵

10¹⁵

10¹XNUMX

10¹XNUMX

10¹²

10¹²

10¹²

10¹³

10¹³

10¹³

Läbilöögipinge (kV/mm)

10

10

10

10

11

11

11

10

10

10

FUNKTSIOONID

Suur tugevus

Suur tugevus

Suur tugevus

Suur tugevus

Suur kõvadus

Suur kõvadus

Kõva sitkus

Kõva sitkus

Madal soojusjuhtivus

Madal soojusjuhtivus

 

Isoleeriv

Isoleeriv

Isoleeriv

Isoleeriv

Juhtiv

Juhtiv

Isoleeriv

Isoleeriv

Kerge kaal

Kerge kaal

sa kasutad

Abrasiivne materjal

Abrasiivne materjal

Abrasiivne materjal

Abrasiivne materjal

Abrasiivne materjal

Abrasiivne materjal

Tihendusmaterjal

Tihendusmaterjal

Soojusisolatsioon

Soojusisolatsioon

 

Kulumiskindlad osad

Kulumiskindlad osad

Kulumiskindlad osad

Kulumiskindlad osad

Kõrgele temperatuurile vastupidavad osad

Kõrgele temperatuurile vastupidavad osad

Lennunduse ja kosmose osad

Lennunduse ja kosmose osad

Pooljuhtseadmete osad

Pooljuhtseadmete osad

 

Kõrge temperatuuriga osad

Kõrge temperatuuriga osad

Kõrge temperatuuriga osad

Kõrge temperatuuriga osad

Tool osad

Tool osad

Elektroodide osad

Elektroodide osad

Hambaimplantaadid

Hambaimplantaadid

 

Pooljuhtide osad

Pooljuhtide osad

Pooljuhtide osad

Pooljuhtide osad

-

 

 

 

 

 

Kirje

Üksus

Si₃N4

ZrO₂

Al99.5OXNUMX (XNUMX%)

Sic

Kandev teras

Tihedus

g / cmXNUMX

3.23

6.05

3.92

3.12

7.85

Vee imendumine

%

0

0

0

0

0

Lineaarse soojuspaisumise koefitsient

10⁻⁶/k

3.2

10.5

8.5

3

12.5

Elastsusmoodul (Young's Mod.)

GPa

300

210

340

440

208

Poissoni suhe

/

0.26

0.3

0.22

0.17

0.3

Kõvadus (Hv)

MPa

1500

1200

1650

2800

700

Paindetugevus (@ RT)

MPa

720

950

310

390

520 (tõmbetugevus)

Paindetugevus (700°C)

MPa

450

210

230

380

/

Survetugevus (@ RT)

MPa

2300

2000

1800

1800

/

Murdetugevus, K₁c

MPa·m¹/²

6.2

10

4.2

3.9

25

Soojusjuhtivus (@ RT)

W/m·k

25

2

26

120

40

Elektriline takistus (@ RT)

Ω·mm²/m

>10¹³

>10¹XNUMX

>10¹⁶

>10³

0.1 ~ 1

Max Kasutustemperatuur (ilma laadimiseta)

° F

1050

750

1500

1700

1700

Korrosioonikindlust

/

suurepärane

suurepärane

suurepärane

suurepärane

vaene

Räninitriidi soojusšokikindlus on kuni 600°C, ränikarbiidil aga vaid 400°C, mis näitab, et temperatuurimuutustest tingitud murdumisoht on minimaalne. Suurte temperatuurimuutustega keskkondades, kus termošokikindlus on esmatähtis, on räninitriid ja ränikarbiid parimad valikud. Lisaks on räni nitriidil suurepärane korrosioonikindlus ja see talub korrosiooni erinevate hapete poolt, välja arvatud vesinikfluoriidhape, samuti leeliste ja erinevate metallide korrosiooni. Sellel on suurepärane elektriisolatsioon ja kiirguskindlus.

Silikoonnitriidlaagrid

Need räninitriidkeraamika omadused muudavad selle kasulikuks kõrgtemperatuuriliste laagrite, söövitavates keskkondades kasutatavate tihendite, termosüvendite, metallilõikuriistadena jne. Näiteks kuullaagrite tööstus on seda materjali kasutanud aastakümneid, kuna selle toimivus on tõestatud ja seda kasutatakse sageli keraamiliste laagrite veereelementides, nagu kuulid ja rullid. Selle äärmiselt kõrge mehaaniline vastupidavus ja suurepärane kuumakindlus, korrosioonikindlus ja kulumiskindlus on põhjused, miks seda kasutatakse erinevates suure koormusega rakendustes.

Keraamiliste laagrite valmistamise protsess

1. Pulbri töötlemine . Keraamilise pulbri töötlemine on väga sarnane metallpulbri töötlemisega. Keraamilise pulbri töötlemine hõlmab pulbri tootmist jahvatamise teel, seejärel roheliste toodete valmistamist ja seejärel nende kokkusurumist lõpptoote saamiseks. Pulber on peente osakeste kogum. Keraamilist pulbrit saab toormaterjalide purustamise, jahvatamise, lisandite eraldamise, segamise ja kuivatamise teel.

2. Segamine. Keraamilised komponendid segatakse kokku erinevate protseduuride ja masinate abil ning vee või muude vedelike lisamise teel muudetakse need suspensiooniks.

3. Vormimismeetod. Keraamiliste laagrite vormimiseks on kaks peamist levinumat meetodit: survevalu ja pulbervormimine. Survevalu puhul segatakse keraamiline pulber, orgaaniline sideaine, reoloogiline aine, submikroniline pulber jne ning süstitakse vormi. Pulbervormimine puhul pressitakse keraamiline pulber vormitud kehaks ja seejärel paagutatakse. Neil kahel meetodil on oma eelised ja puudused ning need tuleks valida vastavalt konkreetsetele insenerinõuetele.

4. Paagutamisprotsess. Keraamiliste laagrite tootmisprotsessi käigus on vormitud keha tahkestamiseks valmistooteks vaja paagutustöötlust, millega saab samal ajal parandada ka selle kõvadust ja tugevust. Keraamiliste laagrite paagutamisprotsess hõlmab peamiselt oksiidpaagutamist ja mitteoksiidpaagutamist. Protsessi voo kohaselt toimub paagutamine esmalt oksüdeerivas atmosfääris ja seejärel mitteoksüdeerivas atmosfääris. Kogu paagutamisprotsessi vältel tuleb soovitud efekti saavutamiseks kontrollida keskkonnaparameetreid, nagu temperatuur, rõhk ja atmosfäär.

5. Täppistöötlus. Paagutatud keraamilised laagrid vajavad järgnevat täppistöötlust, sealhulgas lihvimist, poleerimist ja muid etappe, et tagada nende geomeetriline täpsus ja pinnakvaliteet. Samal ajal on vaja ka kvaliteedikontrolli, sealhulgas selliste näitajate nagu kõvadus, tihedus, mõõtmete hälve ja müra tuvastamist ja analüüsimist, et tagada toodete vastavus rahvusvahelistele standarditele ja klientide nõuetele.

Keraamiliste laagrite kvaliteeti mõjutavad tegurid

Keraamiliste laagrite töötlemise kvaliteeti ja tõhusust mõjutavad paljud tegurid, sealhulgas materjali kvaliteet, vormimismeetod, paagutamisprotsess, täppistöötlustehnoloogia ja -seadmed. Lisaks mõjutavad seda töötlemise ajal ka keskkonnaparameetrid, nagu temperatuur, rõhk, kiirus ja atmosfäär. Neid tegureid silmas pidades peavad töötlemistehnikud valima töötlemise kvaliteedi tagamiseks sobivad protsessivood, seadmed ja tööriistad. Keraamiliste materjalide praeguses kasutusvaldkonnas on keraamilised laagrid muutunud asendamatuks põhitehnoloogiaks.