Tsirkooniumoksiidi laagrid vs räninitriidlaagrid, milline neist?

Tsirkooniumoksiidi laagrid vs räninitriidlaagrid, milline neist?

Seoses teaduse ja tehnoloogia pideva edenemise ja arenguga praeguses etapis on paljudel seadmetel, nagu kiired tööpingid ja täppistestimise instrumendid, järjest kõrgemad nõuded töökeskkonnale ja tööle. Inimesed nõuavad ka, et need mehaanilised seadmed peavad omama erinevaid jõudlusi, nagu suur kiirus, suur täpsus ja kõrge töökindlus. Paljude valdkondade (nt ülitäpse masinad, naftakeemiatööstus, lennundus, sõjandus ja riigikaitse) arendusvajaduste rahuldamiseks peavad mehaanilised osad olema hea kuumakindluse, korrosioonikindluse, madalate magnetiliste omadustega jne ning olema ka suutelised. taluma suuremat survet. . Ühe põhikomponendina on veerelaagritel kõrgemad jõudlusnõuded.

Traditsioonilised metalllaagrid ei suuda aga enam täita kehtivaid nõudeid pikaajaliseks stabiilseks tööks ülikarmides töötingimustes. Võrreldes traditsiooniliste laagritega, keraamilised laagrid omavad suurepäraseid kõikehõlmavaid omadusi, nagu pikk kasutusiga, kõrge üldine täpsus ja jäikus, suur pöörlemiskiirus, hea termiline stabiilsus, isolatsioon ja mittemagnetilised omadused. Need sobivad kasutamiseks kõrgetel temperatuuridel, suurtel kiirustel, suure täpsusega, tugeva korrosiooni ja tugevate magnetväljadega. Sellel on väga laialdased kasutusvõimalused nii töötingimustes nagu määrimine ja ilma. Müügil on mitu keraamilist laagritüüpi, mis kõik pakuvad traditsiooniliste laagrielementide ees palju eeliseid. Tüüpilised keraamika, mida tavaliselt kasutatakse kandematerjalina, on räninitriid (Si3N4) ja tsirkooniumoksiid (ZrO2). Selles ajaveebis selgitatakse üksikasjalikult räninitriidi (Si3N4) ja tsirkooniumoksiidi (ZrO2) keraamiliste laagrite eeliseid ja puudusi ning antakse konstruktiivseid soovitusi sobiva laagri valimiseks.

Tsirkooniumoksiidi laagrid vs räninitriidi laagrid

Mis on räninitriidlaagrid?

Räninitriid on väga kõva, kuid samas ka väga kerge materjal. Sellel on suurepärane vastupidavus veele, soolasele veele ning erinevatele hapetele ja leelistele. Sellel on ka väga lai töötemperatuuri vahemik ja see sobib kasutamiseks kõrgvaakumrakendustes. Räninitriidlaagrite ülikõrge kõvadus tähendab ka suuremat haprust, seega tuleks pragunemisohu vältimiseks löögi- või löögikoormus minimeerida. Silikoonnitriidkeraamilised laagrid on mustad. Üldiselt on sisemised ja välimised rõngad ja kuulid valmistatud räninitriidist ning puur on valmistatud PTFE-st või nailonist. Selles kombinatsioonis ei ületa temperatuuritaluvus 240 kraadi (kuna PTFE ise on ka teatud tüüpi nailon, nii et toode Kui see materjal on selles, ei ületa temperatuuritaluvus 240 kraadi.

Silikoonnitriid laagrid on kasutatud peamise laagritüübina mitmesugustes kosmoserakendustes. Väärib märkimist, et NASA kosmosesüstikud ehitati algselt turbiinipumpade teraslaagrite abil, mis ei osutunud õigeks, kui kosmosesüstikud ja eriti nende mootorid kogesid tohutut koormust ja temperatuuri. Nende äärmuslike koormuste tõttu täiustasid NASA insenerid laagrid räninitriidlaagriteks, kuna need on vaakumkeskkondades paremad. NASA analüüsi kohaselt pakuvad Si3N4 laagrid teraslaagritega võrreldes 40% paremat tööaega.

räni nitriid laagrid

Räninitriidlaagrite eelised

Avastage räni nitriid (Si3N4) keraamiliste laagrite eeliseid, rakendusi ja olulisi kaalutlusi. Räninitriidlaagrid leiavad oma ainulaadse tugevuse, kergete omaduste ja keskkonnakindluse kombinatsiooni tõttu kiiresti tee erinevatesse tööstusharudesse.

  • Kerged omadused: Si3N4 keraamilised laagrid on umbes 40% kergemad kui terasest laagrid. Märkimisväärne kaalu vähenemine tähendab väiksemat inertsust ja vähem energiat, mis on vajalik mehaaniliseks kiirendamiseks ja aeglustamiseks, suurendades tõhusust kiiretel rakendustel.

  • Erakordne kõvadus ja kulumiskindlus: Räninitriid on tuntud oma ülikõrge kõvaduse poolest, mis ületab enamiku metallide oma. See kõvadus aitab parandada kulumiskindlust, pikendades seeläbi laagrite eluiga isegi rasketes töötingimustes.

  • Madal hõõrdetegur: Si3N4 keraamiliste laagrite sile pinnaviimistlus koos materjali koostisega annab väga madala hõõrdeteguri. See madal hõõrdumine minimeerib soojuse teket ja energiakadu, suurendades seeläbi seadmete üldist efektiivsust.

  • Kõrge temperatuuri võime: Si3N4 keraamilised laagrid säilitavad oma mehaanilised omadused kõrgetel temperatuuridel, kus traditsioonilised materjalid võivad laguneda. See muudab need sobivaks rakendustes, mis hõlmavad kõrgeid töötemperatuure, pikendades nende kasutusvõimalusi metalllaagritele sobimatutes keskkondades.

  • Korrosioon ja keemiline vastupidavus: Räninitriid on oma olemuselt vastupidav paljudele söövitavatele ainetele, sealhulgas vee, soolase vee ning paljude hapete ja leeliste suhtes. See vastupidavus tagab nende töökindluse söövitavates keskkondades, nagu keemiline töötlemine või mererakendused.

  • Elektriisolatsiooni omadused: Räninitriidkeraamilised laagrid on elektriliselt isoleerivad. See omadus on elektri- ja elektroonikaseadmetes kriitilise tähtsusega, kuna isolatsioon on oluline galvaanilise korrosiooni ja sellega seotud kahjustuste vältimiseks.

  • Ühilduvus kõrgvaakumiga keskkondadega: Räninitriidlaagrid võivad tõhusalt töötada kõrgvaakumkeskkonnas ilma gaasi väljavoolu ohuta, mis on teatud vaakumis olevate materjalide puhul tavaline probleem.

  • Vähendatud soojuspaisumine: Räninitriidil on madalam soojuspaisumise kiirus, mis tagab mõõtmete stabiilsuse erinevatel temperatuuridel ja vähendab lünki, mis võivad mõjutada täpsust.

  • Mittemagnetiline: Räninitriidi mittemagnetilised omadused muudavad selle sobivaks rakendustes, kus tuleb vältida magnetilisi häireid, näiteks teatud meditsiini- või elektroonikaseadmed.

  • Võimalik määrdevaba töö: Tänu oma omadustele võivad räninitriidkeraamilised laagrid teatud rakendustes töötada ilma määrimiseta, vähendades hooldusvajadusi ja kõrvaldades

Räninitriidlaagrite puudused

  • Kallis: Keerulise valmistamisprotsessi tõttu on hind suhteliselt kõrge.

  • Löögitundlik: Räninitriidlaagrid on vastuvõtlikud löökkahjustustele kui tsirkooniumoksiidi laagrid.

Räninitriidist laagripuur

Si3N4 keraamilised laagrid on saadaval mitmesuguste puurivalikutena, millest igaüks on kohandatud vastavalt konkreetsetele nõuetele:

  • PEEK puur: PEEK puurid, mis on tuntud oma suure tugevuse ja keemilise vastupidavuse poolest, sobivad ideaalselt erinevatesse karmidesse keskkondadesse.

  • PTFE puurid: neil puuridel on suurepärane keemiline inertsus ja madal hõõrdumine, mistõttu need sobivad ideaalselt rakendusteks, mis nõuavad minimaalset vastupidavust.

  • 316 roostevabast terasest puur: sobib kõige paremini rakendustele, mis nõuavad tugevust ning mõõdukat kuuma- ja korrosioonikindlust.

  • Täiustatud kandevõime: Täielikult komplekteeritud räninitriidkeraamilistel laagritel on lisakuulid ja ilma puurita, mille kandevõime on ligikaudu 20% suurem kui puuri laagritel.

  • Kiiruskaalutlused: Suurenenud veereelementide arvu ja sellest tuleneva hõõrdumise tõttu on nende laagrite maksimaalne töökiirus 70% väiksem kui võrreldavatel puuriga laagritel.

Räninitriidist laagripuur

 

tunnusjoon

Tsirkooniumoksiidi keraamilised laagrid

Silikoonnitriid keraamilised laagrid

Ränikarbiidist keraamilised laagrid

Materjali kõvadus

Suur

väga kõrge

äärmiselt kõrge

Kaal

kergem kui teras

Umbes. 40% kergem kui teras

kergem kui teras

Hõõrdetegur

madal kuni keskmine

väga madal

madal

Kõrgeim temperatuuritaluvus

kuni 400 ° C

kuni 1200 ° C

kuni 1600 ° C

Korrosioonikindlus

väga hea

suurepärane

Suurepärane jõudlus happelises ja soolases keskkonnas

elektriisolatsioon

Suur

Suur

Muutuv

soojuspaisumine

leevendada

madal

madal

Löögikindlus/löögikindlus

hea

hea

Suur

Räninitriidlaagrite eluea ja jõudluse maksimeerimiseks on soovitatav töötada alla maksimaalse koormuse ja nimikiiruse. See lähenemine on eriti oluline, kuna need on rabedad kui vähem kõvad materjalid.

Räninitriidlaagrite pealekandmine

Si3N4 keraamilisi laagreid kasutatakse nende ainulaadsete omaduste tõttu laialdaselt erinevates tööstusharudes. Peamised rakendused hõlmavad järgmist:

  • Merenduse rakendused: Nende vastupidavus täielikule ja püsivale sukeldumisele muudab need ideaalseks mererakendusteks.

  • Kõrgvaakumkeskkond: Räninitriidi materjaliomadused on kasulikud kõrgvaakumrakendustes.

  • Täppisrakendused: Madal hõõrdumine ja suur kandevõime muudavad selle sobivaks täppismasinatele.

  • elektrisõidukid: Elektrisõidukite tööstuses suurendavad nende kerge olemus ja elektriisolatsiooni omadused mootori efektiivsust ja töökindlust.

Tsirkooniumoksiidi keraamilised laagrid on valged. Üldiselt on sisemised ja välimised rõngad ja kuulid valmistatud tsirkooniumoksiidist ja puur on valmistatud PTFE-st (st teflonist). See kombinatsioon talub temperatuuri kuni 240 kraadi Celsiuse järgi, kuid kui temperatuuritaluvus peab ületama 240 kraadi Celsiuse järgi kuni 400 kraadi Celsiuse järgi, tuleb pall täita tsirkooniumoksiidiga (st puuri ei kasutata ja kogu pall on valmistatud tsirkooniumoksiidist), nii et see talub umbes 400 kraadi temperatuuri.

Tsirkooniumoksiidi laagrid on peamiselt tsirkooniumoksiidist (ZrO2) kui peamisest toorainest valmistatud keraamilised laagrid. Sellel on silmapaistev kõrge sitkus, kõrge paindetugevus ja kõrge kulumiskindlus, mis muudavad selle suurepäraseks paljudes valdkondades. Lisaks on tsirkooniumoksiidi keraamika soojuspaisumistegur lähedane metallide omale, võimaldades seda ideaalselt metallidega kombineerida. Tsirkooniumoksiidi laagrite teine ​​oluline omadus on nende soojusisolatsiooniomadused, mis võimaldavad töötada kõrge temperatuuriga keskkondades ja taluda kiireid temperatuurimuutusi. ZrO2-st või tsirkooniumdioksiidist valmistatud keraamilised laagrid on sitke keraamiline materjal, mille paisumisomadused on väga sarnased terasele, kuid on 30% kergemad. See on eelis, kui arvestada võlli ja korpuse sobivust kõrge temperatuuriga rakendustes, kus laagri laienemine võib tähendada, et võll ei sobi enam. Kuigi neid nimetatakse sageli ZrO2 laagriteks, on need tegelikult valmistatud ütriumiga stabiliseeritud ZrO2-st, mis annab materjalile suurema tugevuse ja vastupidavuse purunemisele toatemperatuuril. Need on ka äärmiselt veekindlad, mis tähendab, et neid kasutatakse sageli mererakendustes, eriti kui seadmed on täielikult vee all või kus traditsioonilised teraslaagrid ei talu koormust ega kiirust.

tsirkooniumoksiidi laagrid

Tsirkooniumoksiidi keraamilised kuullaagrid VS räni nitriid keraamilised kuullaagrid

Tsirkooniumoksiidi keraamilised laagrid (ZrO2) ja räni nitriidkeraamilised laagrid (Si3N4) on mõlemat tüüpi keraamilised laagrid. Tavaliselt kasutatakse neid laialdaselt ülitäpse masinatööstuse või abrasiivmaterjalide valdkonnas. Peamised erinevused tsirkooniumoksiidi keraamiliste kuullaagrite ja räni nitriidkeraamiliste kuullaagrite vahel on järgmised:

Värvilised

üle 80% tsirkooniumoksiidi keraamilistest pallidest on peamiselt valged ja valged tsirkooniumoksiidi keraamilised pallid on nende tegelik värv. Kuid mõnikord näete, et keraamilised pallid tunduvad helekollased või hallid, kuna tsirkooniumoksiidi materjal sisaldab vähesel määral lisandeid. Tsirkooniumoksiidi keraamiliste kuulide eelisteks on kõrge sitkus, suur paindetugevus ja kulumiskindlus, suurepärased soojusisolatsiooniomadused ja soojuspaisumiskoefitsient, mis on lähedane teraskuulide omale. Räninitriidi keraamilised kuulid on peamiselt tahm. Need on ülimalt vastupidavad kõrgetele temperatuuridele ja nende tugevust saab hoida kuni 1,200 kraadini, ilma et need väheneksid. Need on ühed raskeimad materjalid maailmas.

Füüsilise jõudluse võrdlus

Füüsikaliste omaduste poolest on tsirkooniumoksiidi keraamilistel kuulidel suurepärane kulumis- ja korrosioonikindlus, samas kui ka räninitriidkeraamilistel kuulidel on sama suurepärane jõudlus. Samas toimivad räninitriidkeraamilised kuulid hästi ka töötlemise täpsuse osas. Seetõttu on ülitäpse masinatööstuse rakendusvaldkondades, nagu ülitäppislaagrid, lisaks teraskuulide laialdasele kasutamisele hakanud täppislaagrites populaarseks saama ka keraamilised kuulid. Kuna keraamilistel kuulidel on laagrite teraskuulidega võrreldes korrosiooni- ja roostevastased omadused ning töötlemise täpsus on isegi suurem kui teraskuulidel.
Samal ajal võib see mängida kõrge temperatuuritaluvuse rolli kõrge temperatuuriga keskkondades. Seetõttu ilmuvad keraamilised kuulid laagritesse ja muudesse ülitäpsete masinate väljadesse, nagu juhtsiinid, lineaarsed libisemistarvikud jne, ning kalduvad asendama teraskuule.

Materjaliomadused

Tsirkooniumoksiidi laager

Silikoonnitriidlaager

Tihedus (kg·m-3)

5900

3250

Elastsusmoodul (GPa)

205

310

Survetugevus (MPa)

2000

> 3500

Rebenemismoodul (MPa)

600-900

700-1000

Vickersi kõvadus (GPa)

10-13

14-18

Sitkus (MPa·m1/2)

8-12

5-8

Soojuspaisumise koefitsient (K-3·10-6)

12

3.4

Erisoojus (J·kg-1·K-1)

400

800

Kasutustemperatuuri ülempiir (℃)

750

1050

Löögitugevus

keskmine

Suur

Veerekontakti väsimuse rikke režiim

Koorima

Koorima

Laualt, saame teada, et räni nitriidi tihedus on 55.09% tsirkooniumoksiidi keraamika tihedusest. Räninitriidist valmistatud keraamilised laagrid on kerged, võimaldades neid kasutada meditsiiniseadmetes, kodumasinates, kosmoseseadmete mootorites ja võidusõiduautode väntvõllides. Samal ajal väheneb selle väikese tiheduse tõttu, kui räninitriidi kasutatakse veereelemendina, laagri pöörlemisel pöörleva keha tekitatud tsentrifugaaljõud, mis soodustab kiiret pöörlemist. See võimaldab seda kasutada gaasiturbiinmootorites, tööpinkide spindlitel ja tsentrifugaaleraldamisel. seadmed ja muud valdkonnad.

Räninitriidi elastsusmoodul ja survetugevus on samuti kõrgemad kui tsirkooniumoksiidil, mis on kasulik laagri võimele taluda pingeid; räni nitriidi soojuspaisumise koefitsient on väiksem kui tsirkooniumoksiidil, mis aitab vähendada laagri reaktsiooni temperatuurile. Muutuv tundlikkus muudab laagrite töökiiruse vahemiku laiemaks; Räninitriidi kõrge temperatuurikindlus, korrosioonikindlus ja suurepärane keemiline stabiilsus võimaldavad räninitriidi keraamikat kasutada kõrgematel temperatuuridel ja kohtades, kus tsirkooniumoksiidi (nt naatriumhüdroksiidsulfaati) ei saa kasutada. Tugevad happe-aluselised stseenid.

Kuigi räninitriidkeraamikal on tugev kohanemisvõime ja suurepärane jõudlus, on räninitriidkeraamiliste laagrite maksumus suhteliselt kõrge. Võrreldes teiste keraamiliste materjalidega (ränitriid jne) on tsirkooniumoksiidi materjalide valmistamisprotsess suhteliselt lihtne, rohelise keha maksumus on madal ja seda on lihtne turustada. Seetõttu saab tsirkooniumoksiidi keraamilisi laagreid kasutada rakendustes, millel on suhteliselt madalad jõudlusnõuded ja madalad kulunõuded. Alumine stseen. Samal ajal on tsirkooniumoksiidi sitkus suurem kui räni nitriidil, mis on kasulik laagrite stabiilseks kasutamiseks.

Kas lisanduv kulu on seda väärt?

Täiskeraamilised laagrid on üldiselt ümaramad, siledamad ja kõvemad kui teras, suurepärase korrosiooni- ja kuumakindlusega, suurema mõõtmete stabiilsuse ja väiksema tihedusega. See aga maksab. Keraamilised laagrid on palju kallimad kui terasest laagrid. Niisiis, millal tasub keraamilistesse laagritesse investeerida?

Suure väärtusega rakendustel, näiteks laboriseadmetel, on täpsed nõuded, mida tuleb täita iga kord, kui rakendust kasutatakse. Valede komponentide kasutamine sellistes seadmetes võib saastada uurimistingimusi või põhjustada uuringu täieliku seiskumise. See on sama, mis meditsiiniseadmetes, kus keraamiliste laagrite saastevabad ja mittemagnetilised omadused on kriitilised.

Võtke magnetresonantstomograafia (MRI), pildistamistehnika, mis on peamiselt seotud haiglate MRI-skanneritega. Tehnoloogia kasutab tugevaid magnetvälju, et luua kahe- või kolmemõõtmelisi pilte mis tahes elavast objektist. Magnetismi tõttu ei saa nendes skannerites standardseid teraslaagreid kasutada, seega on keraamilised laagrid nende väärtuslike rakenduste jaoks parim valik.

Samamoodi, kuna integraallülituste tootjad püüavad muuta oma kiipe kiiremaks, väiksemaks ja odavamaks, on pooljuhtide tootmisseadmete ettevõtted muutunud vajaliku jõudluse saavutamiseks sõltuvaks täiustatud keraamilistest komponentidest. Tavalise alumiiniumoksiidi (alumiiniumoksiidi) asemel räni nitriidist valmistatud laagrid tagavad elektriisolatsiooni ja hea korrosioonikindluse.

tsirkooniumoksiidi laagrite MRI

Kaasaegsetes tööstusvaldkondades kasutatakse laagreid laialdaselt ning tsirkooniumoksiidlaagrid ja räninitriidlaagrid on kahe suure jõudlusega keraamilise laagrina saanud oma ainulaadsete füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu paljudes suure nõudlusega olukordades esimeseks valikuks. Mis vahe on neil kahel ja kuidas peaksime valima?

Räninitriidi eritakistus ja dielektriline konstant on sarnane alumiiniumoksiidiga, kuid tänu oma mikrostruktuurile on materjal palju tugevam. Täiskeraamilised laagrid suudavad kohaneda pooljuhtide tootmisetapi paljudes keerulistes tingimustes; alates 1400 kraadi Celsiuse järgi lähenevatest ahjutemperatuuridest kuni 1. klassi puhaste ruumide õhukvaliteedini. Järsku on lisanduv kulu selgelt õigustatud.

Üldiselt on tsirkooniumoksiidi laagritel ja räni nitriidlaagritel mõlemal oma eelised ja puudused. Valides peate arvestama tegelike vajaduste ja kasutustingimustega, et valida sobivaim materjal. Näiteks tsirkooniumlaagrid on hea valik rakenduste jaoks, mis nõuavad suurt kulumiskindlust ja soojusisolatsiooni; samas kui räninitriidlaagrid sobivad rakendusteks, mis nõuavad suurt tugevust ja korrosioonikindlust.

Täiskeraamilised vs hübriidkeraamilised laagrid?

Kui enamik inimesi mõtleb keraamilised laagrid, viitavad need tavaliselt hübriidversioonidele. Hübriidlaagrid asuvad kuskil keraamika ja terase vahel ning sisaldavad tavaliselt roostevabast terasest rattaid või rõngaid ja keraamilisi kuule. Hübriidlaagrite terasest sise- ja välisrõngaid saab töödelda väga kitsa tolerantsiga, mis tähendab, et need sobivad kõige paremini selliste rakenduste jaoks nagu elektrimootorid, laboriseadmed ja tööpingid.

Näiteks veskil saab hõõrdumist vähendada keraamiliste hübriidlaagrite ja sünteetilise määrdeaine lisamisega, suurendades seeläbi pöördeid minutis (RPM) 25%. Hübriidkeraamikaga lihvimisvõll võib probleemideta töötada 4,000 tundi, teraslaagritega lihvimisvõll aga 3,000 tundi. Hübriidlaagrid vähendavad ka temperatuuri ligi 50%. Horisontaalsetes töötlemiskeskustes on näidatud, et tavalistelt laagritelt hübriidlaagritele üleminek vähendab laagrite temperatuuri 60 kraadilt Celsiuse järgi 36 kraadini Celsiuse järgi 12,000 XNUMX p/min juures.

Täiskeraamilised vs hübriidkeraamilised laagrid

Hübriidlaagrite kombinatsioonide abil on võimalik saavutada suuremaid kiirusi kui täielikult keraamilised laagrid sest vähem rabedad metallrõngad on vähem altid ootamatutele katastroofidele suurtel kiirustel või koormuse all. Sellegipoolest on hübriidlaagrite korrosioonikindlus täiskeraamiliste laagrite omaga võrreldes kahvatu. Ekstreemsete keskkondade jaoks õigete laagrite määramine on alati olnud keeruline probleem. Kuid nii nagu tsirkooniumoksiid selgitas elu päritolu, aitab nende kolme küsimuse küsimine otsustusprotsessis kaasa aidata.