Le guide ultime des matériaux de roulements en céramique

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Le guide ultime des matériaux de roulements en céramique

Les matériaux céramiques sont largement utilisés dans de nombreux domaines en raison de leurs propriétés uniques telles qu'une résistance élevée, une dureté élevée, une résistance à l'usure et une stabilité à haute température. Par exemple, des études ont montré que roulements entièrement en céramique fonctionnent mieux dans l'eau que n'importe quel acier inoxydable. Les matériaux de roulement en céramique couramment utilisés comprennent le nitrure de silicium (Si3N4), l'oxyde de zirconium (ZrO2), l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ou le carbure de silicium (SiC). Les meilleurs matériaux céramiques pour les environnements pollués par l'eau sont le nitrure de silicium et l'oxyde de zirconium, qui ont une durée de vie 70 fois plus longue que les roulements en acier inoxydable. Ce blog vise à explorer la classification et les spécifications des matériaux de roulement en céramique, roulement en céramique processus de fabrication et fournir des suggestions constructives pour votre compréhension globale des roulements en céramique.

Table des matières

Céramiques d'alumine (Al2O3)

Le principal composant des céramiques d'alumine est l'Al₂O₃, généralement présent à plus de 2 %. Les céramiques d'alumine présentent d'excellentes propriétés, telles qu'une résistance aux hautes températures, une résistance à la corrosion, une résistance mécanique élevée, une dureté élevée et de bonnes propriétés diélectriques, deux à trois fois supérieures à celles des céramiques ordinaires. Cependant, elles présentent l'inconvénient d'être fragiles et de ne pas supporter de brusques variations de température ambiante. L'alumine peut être classée en différentes séries selon sa teneur en Al₂O₃ et les additifs utilisés. Par exemple, l'alumine peut être classée en 3 %, 45 %, 2 %, 3 %, etc.

Matières	Alumine
Propriété	Unité	AL997	AL995	AL99	AL95
% Alumine	-	99.70%	99.50%	99.00%	95.00%
Couleur	-	Ivoire	Ivoire	Ivoire	Ivoire et blanc
Perméabilité	-	Hermétique	Hermétique	Hermétique	Hermétique
Densité	g / cm³	3.94	3.9	3.8	3.75
Rectitude	-	1 ‰	1 ‰	1 ‰	1 ‰
Dureté	Échelle de Mohs	9	9	9	8.8
Absorption d'eau	-	≤ 0.2	≤ 0.2	≤ 0.2	≤ 0.2
Résistance à la flexion (typique à 20°C)	MPa	375	370	340	304
Résistance à la compression (typique à 20°C)	MPa	2300	2300	2210	1910
Coefficient de dilatation thermique (25°C à 800°C)	0-6 / ° C	7.6	7.6	7.6	7.6
Rigidité diélectrique (épaisseur 5 mm)	CA kV/mm	10	10	10	10
Perte diélectrique (25°C à 1 MHz)	-			0.0006	0.0004
Constante diélectrique (25 °C à 1 MHz)	-	9.8	9.7	9.5	9.2
Résistivité volumique (20°C à 300°C)	Ω·cm³	>10^14 2*10^12	>10^14 2*10^12	>10^14 4*10^11	>10^14 2*10^11
Température de travail à long terme	° C	1700	1650	1600	1400
Conductivité thermique (25°C)	W / m · K	35	35	34	20

L'alumine est un excellent isolant électrique capable de résister à des courants extrêmement élevés. Sa résistance à l'électricité augmente avec sa pureté. Plus la pureté de l’alumine est élevée, plus sa résistance est élevée. Il est bien connu que l’alumine possède également un point de fusion très élevé et une forte résistance mécanique. Le point de fusion des produits Al2O3 ordinaires est très élevé, à 2072°C. Cependant, lorsque la température dépasse 1000 degrés Celsius, sa résistance mécanique diminue. En raison de l’énorme différence de coefficient de dilatation thermique, sa résistance aux chocs thermiques est médiocre lorsqu’elle est exposée à des températures très élevées.

L’excellente stabilité chimique de l’alumine est le principal facteur de sa haute résistance à la corrosion. L'alumine est également légèrement soluble dans les acides forts (tels que l'acide sulfurique chaud et le HCl chaud, le HF a également un certain effet corrosif) et les solutions alcalines, mais est insoluble dans l'eau. L'alumine pure peut résister à la corrosion chimique, ce qui fait de l'alumine pure le principal matériau de choix pour une variété de pièces industrielles. Les matériaux céramiques d'alumine ont également une pression de vapeur et une pression de décomposition très faibles. Ces propriétés de la céramique alumine en font l’une des céramiques les plus utilisées dans les environnements structurels, d’usure et de corrosion.

Les céramiques d'alumine sont généralement fabriquées à partir de bauxite et peuvent être moulées par moulage par injection, moulage par compression, pressage isostatique, coulée en barbotine, usinage au diamant et extrusion. Comme le nitrure d'aluminium, l'alumine peut également être produite par pressage à sec et frittage ou par pressage à chaud avec des auxiliaires de frittage appropriés. En raison de son excellente stabilité chimique, les céramiques d'alumine sont largement utilisées dans les roulements, les roues de pompes résistantes aux acides, les corps de pompe, les revêtements de canalisations d'acide et les vannes. En raison de sa dureté et de sa résistance à l'usure extrêmement élevées, la céramique d'alumine est également souvent utilisée pour fabriquer des pièces textiles résistantes à l'usure et des outils de coupe.

Matériaux céramiques – triés par densité

Zircone > 99% Alumine > 94% Alumine > 85% Alumine > Nitrure d'Aluminium > Carbure de Silicium > Mullite > Macor© > Cordiérite

Matériaux céramiques – triés par dureté

Carbure de Silicium > 99% Alumine > Zircone YTZP > Nitrure de Silicium > Zircone TTZ > 94% Alumine > 85% Alumine > Mullite > Cordiérite > Macor©

Lorsque la teneur en alumine est supérieure à 95 %, elle peut être utilisée comme un excellent isolant électrique. Il présente également une faible perte diélectrique et est largement utilisé dans les domaines de l’électronique et des appareils électriques. De plus, l'alumine transparente a une bonne transmission de la lumière visible et des rayons infrarouges et peut être utilisée pour fabriquer des lampes au sodium haute pression et des matériaux pour fenêtres de détection infrarouge. De plus, les céramiques d'alumine ont une excellente biocompatibilité (similaire aux alliages de titane), une résistance élevée et une résistance élevée à l'usure. Ce sont donc également des matériaux idéaux pour préparer des os artificiels et des articulations artificielles.

Zircone (ZrO2)

Les céramiques de zirconium ont une faible conductivité thermique (isolant) et une résistance élevée. Ils ont été utilisés pour la première fois dans les voyages spatiaux dans les années 1960 pour former une barrière thermique permettant à la navette spatiale d'entrer dans l'atmosphère terrestre. Ils supportent également bien les températures élevées, avec des températures de fonctionnement pour les céramiques de zircone allant de -85°C à 400°C. Cependant, ils ne résistent pas aussi bien aux chocs thermiques que le nitrure de silicium.

La zircone possède une forte résistance à la corrosion, ce qui en fait un choix parfait pour les liquides hautement corrosifs. Les céramiques de zircone ont une très haute résistance à la croissance des fissures, ce qui les rend idéales pour les procédés de soudage et les outils de formage de fils. Cela les rend également très adaptés aux applications mécaniques comportant des risques de fracture. Ils ont également une dilatation thermique très élevée, avec un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de l'acier, ce qui en fait le matériau de choix pour l'assemblage. céramique et acier. De par ses propriétés tribologiques, l'oxyde de zirconium est très adapté aux mouvements de roulement, comme les roulements linéaires ou les roulements à billes (comme le fabricant TK Linear). De plus, les céramiques d'oxyde de zirconium et de nitrure de silicium présentent les avantages d'une compatibilité sous vide élevé, d'une résistance non magnétique, non conductrice, aux hautes et basses températures, d'une résistance chimique, d'une rigidité élevée et d'une longue durée de vie. L'oxyde de zirconium et le nitrure de silicium peuvent être transformés en roulements après fonctionnement à sec.

Comparé à l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zirconium présente des propriétés mécaniques élevées, une résistance élevée et une ténacité élevée. Si la résistance est la seule exigence, ce matériau est recommandé. De plus, l'oxyde de zirconium (ZrO2) est une céramique connue dans le domaine de la santé pour sa biocompatibilité, sa bioinertie, ses propriétés mécaniques élevées et sa stabilité chimique. Dans l’industrie dentaire, les céramiques d’oxyde de zirconium sont utilisées pour fabriquer divers produits de restauration dentaire. Par exemple, des ébauches de zircone opaques ou translucides sont utilisées pour fabriquer des ponts, des couronnes et des facettes. La zircone pressée isostatiquement à chaud est utilisée pour fabriquer des implants et des piliers dentaires. L’un des principaux avantages de l’utilisation de la zircone pour les restaurations dentaires est que la finition de surface du produit fini ressemble beaucoup à celle des dents naturelles. De plus, les céramiques de zircone sont translucides et brillantes, ce qui les rend adaptées aux applications où l'apparence est similaire à celle du matériau dentaire environnant.

Le carbure de silicium

Les céramiques de carbure de silicium sont principalement composées de SiC, qui est une céramique haute température à haute résistance et dureté élevée. Lorsqu'elles sont utilisées à des températures élevées de 1200 1400 ℃ à XNUMX XNUMX ℃, les céramiques de carbure de silicium peuvent toujours conserver une résistance à la flexion élevée et peuvent être utilisées pour des composants à haute température tels que des tuyères d'arrière de fusée, des manchons de thermocouple et des tubes de four. Les céramiques de carbure de silicium ont également une bonne conductivité thermique, une bonne résistance à l'oxydation, une bonne conductivité électrique et une ténacité élevée aux chocs. Il s'agit d'un matériau céramique solide et durable qui présente également une faible densité, un faible taux de dilatation thermique et une excellente résistance aux chocs thermiques, ce qui le rend adapté à une variété d'applications.

Composition	Carbure de silicium
Masse moléculaire	40.1
Apparence	Noir
Point de fusion	2,730 4,946 °C (XNUMX XNUMX °F) (décomposition)
Densité	3.0 à 3.2 g / cm³
Résistivité électrique	1 à 4 x 10^5 Ω·m
Porosité	0.15 à 0.21
Chaleur spécifique	670 à 1180 XNUMX J/kg·K

Le carbure de silicium est produit en combinant chimiquement des atomes de carbone et de silicium. Les particules de carbure de silicium sont utilisées comme abrasifs depuis de nombreuses années, le plus souvent sous forme de papier de verre. Cependant, ces particules peuvent être liées entre elles par frittage pour former un matériau céramique très durable doté d'excellentes propriétés mécaniques, ce qui en fait un excellent choix pour la fabrication de roulements. En raison de sa conductivité thermique et électrique élevée, le carbure de silicium peut être utilisé comme composant d’élimination de l’électricité statique.

Céramiques nitrurées

Céramiques nitrurées sont constitués de nitrures métalliques, tels que nitrure de silicium et nitrure d'aluminium. Céramique de nitrure de silicium (Si3N4) Si3N4 est le composant principal de la céramique de nitrure de silicium, qui est une céramique à haute résistance, haute dureté, résistante à l'usure, à la corrosion et autolubrifiante. haute température céramique.

Propriété	Valeur
Couleur	Gris et gris foncé
Densité	3.2 à 3.25 g / cm³
Dureté	HRA 92 à 94
Température de fonctionnement maximale	1300 à 1600 ° C
Conductivité thermique	23 à 25 W/(m·K)
Résistance à la flexion	≥ 900 MPa
Résistance à la fracture	6 à 8 MPa·m¹/²
Coefficient de dilatation thermique	2.95 à 3 x 10⁻⁶ /°C (0 à 1400°C)

Si vous recherchez un matériau capable de résister à des températures élevées et à des conditions mécaniques difficiles, le carbure de silicium est un bon choix, même si ce matériau est relativement coûteux. Lorsqu'il s'agit de résister à des températures élevées, le nitrure de silicium est supérieur aux solutions métalliques, et le Si3N4 a une plage de températures de fonctionnement de -100°C à 900°C. De plus, le coefficient de dilatation linéaire du nitrure de silicium est le plus petit parmi tous les types de céramiques. Le coefficient de dilatation thermique du nitrure de silicium est de 3.2 x 10-6/k, tandis que le coefficient de dilatation thermique du carbure de silicium est de 3 x 10-6/k. Les coefficients de dilatation thermique de l'oxyde de zirconium et de l'oxyde d'aluminium sont respectivement de 10.5 x 10-6/k et 8.5 x 10-6/k, mais tous deux sont bien inférieurs à ceux de l'acier à roulements, qui a un coefficient de 12.5 x 10-6/k.

Classification	Oxyde d'aluminium	Oxyde d'aluminium	Oxyde d'aluminium	Oxyde d'aluminium	Carbure de silicium	Carbure de silicium	Nitrure de silicium	Mullite	Oxyde de zirconium	Talc
	KMA995	KMG995	KMA96	KMA96	KMG96	KMG96	Kai170	Talc	KYCS	-
Composante principale	99.7	99.6	96	96	92	92	92	92	92	92
Couleur	Laiteux	Blanc	Blanc	Blanc	Blanc	Noir	Noir	Gris	Blanc	Gris
Densité apparente (g/cm³)	3.9	3.9	3.7	3.7	6	3.1	3.2	2.7	3.5	2.7
Résistance à la flexion (MPa)	400	390	320	320	1000	450	420	200	120	150
Module de Young (GPa)	380	370	340	340	410	350	310	210	130	170
Mécaniques	Dureté (GPa)	21	20	19	19	24	13	22	13	22
Ratio de Poisson	-	0.24	0.24	0.23	0.31	-	-	-	-	-
Résistance à la rupture (MPa·m¹/²)	4.1	4	3.5	3.5	4	4.6	6	2.5	4	3.2
Coefficient de dilatation thermique (×10⁻⁶/°C)	6.4	5.8	5.7	5.7	7.7	11	3.2	2.5	2.5	3.0
Thermique	Conductivité thermique (W/m·K)	30	28	21	21	120	80	17	1.2	1.2
Chaleur spécifique (J/g·K)	0.78	0.78	0.78	0.78	1.4	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2
Constante diélectrique (1 MHz)	10.1	10.1	9.4	9.5	11	7	7	8.5	8.5	6.5
Perte diélectrique (×10⁻⁴)	50	50	40	50	50	50	50	50	50	50
Résistivité volumique (Ω·cm)	10¹⁵	10¹⁵	10¹⁴	10¹⁴	10¹²	10¹²	10¹²	10¹³	10¹³	10¹³
Tension de claquage (kV/mm)	10	10	10	10	11	11	11	10	10	10
Fonctionnalités	Haute résistance	Haute résistance	Haute résistance	Haute résistance	Haute dureté	Haute dureté	Haute ténacité	Haute ténacité	Basse conductivité thermique	Basse conductivité thermique
	Isolant	Isolant	Isolant	Isolant	Conductive	Conductive	Isolant	Isolant	Poids léger	Poids léger
Utilisations	Matériau Abrasif	Matériau Abrasif	Matériau Abrasif	Matériau Abrasif	Matériau Abrasif	Matériau Abrasif	Matériau d'étanchéité	Matériau d'étanchéité	Isolation thermique	Isolation thermique
	Pièces résistantes à l'usure	Pièces résistantes à l'usure	Pièces résistantes à l'usure	Pièces résistantes à l'usure	Pièces résistantes aux hautes températures	Pièces résistantes aux hautes températures	Pièces aérospatiales	Pièces aérospatiales	Pièces d'équipement semi-conducteur	Pièces d'équipement semi-conducteur
	Pièces haute température	Pièces haute température	Pièces haute température	Pièces haute température	Pièces d'outils	Pièces d'outils	Pièces d'électrode	Pièces d'électrode	Implants Dentaires	Implants Dentaires
	Pièces semi-conductrices	Pièces semi-conductrices	Pièces semi-conductrices	Pièces semi-conductrices	-

Produit	Unité	Si₃N₄	ZrO₂	Al₂O₃ (99.5%)	SiC	Roulement en acier
Densité	g / cm³	3.23	6.05	3.92	3.12	7.85
Absorption d'eau	%	0	0	0	0	0
Coefficient de dilatation thermique linéaire	10⁻⁶/k	3.2	10.5	8.5	3	12.5
Module d'élasticité (Young's Mod.)	GPa	300	210	340	440	208
Ratio de Poisson	/	0.26	0.3	0.22	0.17	0.3
Dureté (Hv)	MPa	1500	1200	1650	2800	700
Résistance à la flexion (@ RT)	MPa	720	950	310	390	520 (résistance à la traction)
Résistance à la flexion (700°C)	MPa	450	210	230	380	/
Résistance à la compression (@ RT)	MPa	2300	2000	1800	1800	/
Résistance à la rupture, K₁c	MPa·m¹/²	6.2	10	4.2	3.9	25
Conductivité thermique (@ RT)	W/m·k	25	2	26	120	40
Résistivité électrique (@ RT)	Ω·mm²/m	>10¹³	>10¹⁵	>10¹⁶	>10³	0.1 ~ 1
Max. Température d'utilisation (pas de chargement)	° F	1050	750	1500	1700	1700
Résistance à la corrosion	/	Excellent	Excellent	Excellent	Excellent	Mauvais

Le nitrure de silicium a une résistance aux chocs thermiques allant jusqu'à 600°C, tandis que le carbure de silicium a une résistance aux chocs thermiques de seulement 400°C, ce qui indique que le risque de fracture dû aux changements de température est minime. Dans les environnements soumis à de grands changements de température, lorsque la résistance aux chocs thermiques est une priorité absolue, le nitrure de silicium et le carbure de silicium constituent les meilleurs choix. De plus, le nitrure de silicium a une excellente résistance à la corrosion et peut résister à la corrosion causée par divers acides, à l'exception de l'acide fluorhydrique, ainsi qu'à la corrosion causée par les alcalis et divers métaux. Il présente une excellente isolation électrique et une excellente résistance aux radiations.

Ces propriétés de la céramique de nitrure de silicium la rendent utile comme roulements à haute température, joints utilisés dans des milieux corrosifs, puits thermométriques, outils de coupe de métaux, etc. Par exemple, l'industrie des roulements à billes utilise ce matériau depuis des décennies car ses performances ont été prouvées et il est souvent utilisé dans les éléments roulants des roulements en céramique, tels que les billes et les rouleaux. Sa ténacité mécanique extrêmement élevée et son excellente résistance à la chaleur, à la corrosion et à l'usure sont les raisons pour lesquelles il est utilisé dans diverses applications à charges élevées.

Processus de fabrication des roulements en céramique

1. Traitement en poudre. Le traitement des poudres céramiques est très similaire au traitement des poudres métalliques. Le traitement de la poudre céramique consiste à produire de la poudre par broyage, puis à fabriquer des produits verts, puis à les consolider pour obtenir le produit final. La poudre est un ensemble de fines particules. La poudre de céramique peut être obtenue par concassage, broyage, séparation des impuretés, mélange et séchage des matières premières.

2. Mixage. Les composants céramiques sont mélangés par diverses procédures et machines, et ils sont transformés en suspension en ajoutant de l'eau ou d'autres liquides.

3. Méthode de moulage. Il existe deux principales méthodes courantes de moulage de roulements en céramique, à savoir le moulage par injection et le moulage par poudre. Le moulage par injection consiste à mélanger de la poudre céramique, un liant organique, un agent rhéologique, une poudre submicronique, etc., et à les injecter dans le moule pour le moulage. Le moulage de poudre consiste à comprimer de la poudre de céramique dans un corps moulé, puis à le fritter. Ces deux méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients et doivent être sélectionnées en fonction d’exigences techniques spécifiques.

4. Processus de frittage. Au cours du processus de production des roulements en céramique, un traitement de frittage est nécessaire pour solidifier le corps moulé en un produit fini, et en même temps, sa dureté et sa résistance peuvent également être améliorées. Le processus de frittage des roulements en céramique comprend principalement le frittage avec oxyde et le frittage sans oxyde. Selon le déroulement du processus, le frittage est d'abord effectué dans une atmosphère oxydante, puis le frittage est effectué dans une atmosphère non oxydante. Pendant tout le processus de frittage, les paramètres environnementaux tels que la température, la pression et l’atmosphère doivent être contrôlés pour obtenir l’effet souhaité.

5. Usinage de précision. Les roulements en céramique frittée doivent subir un usinage de précision ultérieur, y compris le meulage, le polissage et d'autres étapes pour garantir leur précision géométrique et la qualité de leur surface. Dans le même temps, un contrôle de qualité est également requis, notamment la détection et l'analyse d'indicateurs tels que la dureté, la densité, l'écart dimensionnel et le bruit, pour garantir que les produits répondent aux normes internationales et aux exigences des clients.

Facteurs affectant la qualité des roulements en céramique

La qualité et l'efficacité du traitement des roulements en céramique sont affectées par de nombreux facteurs, notamment la qualité des matériaux, la méthode de moulage, le processus de frittage, la technologie et l'équipement d'usinage de précision. De plus, il est également affecté par des paramètres environnementaux tels que la température, la pression, la vitesse et l'atmosphère pendant le traitement. Compte tenu de ces facteurs, les techniciens de transformation doivent sélectionner les flux de processus, les équipements et les outils appropriés pour garantir la qualité du traitement. Dans le domaine d'application actuel des matériaux céramiques, les roulements en céramique sont devenus une technologie de base indispensable.