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Roulements en zircone ou roulements en nitrure de silicium, lequel ?
Avec l'avancement et le développement continus de la science et de la technologie à ce stade, de nombreux équipements tels que les machines-outils à grande vitesse et les instruments de test de précision ont des exigences de plus en plus élevées en matière d'environnement de travail et de travail. Les gens exigent également que ces équipements mécaniques aient diverses performances telles qu'une vitesse élevée, une haute précision et une grande fiabilité. Afin de répondre aux besoins de développement de nombreux domaines tels que les machines de haute précision, l'industrie pétrochimique, l'aérospatiale, l'armée et la défense nationale, les pièces mécaniques doivent avoir une bonne résistance à la chaleur, une bonne résistance à la corrosion, de faibles propriétés magnétiques, etc., et doivent également pouvoir pour résister à une plus grande pression. . En tant que composants clés, les roulements ont des exigences de performances plus élevées.
Cependant, les roulements métalliques traditionnels ne sont plus en mesure de répondre aux exigences actuelles en matière de fonctionnement stable à long terme dans des conditions de travail extrêmement difficiles. Par rapport aux roulements traditionnels, roulements en céramique ont d'excellentes propriétés complètes telles qu'une longue durée de vie, une précision et une rigidité globales élevées, une vitesse de rotation élevée, une bonne stabilité thermique, une isolation et des propriétés non magnétiques. Ils conviennent pour une utilisation à des températures élevées, des vitesses élevées, une haute précision, une forte corrosion et des champs magnétiques puissants. Il a de très larges perspectives d’application dans des conditions de travail telles que et sans lubrification. Il existe plusieurs types de roulements en céramique disponibles dans le commerce, qui offrent tous de nombreux avantages par rapport aux éléments de roulement traditionnels. Les céramiques typiques couramment utilisées comme matériaux de roulement sont le nitrure de silicium (Si3N4) et l'oxyde de zirconium (ZrO2). Ce blog expliquera en détail les avantages et les inconvénients des roulements en céramique au nitrure de silicium (Si3N4) et à l'oxyde de zirconium (ZrO2), et vous fournira des suggestions constructives pour choisir un roulement approprié.
Le nitrure de silicium est un matériau très dur mais aussi très léger. Il présente une excellente résistance à l’eau, à l’eau salée et à une variété d’acides et d’alcalis. Il dispose également d'une très large plage de températures de fonctionnement et convient à une utilisation dans des applications sous vide poussé. La dureté extrêmement élevée des roulements en nitrure de silicium signifie également une plus grande fragilité, de sorte que les chocs ou les charges d'impact doivent être minimisés pour éviter le risque de fissuration. Les roulements en céramique de nitrure de silicium sont noirs. Généralement, les bagues et billes intérieures et extérieures sont en nitrure de silicium et la cage est en PTFE ou en nylon. Dans cette combinaison, la résistance à la température ne dépasse pas 240 degrés (car le PTFE lui-même est également un type de nylon, donc le produit S'il contient ce matériau, la résistance à la température ne dépassera pas 240 degrés.
Roulements en nitrure de silicium ont été utilisés comme type de roulement principal pour une variété d'applications aérospatiales. Il convient de noter que les navettes spatiales de la NASA ont été construites à l'origine avec des roulements en acier dans les pompes à turbine, ce qui s'est avéré inapproprié lorsque les navettes spatiales, et en particulier leurs moteurs, ont été soumises à des charges et à des températures énormes. En raison de ces charges extrêmes, les ingénieurs de la NASA ont remplacé les roulements par des roulements en nitrure de silicium en raison de leur supériorité dans les environnements sous vide. Impressionnant, selon une analyse de la NASA, les roulements Si3N4 offrent une amélioration de 40 % de la durée de fonctionnement par rapport aux roulements en acier.
Avantages des roulements en nitrure de silicium
Découvrez les avantages, les applications et les principales considérations liées aux roulements en céramique au nitrure de silicium (Si3N4). Les roulements en nitrure de silicium trouvent rapidement leur place dans diverses industries en raison de leur combinaison unique de résistance, de propriétés légères et de résistance à l'environnement.
Caractéristiques légères: Les roulements en céramique Si3N4 sont environ 40 % plus légers que les roulements en acier. La réduction significative du poids signifie une inertie plus faible et moins d'énergie requise pour l'accélération et la décélération mécaniques, augmentant ainsi l'efficacité dans les applications à grande vitesse.
Dureté et résistance à l'usure exceptionnelles: Le nitrure de silicium est connu pour sa dureté extrêmement élevée, dépassant celle de la plupart des métaux. Cette dureté contribue à améliorer la résistance à l'usure, prolongeant ainsi la durée de vie des roulements, même dans des conditions de fonctionnement difficiles.
Faible coefficient de frottement: La finition de surface lisse des roulements en céramique Si3N4, combinée à la composition de son matériau, permet d'obtenir un très faible coefficient de frottement. Ce faible frottement minimise la génération de chaleur et la perte d'énergie, augmentant ainsi l'efficacité globale de l'équipement.
Capacité à haute température: Les roulements en céramique Si3N4 conservent leurs propriétés mécaniques à des températures élevées, là où les matériaux traditionnels peuvent se dégrader. Cela les rend adaptés aux applications impliquant des températures de fonctionnement élevées, prolongeant ainsi leur utilisation dans des environnements inappropriés pour les roulements métalliques.
Résistance à la corrosion et aux produits chimiques: Le nitrure de silicium est intrinsèquement résistant à un large éventail de substances corrosives, notamment l'eau, l'eau salée et de nombreux acides et alcalis. Cette résistance garantit leur fiabilité dans des environnements corrosifs tels que le traitement chimique ou les applications marines.
Propriétés d'isolation électrique: Les roulements en céramique de nitrure de silicium sont électriquement isolants. Cette propriété est essentielle dans les applications électriques et électroniques, car l'isolation est essentielle pour prévenir la corrosion galvanique et les dommages associés.
Compatibilité avec les environnements sous vide poussé: Les roulements en nitrure de silicium peuvent fonctionner efficacement dans des environnements sous vide poussé sans risque de dégazage, un problème courant avec certains matériaux sous vide.
Dilatation thermique réduite: Le nitrure de silicium a un taux de dilatation thermique plus faible, offrant une stabilité dimensionnelle sur une plage de températures et réduisant les écarts pouvant affecter la précision.
Non-magnétique: Les propriétés non magnétiques du nitrure de silicium le rendent adapté aux applications où les interférences magnétiques doivent être évitées, comme certains appareils médicaux ou électroniques.
Potentiel de fonctionnement sans lubrification: En raison de leurs caractéristiques inhérentes, les roulements en céramique de nitrure de silicium peuvent fonctionner sans lubrification dans certaines applications, réduisant ainsi les besoins de maintenance et éliminant
Inconvénients des roulements en nitrure de silicium
Cher: En raison de son processus de préparation compliqué, le prix est relativement élevé.
Sensible aux impacts: Les roulements en nitrure de silicium sont plus susceptibles d'être endommagés par les chocs que les roulements en zircone.
Cage de roulement en nitrure de silicium
Les roulements en céramique Si3N4 sont disponibles dans une gamme d'options de cage, chacune étant adaptée à des exigences spécifiques :
Cage PEEK : Connues pour leur haute résistance et leur résistance chimique, les cages PEEK sont idéales pour une variété d’environnements difficiles.
Cages PTFE : Ces cages présentent une excellente inertie chimique et un faible frottement, ce qui les rend idéales pour les applications nécessitant une résistance minimale.
Cage en acier inoxydable 316 : Idéale pour les applications nécessitant une solidité et une résistance modérée à la chaleur et à la corrosion.
Capacité de charge améliorée : les roulements en céramique de nitrure de silicium à complément complet comportent des billes supplémentaires et aucune cage, ce qui a une capacité de charge environ 20 % supérieure à celle des roulements à cage.
Considérations relatives à la vitesse : Cependant, en raison du nombre accru d'éléments roulants et du frottement qui en résulte, la vitesse de fonctionnement maximale de ces roulements est inférieure de 70 % à celle des roulements comparables à cage.
| Fonctionnalité | Roulements en céramique de zircone | Roulements en céramique de nitrure de silicium | Roulements en céramique de carbure de silicium |
Dureté du matériau | Haute | très élevé | Très haut |
Poids | plus léger que l'acier | À propos de. 40% plus léger que l'acier | plus léger que l'acier |
Coefficient de friction | faible à moyen | très faible | faible |
Résistance à la température la plus élevée | jusqu'à 400 ° C | jusqu'à 1200 ° C | jusqu'à 1600 ° C |
Résistance à la corrosion | très bon | Excellent | Excellentes performances dans les environnements acides et salins |
isolation électrique | Haute | Haute | Changer |
dilatation thermique | facilité | faible | faible |
Résistance aux chocs/résistance aux chocs | Bon | Bon | Haute |
Pour maximiser la durée de vie et les performances des roulements en nitrure de silicium, un fonctionnement en dessous de la charge maximale et de la vitesse nominale est recommandé. Cette approche est particulièrement importante car ils sont plus fragiles que les matériaux moins durs.
Application des roulements en nitrure de silicium
Les roulements en céramique Si3N4 sont largement utilisés dans diverses industries en raison de leurs caractéristiques uniques. Les principales applications comprennent :
Applications marines: Leur résistance à l'immersion totale et permanente les rend idéaux pour les applications marines.
Environnement sous vide poussé: Les propriétés matérielles du nitrure de silicium sont bénéfiques pour les applications sous vide poussé.
Applications de précision: Un faible frottement et une capacité de charge élevée le rendent adapté aux machines de précision.
Véhicules électriques: Dans l'industrie des véhicules électriques, leur légèreté et leurs propriétés d'isolation électrique augmentent l'efficacité et la fiabilité du moteur.
Roulements en céramique de zircone sont blancs. Généralement, les bagues et billes intérieures et extérieures sont en zircone et la cage est en PTFE (c'est-à-dire en téflon). Cette combinaison peut résister à des températures allant jusqu'à 240 degrés Celsius, mais si la résistance à la température doit dépasser 240 degrés Celsius à 400 degrés Celsius, la boule doit être remplie de zircone (c'est-à-dire que la cage n'est pas utilisée et que la boule entière est en zircone), il peut donc résister à des températures d'environ 400 degrés.
Les roulements en zircone sont principalement des roulements en céramique fabriqués à partir de zircone (ZrO2) comme matière première principale. Il présente une ténacité élevée, une résistance élevée à la flexion et une résistance élevée à l'usure, ce qui le rend excellent dans de nombreux domaines. De plus, le coefficient de dilatation thermique de la céramique zircone est proche de celui des métaux, ce qui lui permet de se combiner parfaitement avec les métaux. Une autre caractéristique importante des roulements en zircone réside dans leurs propriétés d’isolation thermique, qui leur permettent de fonctionner dans des environnements à haute température et de résister à des changements rapides de température. Les roulements en céramique en ZrO2 ou en dioxyde de zirconium sont un matériau céramique résistant avec des propriétés d'expansion très similaires à celles de l'acier, mais sont 30 % plus légers. Il s'agit d'un avantage lorsque l'on considère l'ajustement de l'arbre et du boîtier dans des applications à haute température, où la dilatation des roulements peut empêcher l'arbre de s'adapter. Bien qu'ils soient souvent appelés roulements ZrO2, ils sont en réalité fabriqués à partir de ZrO2 stabilisé à l'yttrium, ce qui confère au matériau une plus grande solidité et une plus grande résistance à la rupture à température ambiante. Ils sont également extrêmement étanches, ce qui signifie qu'ils sont souvent utilisés dans les applications marines, en particulier lorsque l'équipement est complètement immergé ou lorsque les roulements en acier traditionnels ne peuvent pas supporter la charge ou la vitesse.
Roulements à billes en céramique de zircone VS roulements à billes en céramique de nitrure de silicium
Les roulements en céramique de zircone (ZrO2) et les roulements en céramique de nitrure de silicium (Si3N4) sont deux types de roulements en céramique. Ils sont généralement largement utilisés dans le domaine de l’industrie des machines de haute précision ou dans le domaine des matériaux abrasifs. Les principales différences entre les roulements à billes en céramique de zircone et les roulements à billes en céramique de nitrure de silicium sont :
Coloris
plus de 80 % des boules en céramique de zircone sont principalement blanches et les boules en céramique de zircone blanche sont leur vraie couleur. Mais parfois, vous voyez que les billes en céramique apparaissent en jaune clair ou en gris, car le matériau en zircone contient une petite quantité d'impuretés. Les billes en céramique de zircone présentent les avantages d'une ténacité élevée, d'une résistance à la flexion et à l'usure élevées, d'excellentes propriétés d'isolation thermique et d'un coefficient de dilatation thermique proche de celui des billes d'acier. Les billes en céramique de nitrure de silicium sont principalement constituées de noir de carbone. Ils sont extrêmement résistants aux températures élevées et leur résistance peut être maintenue jusqu'à 1,200 XNUMX degrés sans diminuer. C'est l'un des matériaux les plus durs au monde.
Comparaison des performances physiques
En termes de propriétés physiques, les billes en céramique de zircone ont une excellente résistance à l'usure et à la corrosion, tandis que les billes en céramique de nitrure de silicium ont également d'excellentes performances. Dans le même temps, les billes en céramique de nitrure de silicium fonctionnent également bien en termes de précision de traitement. Par conséquent, dans les domaines d'application de l'industrie des machines de haute précision, tels que les roulements d'ultra-précision, outre l'utilisation généralisée des billes d'acier, les billes en céramique ont également commencé à devenir populaires dans les roulements de précision. Parce que les billes en céramique ont des caractéristiques anticorrosion et antirouille par rapport aux billes en acier à roulement, et que la précision de traitement est encore plus élevée que celle des billes en acier.
En même temps, il peut jouer le rôle de résistance aux hautes températures dans des environnements à haute température. Ainsi, les billes en céramique apparaissent dans les roulements et autres domaines des machines d'ultra-précision, comme les rails de guidage, les accessoires de coulissement linéaire, etc., et ont tendance à remplacer les billes en acier.
Propriétés matérielles | Roulement en zircone | Roulement en nitrure de silicium |
Densité (kg·m-3) | 5900 | 3250 |
Module d'élasticité (GPa) | 205 | 310 |
Résistance à la compression (MPa) | 2000 | > 3500 |
Module de rupture (MPa) | 600-900 | 700-1000 |
Dureté Vickers (GPa) | 10-13 | 14-18 |
Robustesse (MPa·m1/2) | 8-12 | 5-8 |
Coefficient de dilatation thermique (K-3·10-6) | 12 | 3.4 |
Chaleur spécifique (J·kg-1·K-1) | 400 | 800 |
Température limite supérieure d'utilisation (℃) | 750 | 1050 |
Résistance aux chocs | moyenne | Haute |
Mode de rupture par fatigue des contacts roulants | Se détacher | Se détacher |
De la table, on peut savoir que la densité du nitrure de silicium est de 55.09% de celle des céramiques de zircone. Les roulements en céramique fabriqués à partir de nitrure de silicium sont légers, ce qui leur permet d'être utilisés dans les dispositifs médicaux, les appareils électroménagers, les moteurs d'équipements aérospatiaux et les vilebrequins de voitures de course. Dans le même temps, en raison de sa faible densité, lorsque le nitrure de silicium est utilisé comme élément roulant, la force centrifuge générée par le corps rotatif lorsque le roulement tourne est réduite, ce qui favorise une rotation à grande vitesse. Cela lui permet d'être utilisé dans les moteurs à turbine à gaz, les broches de machines-outils et la séparation centrifuge. Équipement et autres domaines.
Le module élastique et la résistance à la compression du nitrure de silicium sont également supérieurs à ceux de l'oxyde de zirconium, ce qui est bénéfique pour la capacité du roulement à résister aux contraintes ; le coefficient de dilatation thermique du nitrure de silicium est inférieur à celui de l'oxyde de zirconium, ce qui contribue à réduire la réponse du roulement à la température. La sensibilité changeante élargit la plage de vitesse de fonctionnement du roulement ; La résistance à haute température, la résistance à la corrosion et l'excellente stabilité chimique du nitrure de silicium permettent aux céramiques de nitrure de silicium d'être utilisées à des températures plus élevées et dans des endroits où l'oxyde de zirconium tel que le sulfate d'hydroxyde de sodium ne peut pas être utilisé. Scènes acido-basiques fortes.
Bien que les céramiques de nitrure de silicium présentent les caractéristiques d'une forte adaptabilité et de performances supérieures, le coût des roulements en céramique de nitrure de silicium est relativement élevé. Comparé à d'autres matériaux céramiques (nitrure de silicium, etc.), le processus de préparation des matériaux en zircone est relativement simple, le coût du corps vert est faible et il est facile à commercialiser. Par conséquent, les roulements en céramique de zircone peuvent être utilisés dans des applications qui ont des exigences de performances relativement faibles et des exigences de faible coût. Scène inférieure. Dans le même temps, la ténacité de la zircone est supérieure à celle du nitrure de silicium, ce qui favorise l'utilisation stable des roulements.
Le coût supplémentaire en vaut-il la peine ?
Les roulements entièrement en céramique sont généralement plus ronds, plus lisses et plus durs que l'acier, avec une excellente résistance à la corrosion et à la chaleur, une stabilité dimensionnelle plus élevée et une densité plus faible. Cependant, cela a un coût. Les roulements en céramique sont beaucoup plus chers que les roulements en acier. Alors, quand vaut-il la peine d’investir dans des roulements en céramique ?
Les applications à forte valeur ajoutée, telles que les équipements de laboratoire, ont des exigences précises qui doivent être respectées à chaque fois que l'application est utilisée. L’utilisation de mauvais composants dans un tel équipement peut contaminer les conditions de recherche ou entraîner l’arrêt complet de l’étude. C'est la même chose que dans les équipements médicaux, où les propriétés non contaminées et non magnétiques des roulements en céramique sont essentielles.
Prenez l’imagerie par résonance magnétique (IRM), une technique d’imagerie principalement associée aux scanners IRM hospitaliers. La technologie utilise des champs magnétiques puissants pour générer des images bidimensionnelles ou tridimensionnelles de tout objet vivant. Les roulements en acier standard ne peuvent pas être utilisés dans ces scanners en raison du magnétisme. Les roulements en céramique constituent donc le meilleur choix pour ces applications de grande valeur.
De même, alors que les fabricants de circuits intégrés s'efforcent de rendre leurs puces plus rapides, plus petites et moins chères, les fabricants d'équipements de fabrication de semi-conducteurs dépendent désormais de composants céramiques avancés pour atteindre les performances requises. Les roulements fabriqués à partir de nitrure de silicium au lieu d'oxyde d'aluminium standard (oxyde d'aluminium) offrent une isolation électrique et une bonne résistance à la corrosion.
Dans les domaines industriels modernes, les roulements sont largement utilisés, et les roulements en zircone et en nitrure de silicium, en tant que deux roulements en céramique haute performance, sont devenus le premier choix dans de nombreuses situations très demandées en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Alors quelle est la différence entre les deux et comment choisir ?
Le nitrure de silicium a une résistivité et une constante diélectrique similaires à celles de l'oxyde d'aluminium, mais en raison de sa microstructure, le matériau est beaucoup plus résistant. Les roulements entièrement en céramique peuvent s'adapter aux nombreuses conditions difficiles présentes dans la phase de production de semi-conducteurs ; des températures de four approchant les 1400 1 degrés Celsius à la qualité de l'air des salles blanches de classe XNUMX. Du coup, le surcoût est clairement justifié.
En général, les roulements en zircone et les roulements en nitrure de silicium présentent chacun leurs propres avantages et inconvénients. Lors de la sélection, vous devez tenir compte des besoins réels et des conditions d’application pour sélectionner le matériau le plus approprié. Par exemple, les roulements en zircone sont un bon choix pour les applications qui nécessitent une résistance à l'usure et une isolation thermique élevées ; tandis que les roulements en nitrure de silicium conviennent aux applications qui nécessitent une résistance élevée et une résistance à la corrosion.
Roulements entièrement en céramique ou hybrides en céramique ?
Quand la plupart des gens pensent roulements en céramique, ils font généralement référence à des versions hybrides. Les roulements hybrides se situent quelque part entre la céramique et l'acier et comprennent généralement des bagues ou des bagues en acier inoxydable et des billes en céramique. Les bagues intérieures et extérieures en acier des roulements hybrides peuvent être usinées selon des tolérances très strictes, ce qui signifie qu'elles sont particulièrement adaptées aux applications telles que les moteurs électriques, les équipements de laboratoire et les machines-outils.
Par exemple, sur une meuleuse, la friction peut être réduite en ajoutant des roulements hybrides en céramique et une graisse synthétique, augmentant ainsi le nombre de tours par minute (RPM) de 25 %. Une broche meule à céramique hybride peut fonctionner sans problème pendant 4,000 3,000 heures, tandis qu'une broche meule avec roulements en acier peut fonctionner pendant 50 60 heures. Les roulements hybrides réduisent également les températures de près de 36 %. Dans les centres d'usinage horizontaux, il a été démontré que le passage des roulements conventionnels aux roulements hybrides réduit la température des roulements de 12,000 degrés Celsius à XNUMX degrés Celsius à XNUMX XNUMX tr/min.
Des vitesses plus élevées peuvent être atteintes en utilisant des combinaisons de roulements hybrides qu'avec des roulements entièrement roulements en céramique car les anneaux métalliques les moins fragiles sont moins sujets à une défaillance catastrophique soudaine à grande vitesse ou sous charge. Cela dit, la résistance à la corrosion des roulements hybrides est dérisoire par rapport à celle des roulements entièrement en céramique. Spécifier les roulements adaptés aux environnements extrêmes a toujours été une question complexe. Mais tout comme la zircone a clarifié les origines de la vie, poser ces trois questions facilitera le processus de prise de décision.