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Vale la pena investire nei cuscinetti interamente in ceramica?
I cuscinetti interamente in ceramica sono resistenti all'usura, alla corrosione e hanno un'alta velocità. Sono inoltre non magnetici, hanno bassi coefficienti di attrito, sono antielettrici, resistenti alla corrosione, più leggeri, più lisci e più duri. Sono stati ampiamente utilizzati in ambienti estremamente difficili o condizioni di lavoro speciali, come nel settore aerospaziale, petrolchimico e delle apparecchiature elettroniche. I cuscinetti interamente in ceramica sono un tipo di cuscinetto i cui anelli ed elementi volventi sono realizzati in materiali ceramici come ossido di zirconio (ZrO2), nitruro di silicio (Si3N4) e carburo di silicio (Sic); Esistono molti tipi di dispositivi di contenzione e i materiali di produzione comuni includono politetrafluoroetilene, nylon 66, polieterimmide, ossido di zirconio, nitruro di silicio, acciaio inossidabile o alluminio aeronautico speciale. Questo blog introdurrà in dettaglio i vantaggi, i tipi e i confronti con i cuscinetti in acciaio dei cuscinetti interamente in ceramica, nonché un'esplorazione completa della possibilità che i cuscinetti Full cuscinetti ceramici vale la pena investire.
I cuscinetti interamente in ceramica presentano molti vantaggi rispetto ai tradizionali cuscinetti in metallo, tra cui prestazioni ad alta velocità, basso attrito, resistenza alla corrosione e durata. Sono ampiamente utilizzati in ambienti difficili, dai macchinari ad alta velocità alle apparecchiature per il trattamento chimico e ai forni ad alta temperatura.
①. Prevenire la corrosione attuale
Quando il motore è in funzione, la differenza di potenziale tra le due estremità dell'albero o tra gli alberi è chiamata tensione dell'albero e la corrente dell'albero risultante può causare danni alla pista di rotolamento e agli elementi volventi e invecchiamento del lubrificante. I cuscinetti completamente in ceramica possono impedire il passaggio di corrente e hanno una capacità di isolamento durevole rispetto ai cuscinetti rivestiti in ceramica. Nelle applicazioni dei generatori delle turbine eoliche, vengono spesso specificati cuscinetti completamente in ceramica.
②. Ad alta velocità
La densità degli elementi volventi in nitruro di silicio è inferiore del 60% rispetto a quella degli elementi volventi in acciaio delle stesse dimensioni. Il peso più leggero e l'inerzia si traducono in prestazioni a velocità più elevate, il che rende eccezionale la capacità del cuscinetto di avviarsi e arrestarsi rapidamente. Inoltre, i cuscinetti interamente in ceramica hanno proprietà autolubrificanti senza olio e un basso coefficiente di attrito, quindi i cuscinetti a sfere in ceramica hanno una velocità molto elevata.
③. Lunga vita
Il calore generato dall'attrito nei cuscinetti interamente in ceramica è basso, soprattutto alle alte velocità, il che aiuta a prolungare la durata di servizio dei cuscinetti e ad estendere l'intervallo di rilubrificazione, il che può ridurre notevolmente le perdite per tempi di fermo e i costi di manutenzione causati dalla manutenzione dei cuscinetti.
④. Elevata durezza e alta tenacità
Gli elementi volventi in ceramica hanno una maggiore durezza e un'eccellente tenacità. La combinazione di queste due caratteristiche può ottenere una migliore ruvidità superficiale e può prevenire danni da particelle dure e impatti esterni e avere una forte resistenza all'usura.
⑤. Maggiore rigidità
La rigidità del cuscinetto si riferisce al grado di deformazione elastica del cuscinetto sotto carico. La rigidità influisce su vari aspetti delle vibrazioni, del rumore, della durata e della precisione della rotazione dei cuscinetti ed è un parametro prestazionale importante nell'analisi dei cuscinetti. La durezza dei cuscinetti interamente in ceramica è 1 volta superiore a quella dell'acciaio per cuscinetti e il modulo elastico è circa 1/3 superiore.
⑥. Resistenza alle alte temperature
Gli elementi volventi in ceramica hanno un coefficiente di dilatazione termica inferiore. Un piccolo coefficiente di dilatazione termica aiuta a ridurre la sensibilità alle variazioni di temperatura, prevenendo così gli inceppamenti. In ambienti ad alta temperatura, i cuscinetti interamente in ceramica possono funzionare in modo affidabile a 800-1000°C senza espansione causata dalle differenze di temperatura.
Tipi di cuscinetti completamente in ceramica
I cuscinetti interamente in ceramica ZrO2 hanno un'eccellente resistenza alle alte e basse temperature, all'alta pressione, alla corrosione, all'isolamento magnetico e all'autolubrificazione. Possono operare in ambienti speciali. I cuscinetti in ceramica di zirconio (ZrO2) senza fermo possono essere utilizzati in ambienti fino a 400 ℃.
I cuscinetti completamente in ceramica Si3N4 possiedono tutte le proprietà dei cuscinetti completamente in ceramica ZrO2, oltre a vantaggi aggiuntivi come leggerezza, elevata resistenza all'usura e elevata durezza. Rispetto ai cuscinetti completamente in ceramica ZrO2, i cuscinetti completamente in ceramica Si3N4 sono adatti per applicazioni ad alta velocità e ad alto carico e possono resistere a temperature più elevate. Offrono una buona resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione meccanica, capacità di carico ad alta temperatura e resistenza ai gas corrosivi. I cuscinetti in ceramica Si3N4 senza fermo possono funzionare in ambienti fino a 1100℃.
I cuscinetti interamente in ceramica al carburo di silicio (SiC) offrono una maggiore resistenza alla corrosione chimica, migliore resistenza, maggiore durezza e maggiore resistenza all'usura rispetto ad altri materiali ceramici. Hanno anche proprietà di basso attrito e sono adatti alle temperature più elevate. I cuscinetti in ceramica SiC senza fermo possono essere utilizzati in ambienti fino a 1400 ℃.
Cuscinetti ceramici Al2O3
I cuscinetti in ceramica di allumina (Al2O3) utilizzano ceramica di allumina con un contenuto di allumina del 99%. Anche gli elementi volventi sono realizzati in ceramica di allumina. I cuscinetti in ceramica Al2O3 senza fermo possono funzionare in ambienti fino a 1400 ℃.
Cuscinetti in ceramica a sfera a pieno riempimento
I cuscinetti a sfere completamente in ceramica hanno una tacca su un lato, consentendo alle sfere in ceramica di essere caricate rispetto alle strutture standard grazie all'assenza di una gabbia. Ciò aumenta la loro capacità di carico ed evita le limitazioni dei materiali della gabbia, ottenendo la resistenza alla corrosione e alla temperatura dei cuscinetti completamente in ceramica con gabbia in ceramica. Questi cuscinetti non sono adatti per alte velocità e, durante l'installazione, la tacca deve essere posizionata sul lato che non sopporta il carico assiale.
Sfide dei cuscinetti interamente in ceramica
Il processo di produzione dei cuscinetti in ceramica prevede molteplici processi, tra cui la preparazione delle materie prime, lo stampaggio, la sinterizzazione e la finitura, e ciascun processo ha un impatto importante sulle prestazioni del prodotto finale. La complessità del processo produttivo non solo aumenta i costi di produzione, ma impone anche requisiti più elevati in termini di controllo del processo produttivo.
Costo alto.
Il costo di produzione dei materiali ceramici è relativamente elevato, principalmente a causa delle costose materie prime dei materiali ceramici e del complesso processo di produzione. Il processo di preparazione di materiali ceramici ad alte prestazioni come l'ossido di zirconio (ZrO2), il nitruro di silicio (Si3N4) e il carburo di silicio (SiC) richiede sinterizzazione ad alta temperatura e lavorazione di precisione, che non solo richiedono tempo ed energia, ma richiedono anche attrezzature costose e supporto tecnico. Pertanto, il costo elevato dei cuscinetti ceramici è diventato un ostacolo importante alla loro promozione e applicazione.
Difficile da produrre
I materiali ceramici hanno un'elevata durezza e una bassa tenacità, il che li rende difficili da lavorare. La tradizionale tecnologia di lavorazione dei metalli spesso non funziona nella lavorazione dei materiali ceramici, che è soggetta a danni materiali o errori di lavorazione. Inoltre, la fragilità dei materiali ceramici facilita la rottura e la frammentazione durante la lavorazione, aumentandone la complessità e il rischio.
A causa di una frattura fragile
Sebbene i cuscinetti in ceramica abbiano un'eccellente resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e proprietà di basso attrito, la fragilità e la resistenza agli urti dei materiali ceramici sono scarse in alcuni ambienti estremi, il che limita il loro campo di applicazione. Ad esempio, in ambienti ad alto impatto e vibrazioni elevate, i cuscinetti in ceramica potrebbero cedere a causa di una frattura fragile.
I cuscinetti completamente in ceramica sono diventati un componente chiave indispensabile nell'industria moderna con le loro eccellenti prestazioni e ampie prospettive di applicazione. Sebbene il loro investimento iniziale sia elevato, la loro lunga durata di servizio e i bassi costi di manutenzione li rendono economici nell'uso a lungo termine. Soprattutto in ambienti difficili come alte temperature, alte pressioni e corrosività, i vantaggi dei cuscinetti completamente in ceramica sono evidenti.
Prestazioni eccellenti
Prendendo come esempio i cuscinetti in nitruro di silicio completamente in ceramica, la ceramica al nitruro di silicio è una ceramica strutturale con eccellenti prestazioni complete e molte proprietà uniche, che la rendono ampiamente utilizzata nella tecnologia moderna. La ceramica al nitruro di silicio ha una resistenza meccanica e una durezza estremamente elevate, paragonabili al corindone, ed è autolubrificante e resistente all'usura. A temperatura ambiente, la sua resistenza alla flessione può arrivare anche a 980 MPa, che è paragonabile all'acciaio legato. È importante sottolineare che la sua resistenza non diminuirà nemmeno a una temperatura elevata di 1200 ℃. La ceramica al nitruro di silicio ha un'eccellente stabilità termica, un piccolo coefficiente di dilatazione termica e un'eccellente conduttività termica, quindi ha una buona resistenza agli shock termici. Anche uno shock termico da temperatura ambiente a 1000 ℃ non ne causerà la rottura.
| proprietà tipiche | Al2O3 | ZrO2 | Si3N4 | Sic | Acciaio per cuscinetti |
|---|---|---|---|---|---|
| Densità (kg/m^3) | 3250 | 3100 | 3900 | 3200 | 7800 |
| Modulo elastico (GPa) | 310 | 210 | 320 | 420 | 210 |
| Resistenza alla compressione (MPa) | > 3500 | 2000-2500 | 2000-2700 | 2000 | - |
| Resistenza alla flessione (MPa) | 700-1000 | 500-900 | 500-900 | 300-600 | 1000 |
| Resistenza alla frattura (MPa·m^1/2) | 3-5 | 8-12 | 6-10 | 3-5 | 16-20 |
| Durezza (GPa) | 14-18 | 10-13 | 18-20 | 24-28 | 8 |
| Coefficiente di dilatazione termica (10^-6/K) | 4-8 | 10-12 | 2-4 | 3-5 | 12 |
| Conducibilità termica (W·m^-1·K^-1) | 20 | 2 | 30 | 100 | 30 |
| Calore specifico (J·kg^-1·K^-1) | 800 | 500-700 | 800 | 880 | 450 |
| Temperatura operativa massima (℃) | 1050 | 500-800 | 1250 | 1250 | 400-600 |
| Resistenza all'ossidazione | Alta | Medio | Alta | Molto alto | Molto alto |
| Modalità di fallimento | Frattura fragile | Frattura fragile | Frattura fragile | Frattura fragile | Frattura duttile |
Questa tabella fornisce una panoramica comparativa delle proprietà chiave delle ceramiche industriali (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC) e dell'acciaio per cuscinetti, evidenziandone le differenze in termini di densità, resistenza meccanica, proprietà termiche e modalità di guasto.
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno un'eccellente stabilità chimica e possono resistere alla corrosione di quasi tutti gli acidi inorganici (tranne l'acido fluoridrico) e alle soluzioni di soda caustica con una concentrazione inferiore al 30%. Allo stesso tempo, hanno anche una buona tolleranza alla corrosione di molte sostanze organiche. È importante sottolineare che non sono bagnanti per una varietà di soluzioni di metalli non ferrosi, in particolare alluminio liquido, e possono resistere a forti radiazioni. Le ceramiche al nitruro di silicio hanno una bassa densità e un basso peso specifico, solo 2/5 dell'acciaio, e hanno un buon isolamento elettrico.
Autolubrificante
I cuscinetti completamente in ceramica possono funzionare correttamente senza l'uso di lubrificanti, quindi l'applicazione nelle pompe criogeniche consente ai ricercatori di evitare l'influenza delle variazioni di viscosità del lubrificante sul normale funzionamento dei cuscinetti. I cuscinetti criogenici vengono utilizzati principalmente in vari tipi di pompe per liquidi, come pompe per gas naturale liquefatto, pompe per azoto liquido (idrogeno, ossigeno), pompe per butano, ecc. Questi dispositivi devono mantenere prestazioni stabili e lunga durata in ambienti a bassa temperatura e ceramica i cuscinetti sono diventati una parte indispensabile di questi dispositivi grazie alle loro eccellenti prestazioni e adattabilità. I cuscinetti in ceramica sono stati ampiamente utilizzati anche in apparecchiature quali pompe di liquidi per razzi, missili e veicoli spaziali. Questi dispositivi devono funzionare in ambienti estremamente difficili e i cuscinetti ceramici hanno un'eccellente resistenza alla corrosione e la capacità di adattarsi ad ambienti ad alta e bassa temperatura, rendendoli la scelta ideale per questi dispositivi.
Caso applicativo - MRI
La risonanza magnetica (MRI) è una tecnologia di imaging ampiamente utilizzata nella ricerca medica e scientifica. È spesso associato agli scanner MRI negli ospedali, che utilizzano forti campi magnetici per generare immagini bidimensionali e tridimensionali del corpo umano o di altri oggetti viventi. Negli scanner MRI, tutte le apparecchiature utilizzate devono essere non magnetiche per evitare interferenze con l'immagine. Pertanto, i tradizionali cuscinetti in acciaio non sono adatti a questo scenario perché il loro magnetismo può influenzare la qualità dell'immagine. I cuscinetti ceramici non magnetici sono molto adatti per l'uso all'interno degli scanner MRI. Il vantaggio dei cuscinetti in ceramica è che sono altamente amagnetici e quindi non causano alcuna interferenza con le scansioni MRI. Inoltre, i cuscinetti in ceramica hanno anche un'eccellente resistenza alla corrosione e un'elevata durezza, che possono mantenere prestazioni stabili in ambienti difficili.
Caso applicativo: camera bianca
Una camera bianca è un ambiente estremamente vicino alla polvere, che fornisce ai ricercatori condizioni prive di inquinamento per preparare e misurare piccoli strumenti, attrezzature o materiali. Tuttavia, la capacità di mantenere questo ambiente privo di polvere è spesso messa a dura prova, soprattutto perché il lubrificante contenuto nei cuscinetti in acciaio standard viene gradualmente rilasciato nell’ambiente. Questo fenomeno può compromettere il controllo della pulizia della camera bianca. I cuscinetti interamente in ceramica forniscono una soluzione. Poiché possono funzionare senza lubrificanti, i cuscinetti ceramici non producono quasi alcun attrito durante il funzionamento e la superficie può essere resa molto liscia, ottenendo così un funzionamento senza lubrificante. Inoltre, a differenza dei cuscinetti in acciaio inossidabile, i cuscinetti interamente in ceramica non generano accumulo di calore all'interno del cuscinetto, quindi non è necessaria alcuna lubrificazione per favorire la dissipazione del calore.
L'uso di cuscinetti ceramici senza lubrificante può eliminare completamente il problema di degassamento causato dai cuscinetti in acciaio, mantenendo così il controllo della pulizia della camera bianca. I cuscinetti completamente ceramici non solo funzionano senza problemi, ma forniscono anche prestazioni stabili e affidabili nelle camere bianche. Pertanto, i cuscinetti ceramici svolgono un ruolo importante nel mantenimento della pulizia e delle capacità di controllo delle camere bianche.
Conclusione
I cuscinetti interamente in ceramica presentano vantaggi quali resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e isolamento elettrico, ma devono anche affrontare le sfide di costi molto più elevati rispetto ai cuscinetti in acciaio e capacità di carico relativamente bassa. Per applicazioni speciali, come alta temperatura, alta pressione, corrosione, precisione, ambienti di lavoro puliti e altri, vale la pena investire nei cuscinetti interamente in ceramica.