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La guida definitiva ai materiali per cuscinetti in ceramica
I materiali ceramici sono ampiamente utilizzati in molti campi grazie alle loro proprietà uniche come elevata resistenza, elevata durezza, resistenza all'usura e stabilità alle alte temperature. Ad esempio, gli studi lo hanno dimostrato cuscinetti interamente in ceramica prestazioni migliori in acqua rispetto a qualsiasi acciaio inossidabile. I materiali per cuscinetti ceramici comunemente utilizzati includono nitruro di silicio (Si3N4), ossido di zirconio (ZrO2), ossido di alluminio (Al2O3) o carburo di silicio (SiC). I migliori materiali ceramici per ambienti con acqua inquinata sono il nitruro di silicio e l'ossido di zirconio, che hanno una durata 70 volte superiore rispetto ai cuscinetti in acciaio inossidabile. Questo blog mira ad esplorare la classificazione e le specifiche dei materiali per cuscinetti in ceramica, cuscinetto ceramico processi di produzione e fornire suggerimenti costruttivi per una comprensione completa dei cuscinetti in ceramica.
Il componente principale della ceramica di allumina è Al2O3, che generalmente ne contiene più del 45%. Le ceramiche di allumina hanno varie proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, elevata resistenza, elevata durezza e buone proprietà dielettriche, che sono da 2 a 3 volte quelle delle ceramiche ordinarie. Tuttavia, lo svantaggio delle ceramiche di allumina è che sono fragili e non possono sopportare sbalzi improvvisi della temperatura ambiente. L'allumina può essere divisa in diverse serie a seconda del contenuto di Al2O3 e degli additivi utilizzati. Ad esempio, l'allumina può essere divisa in 75% allumina, 85% allumina, 95% allumina, 99% allumina, ecc.
Materiali | Alumina | ||||
Immobili | Unità | AL997 | AL995 | AL99 | AL95 |
%Allumina | - | 99.70% | 99.50% | 99.00% | 95.00% |
Colore | - | Avorio | Avorio | Avorio | Avorio e bianco |
permeabilità | - | Airtight | Airtight | Airtight | Airtight |
Densità | g / cm³ | 3.94 | 3.9 | 3.8 | 3.75 |
rettilineità | - | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ |
Durezza | Scala di Mohs | 9 | 9 | 9 | 8.8 |
Assorbimento dell'acqua | - | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 |
Resistenza alla flessione (tipica a 20°C) | MPa | 375 | 370 | 340 | 304 |
Resistenza alla compressione (tipica a 20°C) | MPa | 2300 | 2300 | 2210 | 1910 |
Coefficiente di dilatazione termica (da 25°C a 800°C) | 0-6/°C | 7.6 | 7.6 | 7.6 | 7.6 |
Rigidità dielettrica (spessore 5 mm) | CA kV/mm | 10 | 10 | 10 | 10 |
Perdita dielettrica (25°C a 1 MHz) | - | <0.0001 | <0.0001 | 0.0006 | 0.0004 |
Costante dielettrica (25°C @ 1 MHz) | - | 9.8 | 9.7 | 9.5 | 9.2 |
Resistività del volume (20°C a 300°C) | Ω·cm³ | >10^14 2*10^12 | >10^14 2*10^12 | >10^14 4*10^11 | >10^14 2*10^11 |
Temperatura di lavoro a lungo termine | ° C | 1700 | 1650 | 1600 | 1400 |
Conducibilità termica (25°C) | W/m·K | 35 | 35 | 34 | 20 |
L'allumina è un eccellente isolante elettrico in grado di resistere a correnti estremamente elevate. La sua resistenza all'elettricità aumenta con la sua purezza. Maggiore è la purezza dell'allumina, maggiore è la sua resistenza. È noto che l'allumina ha anche un punto di fusione molto elevato e una forte resistenza meccanica. Il punto di fusione dei normali prodotti Al2O3 è molto alto, a 2072°C. Tuttavia, quando la temperatura supera i 1000 gradi Celsius, la sua resistenza meccanica diminuisce. A causa dell'enorme differenza nel coefficiente di dilatazione termica, la sua resistenza allo shock termico è scarsa se esposto a temperature molto elevate.
L'eccellente stabilità chimica dell'allumina è il fattore principale della sua elevata resistenza alla corrosione. L'allumina è anche leggermente solubile in acidi forti (come acido solforico caldo e HCl caldo, l'HF ha anche un certo effetto corrosivo) e soluzioni alcaline, ma è insolubile in acqua. L'allumina pura può resistere alla corrosione chimica, rendendola il principale materiale di scelta per una varietà di parti industriali. I materiali ceramici di allumina hanno anche una pressione di vapore e una pressione di decomposizione molto basse. Queste proprietà della ceramica di allumina la rendono una delle ceramiche più utilizzate in ambienti strutturali, soggetti a usura e corrosione.
Le ceramiche di allumina sono solitamente realizzate in bauxite e possono essere stampate mediante stampaggio a iniezione, stampaggio a compressione, pressatura isostatica, fusione a scorrimento, lavorazione del diamante ed estrusione. Come il nitruro di alluminio, anche l'allumina può essere prodotta mediante pressatura a secco e sinterizzazione oppure mediante pressatura a caldo con adeguati ausiliari di sinterizzazione. Grazie alla sua eccellente stabilità chimica, le ceramiche di allumina sono ampiamente utilizzate nei cuscinetti, nelle giranti delle pompe resistenti agli acidi, nei corpi delle pompe, nei rivestimenti delle tubazioni acide e nelle valvole. Grazie alla sua durezza e resistenza all'usura estremamente elevate, la ceramica di allumina viene spesso utilizzata anche per produrre parti tessili resistenti all'usura e utensili da taglio.
Materiali ceramici: ordinati per densità
Zirconia > 99% Allumina > 94% Allumina > 85% Allumina > Nitruro di Alluminio > Carburo di Silicio > Mullite > Macor© > Cordierite
Materiali ceramici: ordinati per durezza
Carburo di silicio > 99% allumina > Zirconia YTZP > Nitruro di silicio > Zirconia TTZ > 94% allumina > 85% allumina > Mullite > Cordierite > Macor©
Quando il contenuto di allumina è superiore al 95%, può essere utilizzato come eccellente isolante elettrico. Presenta inoltre una bassa perdita dielettrica ed è ampiamente utilizzato nei campi dell'elettronica e degli apparecchi elettrici. Inoltre, l'allumina trasparente ha una buona trasmittanza alla luce visibile e ai raggi infrarossi e può essere utilizzata per realizzare lampade al sodio ad alta pressione e materiali per finestre di rilevamento degli infrarossi. Inoltre, le ceramiche di allumina hanno un'eccellente biocompatibilità (simile alle leghe di titanio), elevata robustezza ed elevata resistenza all'usura. Pertanto sono anche materiali ideali per la preparazione di ossa artificiali e articolazioni artificiali.
Zirconio (ZrO2)
Le ceramiche di zirconio hanno una bassa conduttività termica (isola) e un'elevata resistenza. Furono utilizzati per la prima volta nei viaggi spaziali negli anni '1960 per formare una barriera termica che consentisse allo Space Shuttle di entrare nell'atmosfera terrestre. Gestiscono bene anche le alte temperature, con temperature operative per le ceramiche in zirconio che vanno da -85°C a 400°C. Tuttavia, non sono resistenti allo shock termico come il nitruro di silicio.
La zirconio ha una forte resistenza alla corrosione, che la rende una scelta perfetta per liquidi altamente corrosivi. Le ceramiche di zirconio hanno un'elevatissima resistenza alla crescita delle crepe, rendendole ideali per i processi di saldatura e gli strumenti per la formatura dei fili. Inoltre li rende molto adatti per applicazioni meccaniche che comportano il rischio di frattura. Presentano inoltre un'espansione termica molto elevata, con un coefficiente di dilatazione termica simile a quello dell'acciaio, che li rende il materiale preferito per le giunzioni ceramica e acciaio. Per le sue proprietà tribologiche, l'ossido di zirconio è molto adatto per il movimento rotatorio, come ad esempio i cuscinetti lineari o i cuscinetti a sfere (come quelli del produttore TK linear). Inoltre, le ceramiche all'ossido di zirconio e al nitruro di silicio presentano i vantaggi di elevata compatibilità con il vuoto, non magnetica, non conduttiva, resistenza alle alte e basse temperature, resistenza chimica, elevata rigidità e lunga durata. L'ossido di zirconio e il nitruro di silicio possono essere trasformati in cuscinetti dopo il funzionamento a secco.
Rispetto all'ossido di alluminio, l'ossido di zirconio ha elevate proprietà meccaniche, elevata resistenza ed elevata tenacità. Se l'unico requisito è la robustezza, si consiglia questo materiale. Inoltre, l’ossido di zirconio (ZrO2) è una ceramica nota in ambito sanitario per la sua biocompatibilità, bioinerzia, elevate proprietà meccaniche e stabilità chimica. Nell'industria dentale, le ceramiche all'ossido di zirconio vengono utilizzate per produrre vari prodotti per restauri dentali. Ad esempio, i grezzi in zirconio opachi o traslucenti vengono utilizzati per realizzare ponti, corone e faccette. La zirconia pressata isostaticamente a caldo viene utilizzata per realizzare impianti dentali e abutment. Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo della zirconia per restauri dentali è che la finitura superficiale del prodotto finito ricorda molto quella dei denti naturali. Inoltre, le ceramiche di zirconio sono traslucide e lucenti, il che le rende adatte per applicazioni in cui l'aspetto è simile al materiale del dente circostante.
carburo di silicio
Le ceramiche al carburo di silicio sono composte principalmente da SiC, che è una ceramica ad alta resistenza e elevata durezza. Se utilizzata a temperature elevate comprese tra 1200 ℃ e 1400 ℃, la ceramica al carburo di silicio può comunque mantenere un'elevata resistenza alla flessione e può essere utilizzata per componenti ad alta temperatura come ugelli a coda di razzo, manicotti per termocoppie e tubi di forni. Le ceramiche al carburo di silicio hanno anche una buona conduttività termica, resistenza all'ossidazione, conduttività elettrica ed elevata resilienza. È un materiale ceramico forte e durevole che ha anche bassa densità, basso tasso di espansione termica ed eccellente resistenza agli shock termici, che lo rendono adatto a una varietà di applicazioni.
Composizione | Carburo di silicio |
Peso molecolare | 40.1 |
Forma | Nero |
punto di fusione | 2,730°C (4,946°F) (decomposizione) |
Densità | Da 3.0 a 3.2 g / cm³ |
Resistività elettrica | da 1 a 4 x 10^5 Ω·m |
Porosità | da 0.15 a 0.21 |
Calore specifico | da 670 a 1180 J/kg·K |
Il carburo di silicio viene prodotto combinando chimicamente atomi di carbonio e silicio. Le particelle di carburo di silicio sono state utilizzate come abrasivo per molti anni, più comunemente sotto forma di carta vetrata. Tuttavia, queste particelle possono essere legate insieme mediante sinterizzazione per formare un materiale ceramico altamente durevole con eccellenti proprietà meccaniche, che lo rende una scelta eccellente per la produzione di cuscinetti. Grazie alla sua elevata conduttività termica ed elettrica, il carburo di silicio può essere utilizzato come componente per l'eliminazione dell'elettricità statica.
Ceramica al nitruro
Ceramica al nitruro sono fatti di nitruri metallici, come nitruro di silicio e nitruro di alluminio. Ceramica al nitruro di silicio (Si3N4) Si3N4 è il componente principale della ceramica al nitruro di silicio, che è un materiale ad alta resistenza, elevata durezza, resistente all'usura, alla corrosione e autolubrificante alta temperatura ceramica.
Immobili | Valore |
Colore | Grigio e grigio scuro |
Densità | Da 3.2 a 3.25 g / cm³ |
Durezza | HRA da 92 a 94 |
Temperatura operativa massima | 1300 a 1600 ° C |
Conduttività termica | da 23 a 25 W/(m·K) |
Resistenza alla flessione | ≥900 MPa |
Resistenza alla frattura | da 6 a 8 MPa·m¹/² |
Coefficiente di dilatazione termica | da 2.95 a 3 x 10⁻⁶ /°C (da 0 a 1400°C) |
Se stai cercando un materiale in grado di resistere alle alte temperature e alle condizioni meccaniche difficili, il carburo di silicio è una buona scelta, sebbene questo materiale sia relativamente costoso. Quando si tratta di resistere alle alte temperature, il nitruro di silicio è superiore alle soluzioni metalliche e Si3N4 ha un intervallo di temperatura operativa compreso tra -100°C e 900°C. Inoltre, il coefficiente di dilatazione lineare del nitruro di silicio è il più piccolo tra tutti i tipi di ceramica. Il coefficiente di dilatazione termica del nitruro di silicio è 3.2 x 10-6/k, mentre il coefficiente di dilatazione termica del carburo di silicio è 3 x 10-6/k. I coefficienti di dilatazione termica dell'ossido di zirconio e dell'ossido di alluminio sono rispettivamente 10.5 x 10-6/k e 8.5 x 10-6/k, ma entrambi sono molto inferiori rispetto all'acciaio per cuscinetti, che ha un coefficiente di 12.5 x 10-6/k.
Classificazione | Ossido di alluminio | Ossido di alluminio | Ossido di alluminio | Ossido di alluminio | Carburo di silicio | Carburo di silicio | Nitruro di silicio | mullite | Ossido di zirconio | Talco |
| KM995 | KMG995 | KM96 | KM96 | KMG96 | KMG96 | Kai170 | Talco | KYCS | - |
Componente principale | 99.7 | 99.6 | 96 | 96 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
Colore | latteo | Bianco | Bianco | Bianco | Bianco | Nero | Nero | Gray | Bianco | Gray |
Densità apparente (g/cm³) | 3.9 | 3.9 | 3.7 | 3.7 | 6 | 3.1 | 3.2 | 2.7 | 3.5 | 2.7 |
Resistenza alla flessione (MPa) | 400 | 390 | 320 | 320 | 1000 | 450 | 420 | 200 | 120 | 150 |
Modulo di Young (GPa) | 380 | 370 | 340 | 340 | 410 | 350 | 310 | 210 | 130 | 170 |
Meccanico | Durezza (GPa) | 21 | 20 | 19 | 19 | 24 | 13 | 22 | 13 | 22 |
Rapporto di Poisson | - | 0.24 | 0.24 | 0.23 | 0.31 | - | - | - | - | - |
Resistenza alla frattura (MPa·m¹/²) | 4.1 | 4 | 3.5 | 3.5 | 4 | 4.6 | 6 | 2.5 | 4 | 3.2 |
Coefficiente di dilatazione termica (×10⁻⁶/°C) | 6.4 | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 7.7 | 11 | 3.2 | 2.5 | 2.5 | 3.0 |
Termico | Conducibilità termica (W/m·K) | 30 | 28 | 21 | 21 | 120 | 80 | 17 | 1.2 | 1.2 |
Calore specifico (J/g·K) | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 1.4 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
Costante dielettrica (1 MHz) | 10.1 | 10.1 | 9.4 | 9.5 | 11 | 7 | 7 | 8.5 | 8.5 | 6.5 |
Perdita dielettrica (×10⁻⁴) | 50 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
Resistività del volume (Ω·cm) | 10¹⁵ | 10¹⁵ | 10¹⁴ | 10¹⁴ | 10¹² | 10¹² | 10¹² | 10¹³ | 10¹³ | 10¹³ |
Tensione di rottura (kV/mm) | 10 | 10 | 10 | 10 | 11 | 11 | 11 | 10 | 10 | 10 |
Caratteristiche | Alta resistenza | Alta resistenza | Alta resistenza | Alta resistenza | Elevata durezza | Elevata durezza | Elevata tenacità | Elevata tenacità | Bassa conducibilità termica | Bassa conducibilità termica |
| Isolante | Isolante | Isolante | Isolante | conduttivo | conduttivo | Isolante | Isolante | Peso leggero | Peso leggero |
si utilizza | Materiale abrasivo | Materiale abrasivo | Materiale abrasivo | Materiale abrasivo | Materiale abrasivo | Materiale abrasivo | Materiale di tenuta | Materiale di tenuta | Isolamento termico | Isolamento termico |
| Parti resistenti all'usura | Parti resistenti all'usura | Parti resistenti all'usura | Parti resistenti all'usura | Parti resistenti alle alte temperature | Parti resistenti alle alte temperature | Parti aerospaziali | Parti aerospaziali | Parti di apparecchiature a semiconduttore | Parti di apparecchiature a semiconduttore |
| Parti ad alta temperatura | Parti ad alta temperatura | Parti ad alta temperatura | Parti ad alta temperatura | Parti di utensili | Parti di utensili | Parti dell'elettrodo | Parti dell'elettrodo | Impianti dentali | Impianti dentali |
| Parti di semiconduttori | Parti di semiconduttori | Parti di semiconduttori | Parti di semiconduttori | - |
|
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|
|
Articolo | Unità | Si₃N₄ | ZrO₂ | Al₂O₃ (99.5%) | Sic | Acciaio per cuscinetti |
Densità | g / cm³ | 3.23 | 6.05 | 3.92 | 3.12 | 7.85 |
Assorbimento dell'acqua | % | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Coefficiente di espansione termica lineare | 10⁻⁶/k | 3.2 | 10.5 | 8.5 | 3 | 12.5 |
Modulo di elasticità (Mod. di Young) | GPa | 300 | 210 | 340 | 440 | 208 |
Rapporto di Poisson | / | 0.26 | 0.3 | 0.22 | 0.17 | 0.3 |
Durezza (Hv) | MPa | 1500 | 1200 | 1650 | 2800 | 700 |
Resistenza alla flessione (@ RT) | MPa | 720 | 950 | 310 | 390 | 520 (resistenza alla trazione) |
Resistenza alla flessione (700°C) | MPa | 450 | 210 | 230 | 380 | / |
Resistenza alla compressione (@ RT) | MPa | 2300 | 2000 | 1800 | 1800 | / |
Resistenza alla frattura, K₁c | MPa·m¹/² | 6.2 | 10 | 4.2 | 3.9 | 25 |
Conducibilità termica (@ RT) | W/m·k | 25 | 2 | 26 | 120 | 40 |
Resistività elettrica (@ RT) | Ω·mm²/m | >10¹³ | >10¹⁵ | >10¹⁶ | >10³ | 0.1 ~ 1 |
Massimo. Usa temperatura (nessun caricamento) | ° F | 1050 | 750 | 1500 | 1700 | 1700 |
Resistenza alla corrosione | / | Ottimo | Ottimo | Ottimo | Ottimo | povero |
Il nitruro di silicio ha una resistenza allo shock termico fino a 600°C, mentre il carburo di silicio ha una resistenza allo shock termico di soli 400°C, indicando che il rischio di frattura dovuto ai cambiamenti di temperatura è minimo. In ambienti con grandi variazioni di temperatura, quando la resistenza agli shock termici è una priorità assoluta, il nitruro di silicio e il carburo di silicio sono le scelte migliori. Inoltre, il nitruro di silicio ha un'eccellente resistenza alla corrosione e può resistere alla corrosione di vari acidi eccetto l'acido fluoridrico, nonché alla corrosione di alcali e vari metalli. Ha un eccellente isolamento elettrico e resistenza alle radiazioni.
Queste proprietà della ceramica al nitruro di silicio la rendono utile come cuscinetti per alte temperature, guarnizioni utilizzate in mezzi corrosivi, pozzetti termometrici, utensili per il taglio dei metalli, ecc. Ad esempio, l'industria dei cuscinetti a sfere utilizza questo materiale da decenni perché le sue prestazioni sono state comprovate e viene spesso utilizzato negli elementi volventi dei cuscinetti ceramici, come sfere e rulli. La sua tenacità meccanica estremamente elevata e l'eccellente resistenza al calore, alla corrosione e all'usura sono le ragioni per cui viene utilizzato in varie applicazioni con carichi elevati.
Processo di produzione dei cuscinetti in ceramica
1. Lavorazione delle polveri. La lavorazione della polvere ceramica è molto simile alla lavorazione della polvere metallica. La lavorazione della polvere ceramica prevede la produzione di polvere mediante macinazione, quindi la realizzazione di prodotti verdi e quindi il loro consolidamento per ottenere il prodotto finale. La polvere è una raccolta di particelle fini. La polvere ceramica può essere ottenuta frantumando, macinando, separando le impurità, mescolando ed essiccando le materie prime.
2. Miscelazione. I componenti ceramici vengono miscelati tra loro attraverso vari procedimenti e macchine, e vengono trasformati in impasto liquido mediante l'aggiunta di acqua o altri liquidi.
3. Metodo di stampaggio. Esistono due principali metodi comuni di stampaggio dei cuscinetti in ceramica, ovvero lo stampaggio a iniezione e lo stampaggio a polvere. Lo stampaggio a iniezione consiste nel mescolare polvere ceramica, legante organico, agente reologico, polvere submicronica, ecc. e iniettarli nello stampo per lo stampaggio. Lo stampaggio delle polveri consiste nel comprimere la polvere ceramica in un corpo stampato e quindi sinterizzarlo. Questi due metodi presentano vantaggi e svantaggi e dovrebbero essere selezionati in base a specifici requisiti ingegneristici.
4. Processo di sinterizzazione. Durante il processo di produzione dei cuscinetti in ceramica, è necessario un trattamento di sinterizzazione per solidificare il corpo stampato in un prodotto finito e, allo stesso tempo, è anche possibile migliorarne la durezza e la resistenza. Il processo di sinterizzazione dei cuscinetti ceramici comprende principalmente la sinterizzazione con ossido e quella senza ossido. Secondo il flusso del processo, la sinterizzazione viene prima eseguita in un'atmosfera ossidante, quindi la sinterizzazione viene eseguita in un'atmosfera non ossidante. Durante l'intero processo di sinterizzazione, è necessario controllare parametri ambientali quali temperatura, pressione e atmosfera per ottenere l'effetto desiderato.
5. Lavorazione di precisione. I cuscinetti in ceramica sinterizzata devono essere sottoposti a successive lavorazioni meccaniche di precisione, tra cui molatura, lucidatura e altre fasi per garantirne l'accuratezza geometrica e la qualità della superficie. Allo stesso tempo, è necessaria anche l’ispezione della qualità, compreso il rilevamento e l’analisi di indicatori quali durezza, densità, deviazione dimensionale e rumore per garantire che i prodotti soddisfino gli standard internazionali e i requisiti dei clienti.
Fattori che influenzano la qualità degli accoppiamenti in ceramica
La qualità e l'efficienza della lavorazione dei cuscinetti in ceramica sono influenzate da molti fattori, tra cui la qualità del materiale, il metodo di stampaggio, il processo di sinterizzazione, la tecnologia e le attrezzature di lavorazione di precisione. Inoltre, durante la lavorazione viene influenzato anche da parametri ambientali quali temperatura, pressione, velocità e atmosfera. Alla luce di questi fattori, i tecnici di lavorazione devono selezionare flussi di processo, attrezzature e strumenti adeguati per garantire la qualità della lavorazione. Nell’attuale campo di applicazione dei materiali ceramici, i cuscinetti ceramici sono diventati una tecnologia fondamentale indispensabile.