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Cuscinetti in zirconio vs Cuscinetti in nitruro di silicio, quale?
Con il continuo progresso e sviluppo della scienza e della tecnologia in questa fase, molte apparecchiature come macchine utensili ad alta velocità e strumenti di prova di precisione hanno requisiti sempre più elevati per l'ambiente di lavoro e il lavoro. Le persone richiedono inoltre che queste apparecchiature meccaniche abbiano prestazioni diverse come alta velocità, alta precisione e alta affidabilità. Per soddisfare le esigenze di sviluppo di molti settori come macchinari di alta precisione, industria petrolchimica, aerospaziale, militare e di difesa nazionale, le parti meccaniche devono avere una buona resistenza al calore, resistenza alla corrosione, basse proprietà magnetiche, ecc. e devono anche essere in grado per sopportare una pressione maggiore. . Essendo uno dei componenti chiave, i cuscinetti volventi hanno requisiti di prestazioni più elevati.
Tuttavia, i tradizionali cuscinetti metallici non sono più in grado di soddisfare gli attuali requisiti di funzionamento stabile a lungo termine in condizioni di lavoro estremamente difficili. Rispetto ai cuscinetti tradizionali, cuscinetti ceramici hanno eccellenti proprietà complete come lunga durata, elevata precisione e rigidità complessiva, elevata velocità di rotazione, buona stabilità termica, isolamento e proprietà non magnetiche. Sono adatti per l'uso ad alte temperature, alte velocità, alta precisione, forte corrosione e forti campi magnetici. Ha prospettive di applicazione molto ampie in condizioni di lavoro come e senza lubrificazione. Esistono diversi tipi di cuscinetti in ceramica disponibili in commercio, i quali offrono molti vantaggi rispetto agli elementi dei cuscinetti tradizionali. Le ceramiche tipiche comunemente utilizzate come materiali dei cuscinetti sono il nitruro di silicio (Si3N4) e l'ossido di zirconio (ZrO2). Questo blog spiegherà in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi dei cuscinetti ceramici in nitruro di silicio (Si3N4) e ossido di zirconio (ZrO2) e fornirà suggerimenti costruttivi per scegliere un cuscinetto adatto.
Il nitruro di silicio è un materiale molto duro ma anche molto leggero. Ha un'eccellente resistenza all'acqua, all'acqua salata e a una varietà di acidi e alcali. Presenta inoltre un intervallo di temperature operative molto ampio ed è adatto per l'uso in applicazioni ad alto vuoto. La durezza estremamente elevata dei cuscinetti in nitruro di silicio significa anche una maggiore fragilità, quindi l'impatto o il carico d'urto dovrebbero essere ridotti al minimo per evitare il rischio di rotture. I cuscinetti in ceramica di nitruro di silicio sono neri. Generalmente, gli anelli e le sfere interni ed esterni sono realizzati in nitruro di silicio e la gabbia è in PTFE o nylon. In questa combinazione, la resistenza alla temperatura non supera i 240 gradi (perché anche il PTFE è un tipo di nylon, quindi il prodotto Se contiene questo materiale, la resistenza alla temperatura non supererà i 240 gradi.
Cuscinetti in nitruro di silicio sono stati utilizzati come tipo di cuscinetto principale per una varietà di applicazioni aerospaziali. Vale la pena notare che le navette spaziali della NASA furono originariamente costruite utilizzando cuscinetti in acciaio nelle pompe delle turbine, il che si rivelò non essere la cosa giusta quando le navette spaziali, e in particolare i loro motori, sperimentarono carichi e temperature enormi. A causa di questi carichi estremi, gli ingegneri della NASA hanno aggiornato i cuscinetti con cuscinetti in nitruro di silicio per la loro superiorità negli ambienti sotto vuoto. Sorprendentemente, secondo l’analisi della NASA, i cuscinetti Si3N4 offrono un miglioramento del 40% nel tempo di funzionamento rispetto ai cuscinetti in acciaio.
Vantaggi dei cuscinetti in nitruro di silicio
Esplora i vantaggi, le applicazioni e le considerazioni chiave sui cuscinetti ceramici in nitruro di silicio (Si3N4). I cuscinetti in nitruro di silicio si stanno rapidamente facendo strada in vari settori grazie alla loro combinazione unica di robustezza, proprietà di leggerezza e resistenza ambientale.
Caratteristiche leggere: I cuscinetti in ceramica Si3N4 sono circa il 40% più leggeri dei cuscinetti in acciaio. La significativa riduzione del peso significa minore inerzia e minore energia richiesta per l'accelerazione e la decelerazione meccanica, aumentando l'efficienza nelle applicazioni ad alta velocità.
Eccezionale durezza e resistenza all'usura: Il nitruro di silicio è noto per la sua durezza estremamente elevata, superiore a quella della maggior parte dei metalli. Questa durezza aiuta a migliorare la resistenza all'usura, prolungando così la durata dei cuscinetti anche in condizioni operative severe.
Basso coefficiente di attrito: La finitura superficiale liscia dei cuscinetti in ceramica Si3N4 combinata con la composizione del materiale si traduce in un coefficiente di attrito molto basso. Questo basso attrito riduce al minimo la generazione di calore e la perdita di energia, aumentando così l'efficienza complessiva dell'apparecchiatura.
Capacità ad alta temperatura: I cuscinetti in ceramica Si3N4 mantengono le loro proprietà meccaniche ad alte temperature dove i materiali tradizionali possono degradarsi. Ciò li rende adatti per applicazioni che comportano temperature operative elevate, estendendo la loro utilizzabilità in ambienti inadatti ai cuscinetti metallici.
Corrosione e resistenza chimica: Il nitruro di silicio è intrinsecamente resistente a un'ampia gamma di sostanze corrosive, tra cui acqua, acqua salata e molti acidi e alcali. Questa resistenza ne garantisce l'affidabilità in ambienti corrosivi come i processi chimici o le applicazioni marine.
Proprietà di isolamento elettrico: I cuscinetti in ceramica al nitruro di silicio sono elettricamente isolanti. Questa proprietà è fondamentale nelle applicazioni elettriche ed elettroniche, poiché l'isolamento è essenziale per prevenire la corrosione galvanica e i relativi danni.
Compatibilità con ambienti ad alto vuoto: I cuscinetti in nitruro di silicio possono funzionare efficacemente in ambienti ad alto vuoto senza il rischio di degassamento, un problema comune con alcuni materiali sotto vuoto.
Dilatazione termica ridotta: Il nitruro di silicio ha un tasso di espansione termica inferiore, garantendo stabilità dimensionale in un intervallo di temperature e riducendo gli spazi che possono influire sulla precisione.
Non magnetico: Le proprietà non magnetiche del nitruro di silicio lo rendono adatto per applicazioni in cui è necessario evitare interferenze magnetiche, come alcuni dispositivi medici o elettronici.
Potenziale per il funzionamento senza lubrificazione: Grazie alle loro caratteristiche intrinseche, i cuscinetti ceramici in nitruro di silicio possono funzionare senza lubrificazione in determinate applicazioni, riducendo le esigenze di manutenzione ed eliminando
Svantaggi dei cuscinetti in nitruro di silicio
Costoso: A causa del complicato processo di preparazione, il prezzo è relativamente alto.
Sensibile agli urti: I cuscinetti in nitruro di silicio sono soggetti a danni da impatto rispetto ai cuscinetti in zirconio.
Gabbia per cuscinetti in nitruro di silicio
I cuscinetti in ceramica Si3N4 sono disponibili in una gamma di opzioni di gabbia, ciascuna adattata a requisiti specifici:
Gabbia in PEEK: note per la loro elevata robustezza e resistenza chimica, le gabbie in PEEK sono ideali per una varietà di ambienti difficili.
Gabbie in PTFE: queste gabbie hanno un'eccellente inerzia chimica e un basso attrito, che le rendono ideali per applicazioni che richiedono una resistenza minima.
Gabbia in acciaio inossidabile 316: ideale per applicazioni che richiedono robustezza e moderata resistenza al calore e alla corrosione.
Capacità di carico migliorata: i cuscinetti in ceramica al nitruro di silicio a pieno riempimento sono dotati di sfere aggiuntive e senza gabbia, che hanno una capacità di carico superiore di circa il 20% rispetto ai cuscinetti con gabbia.
Considerazioni sulla velocità: Tuttavia, a causa del maggior numero di elementi volventi e del conseguente attrito, la velocità operativa massima di questi cuscinetti è inferiore del 70% rispetto a cuscinetti comparabili con gabbie.
| caratteristica | Cuscinetti in ceramica di zirconio | Cuscinetti in ceramica al nitruro di silicio | Cuscinetti in ceramica al carburo di silicio |
Durezza del materiale | Alta | molto alto | estremamente alto |
Peso | più leggero dell'acciaio | Di. 40% più leggero dell'acciaio | più leggero dell'acciaio |
Coefficiente di attrito | da basso a medio | molto basso | Basso |
Massima resistenza alla temperatura | fino a 400 ° C | fino a 1200 ° C | fino a 1600 ° C |
Resistenza alla corrosione | molto bene | Ottimo | Ottime prestazioni in ambienti acidi e salini |
isolamento elettrico | Alta | Alta | Cambiare |
dilatazione termica | alleviare | Basso | Basso |
Resistenza agli urti/Resistenza agli urti | Buone | Buone | Alta |
Per massimizzare la durata e le prestazioni dei cuscinetti in nitruro di silicio, si consiglia il funzionamento al di sotto del carico massimo e della velocità nominale. Questo approccio è particolarmente importante perché sono fragili rispetto ai materiali meno duri.
Applicazione di cuscinetti in nitruro di silicio
I cuscinetti ceramici Si3N4 sono ampiamente utilizzati in vari settori grazie alle loro caratteristiche uniche. Le principali applicazioni includono:
Applicazioni marine: La loro resistenza all'immersione completa e permanente li rende ideali per le applicazioni marine.
Ambiente ad alto vuoto: Le proprietà del materiale del nitruro di silicio sono vantaggiose per le applicazioni ad alto vuoto.
Applicazioni di precisione: Il basso attrito e l'elevata capacità di carico lo rendono adatto a macchinari di precisione.
Veicoli elettrici: Nel settore dei veicoli elettrici, la loro leggerezza e le proprietà di isolamento elettrico aumentano l'efficienza e l'affidabilità del motore.
Cuscinetti in ceramica di zirconio sono bianchi. Generalmente, gli anelli e le sfere interni ed esterni sono realizzati in zirconia e la gabbia è in PTFE (ovvero Teflon). Questa combinazione può resistere a temperature fino a 240 gradi Celsius, ma se la resistenza alla temperatura deve superare i 240 gradi Celsius fino ai 400 gradi Celsius, la sfera deve essere riempita con zirconia (ovvero, la gabbia non viene utilizzata e l'intera sfera viene fatto di zirconio), quindi può resistere a temperature di circa 400 gradi.
I cuscinetti in zirconio sono principalmente cuscinetti in ceramica realizzati con zirconio (ZrO2) come materia prima principale. Ha un'eccezionale elevata tenacità, elevata resistenza alla flessione ed elevata resistenza all'usura, che lo rendono eccellente in molti campi. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica della ceramica all'ossido di zirconio è vicino a quello dei metalli, consentendone una perfetta combinazione con i metalli. Un'altra caratteristica importante dei cuscinetti in zirconio sono le sue proprietà di isolamento termico, che gli consentono di funzionare in ambienti ad alta temperatura e di resistere a rapidi cambiamenti di temperatura. I cuscinetti in ceramica realizzati in ZrO2 o biossido di zirconio sono un materiale ceramico resistente con proprietà di espansione molto simili all'acciaio, ma sono più leggeri del 30%. Questo è un vantaggio quando si considera l'adattamento dell'albero e dell'alloggiamento in applicazioni ad alta temperatura, dove l'espansione del cuscinetto può significare che l'albero non si adatta più. Anche se vengono spesso definiti cuscinetti ZrO2, in realtà sono realizzati in ZrO2 stabilizzato con ittrio, che conferisce al materiale maggiore robustezza e resistenza alla frattura a temperatura ambiente. Sono anche estremamente impermeabili, il che significa che vengono spesso utilizzati in applicazioni marine, in particolare dove le apparecchiature sono completamente immerse o dove i tradizionali cuscinetti in acciaio non possono sopportare il carico o la velocità.
Cuscinetti a sfere in ceramica di zirconio VS cuscinetti a sfere in ceramica di nitruro di silicio
I cuscinetti in ceramica di zirconio (ZrO2) e i cuscinetti in ceramica di nitruro di silicio (Si3N4) sono entrambi tipi di cuscinetti in ceramica. Sono solitamente ampiamente utilizzati nel campo dell'industria dei macchinari di alta precisione o nel campo dei materiali abrasivi. Le principali differenze tra i cuscinetti a sfere in ceramica di zirconio e i cuscinetti a sfere in ceramica di nitruro di silicio sono:
Colore
Oltre l'80% delle sfere in ceramica di zirconio sono principalmente bianche e le sfere in ceramica di zirconio bianche sono il loro vero colore. Ma a volte si vede che le sfere di ceramica appaiono di colore giallo chiaro o grigio, perché il materiale di zirconio contiene una piccola quantità di impurità. Le sfere in ceramica di zirconio presentano i vantaggi di elevata tenacità, elevata resistenza alla flessione e resistenza all'usura, eccellenti proprietà di isolamento termico e un coefficiente di dilatazione termica vicino a quello delle sfere di acciaio. Le sfere in ceramica di nitruro di silicio sono principalmente nerofumo. Sono estremamente resistenti alle alte temperature e la loro resistenza può essere mantenuta fino a 1,200 gradi senza diminuire. Sono uno dei materiali più duri al mondo.
Confronto delle prestazioni fisiche
In termini di proprietà fisiche, le sfere in ceramica di zirconio hanno un'eccellente resistenza all'usura e alla corrosione, mentre anche le sfere in ceramica di nitruro di silicio hanno prestazioni altrettanto eccellenti. Allo stesso tempo, le sfere in ceramica di nitruro di silicio funzionano bene anche in termini di precisione di lavorazione. Pertanto, nei campi di applicazione dell'industria dei macchinari di alta precisione, come i cuscinetti ultraprecisi, oltre all'uso diffuso di sfere in acciaio, anche le sfere in ceramica hanno iniziato a diventare popolari nei cuscinetti di precisione. Perché le sfere in ceramica hanno caratteristiche anticorrosione e antiruggine rispetto alle sfere in acciaio per cuscinetti e la precisione di lavorazione è persino superiore a quella delle sfere in acciaio.
Allo stesso tempo, può svolgere il ruolo di resistenza alle alte temperature in ambienti ad alta temperatura. Pertanto, le sfere in ceramica compaiono nei cuscinetti e in altri settori dei macchinari di ultraprecisione, come binari di guida, accessori di scorrimento lineare, ecc., e hanno la tendenza a sostituire le sfere in acciaio.
Le proprietà del materiale | Cuscinetto in zirconio | Cuscinetto in nitruro di silicio |
Densità (kg·m-3) | 5900 | 3250 |
Modulo di elasticità (GPa) | 205 | 310 |
Resistenza alla compressione (MPa) | 2000 | > 3500 |
Modulo di rottura (MPa) | 600-900 | 700-1000 |
Durezza Vickers (GPa) | 10-13 | 14-18 |
Tenacità (MPa·m1/2) | 8-12 | 5-8 |
Coefficiente di dilatazione termica (K-3·10-6) | 12 | 3.4 |
Calore specifico (J·kg-1·K-1) | 400 | 800 |
Limite superiore della temperatura di utilizzo (℃) | 750 | 1050 |
Resistenza all'impatto | medie | Alta |
Modalità di guasto per fatica da contatto volvente | Sbucciare | Sbucciare |
Dal tavolo, possiamo sapere che la densità del nitruro di silicio è il 55.09% di quella della ceramica di zirconio. I cuscinetti in ceramica realizzati in nitruro di silicio sono leggeri e possono essere utilizzati in dispositivi medici, elettrodomestici, motori di apparecchiature aerospaziali e alberi motore di auto da corsa. Allo stesso tempo, a causa della sua bassa densità, quando il nitruro di silicio viene utilizzato come elemento volvente, la forza centrifuga generata dal corpo rotante quando il cuscinetto ruota viene ridotta, il che favorisce la rotazione ad alta velocità. Ciò ne consente l'utilizzo nei motori a turbina a gas, nei mandrini delle macchine utensili e nella separazione centrifuga. attrezzature e altri campi.
Anche il modulo elastico e la resistenza alla compressione del nitruro di silicio sono superiori a quelli dell'ossido di zirconio, il che è vantaggioso per la capacità del cuscinetto di resistere alle sollecitazioni; il coefficiente di dilatazione termica del nitruro di silicio è inferiore a quello dell'ossido di zirconio, il che è vantaggioso per ridurre la risposta del cuscinetto alla temperatura. La variazione della sensibilità amplia la gamma di velocità operativa del cuscinetto; La resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione e l'eccellente stabilità chimica del nitruro di silicio consentono l'utilizzo della ceramica al nitruro di silicio a temperature più elevate e in luoghi in cui non è possibile utilizzare l'ossido di zirconio come l'idrossido di sodio solfato. Scene acido-base forti.
Sebbene le ceramiche al nitruro di silicio abbiano le caratteristiche di forte adattabilità e prestazioni superiori, il costo dei cuscinetti ceramici al nitruro di silicio è relativamente elevato. Rispetto ad altri materiali ceramici (nitruro di silicio, ecc.), il processo di preparazione dei materiali in zirconio è relativamente semplice, il costo del corpo verde è basso ed è facile da commercializzare. Pertanto, i cuscinetti in ceramica di zirconio possono essere utilizzati in applicazioni che hanno requisiti di prestazioni relativamente bassi e requisiti di basso costo. Scena inferiore. Allo stesso tempo, la tenacità della zirconia è superiore a quella del nitruro di silicio, il che è vantaggioso per l'uso stabile dei cuscinetti.
Ne vale la pena il costo aggiuntivo?
I cuscinetti interamente in ceramica sono generalmente più rotondi, più lisci e più duri dell'acciaio, con un'eccellente resistenza alla corrosione e al calore, maggiore stabilità dimensionale e minore densità. Tuttavia, ciò ha un costo. I cuscinetti in ceramica sono molto costosi rispetto ai cuscinetti in acciaio. Allora, quando vale la pena investire in cuscinetti ceramici?
Le applicazioni di alto valore, come le apparecchiature di laboratorio, hanno requisiti precisi che devono essere soddisfatti ogni volta che l'applicazione viene utilizzata. L'utilizzo di componenti sbagliati in tali apparecchiature può contaminare le condizioni di ricerca o causare l'interruzione totale dello studio. Questo è lo stesso delle apparecchiature mediche, dove le proprietà non contaminanti e non magnetiche dei cuscinetti in ceramica sono fondamentali.
Prendiamo la risonanza magnetica (MRI), una tecnica di imaging principalmente associata agli scanner MRI ospedalieri. La tecnologia utilizza forti campi magnetici per generare immagini bidimensionali o tridimensionali di qualsiasi oggetto vivente. I cuscinetti standard in acciaio non possono essere utilizzati in questi scanner a causa del magnetismo, quindi i cuscinetti in ceramica sono la scelta migliore per queste applicazioni di alto valore.
Allo stesso modo, mentre i produttori di circuiti integrati si sforzano di rendere i loro chip più veloci, più piccoli e più economici, le aziende produttrici di apparecchiature per la produzione di semiconduttori fanno affidamento su componenti ceramici avanzati per ottenere le prestazioni richieste. I cuscinetti realizzati in nitruro di silicio anziché in ossido di alluminio standard (ossido di alluminio) forniscono isolamento elettrico e buona resistenza alla corrosione.
Nei moderni settori industriali, i cuscinetti sono ampiamente utilizzati e i cuscinetti in zirconio e in nitruro di silicio, in quanto due cuscinetti ceramici ad alte prestazioni, sono diventati la prima scelta in molte situazioni ad alta richiesta grazie alle loro proprietà fisiche e chimiche uniche. Allora qual è la differenza tra i due e come dovremmo scegliere?
Il nitruro di silicio ha una resistività e una costante dielettrica simili a quelle dell'ossido di alluminio, ma grazie alla sua microstruttura il materiale è molto più resistente. I cuscinetti interamente in ceramica possono adattarsi alle numerose condizioni difficili presenti nella fase di produzione dei semiconduttori; dalle temperature dei forni che si avvicinano ai 1400 gradi Celsius, alla qualità dell'aria delle camere bianche di Classe 1. All’improvviso, il costo aggiuntivo è chiaramente giustificato.
In generale, i cuscinetti in zirconio e i cuscinetti in nitruro di silicio presentano ciascuno i propri vantaggi e svantaggi. Durante la scelta è necessario considerare le effettive esigenze e le condizioni applicative per selezionare il materiale più adatto. Ad esempio, i cuscinetti in zirconio sono una buona scelta per applicazioni che richiedono elevata resistenza all’usura e isolamento termico; mentre i cuscinetti in nitruro di silicio sono adatti per applicazioni che richiedono elevata robustezza e resistenza alla corrosione.
Cuscinetti in ceramica integrale o in ceramica ibrida?
Quando la maggior parte delle persone pensa a cuscinetti ceramici, di solito si riferiscono a versioni ibride. I cuscinetti ibridi si trovano a metà strada tra ceramica e acciaio e in genere includono piste o anelli in acciaio inossidabile e sfere in ceramica. Gli anelli interno ed esterno in acciaio dei cuscinetti ibridi possono essere lavorati con tolleranze molto strette, il che significa che sono più adatti per applicazioni quali motori elettrici, apparecchiature di laboratorio e macchine utensili.
Ad esempio, su una smerigliatrice, l'attrito può essere ridotto aggiungendo cuscinetti ibridi ceramici e un grasso lubrificante sintetico, aumentando così i giri al minuto (RPM) del 25%. Un mandrino portamola con ceramica ibrida può funzionare senza problemi per 4,000 ore, mentre un mandrino portamola con cuscinetti in acciaio può funzionare per 3,000 ore. I cuscinetti ibridi riducono inoltre le temperature di quasi il 50%. Nei centri di lavoro orizzontali, è stato dimostrato che il passaggio dai cuscinetti convenzionali a quelli ibridi riduce la temperatura dei cuscinetti da 60 gradi Celsius a 36 gradi Celsius a 12,000 giri/min.
È possibile ottenere velocità più elevate utilizzando combinazioni di cuscinetti ibride rispetto a quelle complete cuscinetti ceramici perché gli anelli metallici meno fragili sono meno soggetti a guasti improvvisi e catastrofici ad alte velocità o sotto carico. Detto questo, la resistenza alla corrosione dei cuscinetti ibridi impallidisce rispetto a quella dei cuscinetti interamente in ceramica. Specificare i cuscinetti giusti per ambienti estremi è sempre stato un problema complesso. Ma proprio come l’ossido di zirconio ha chiarito le origini della vita, porsi queste tre domande aiuterà il processo decisionale.