セラミック軸受材料の究極ガイド

セラミック材料は、高強度、高硬度、耐摩耗性、高温安定性などの独特の特性により、さまざまな分野で広く使用されています。たとえば、研究によると、フルセラミックベアリング水中での使用はステンレス鋼よりも優れています。一般的に使用されるセラミックベアリング材料には、窒化ケイ素（Si3N4）、酸化ジルコニウム（ZrO2）、酸化アルミニウム（Al2O3）、炭化ケイ素（SiC）などがあります。水質汚染環境に最適なセラミック材料は窒化ケイ素と酸化ジルコニウムで、耐用年数はステンレス鋼ベアリングの70倍です。このブログの目的は、セラミックベアリング材料の分類と仕様を調べることです。セラミックベアリング製造プロセスについて説明し、セラミックベアリングを総合的に理解するための建設的な提案を提供します。

アルミナセラミックス(Al2O3)

アルミナセラミックスの主成分はAl2O3で、通常45％以上含まれています。アルミナセラミックスは、耐高温性、耐腐食性、高強度、高硬度、良好な誘電特性など、さまざまな優れた特性を備えており、通常のセラミックスの2〜3倍です。ただし、アルミナセラミックスの欠点は、脆く、周囲温度の急激な変化に対応できないことです。アルミナは、Al2O3含有量と使用される添加剤に応じて、さまざまなシリーズに分けられます。たとえば、アルミナは75％アルミナ、85％アルミナ、95％アルミナ、99％アルミナなどに分けられます。

材料	アルミナ
プロパティ	ユニット	AL997	AL995	AL99	AL95
アルミナ%	–	99.70％	99.50％	99.00％	95.00％
色圏	–	象牙	象牙	象牙	アイボリーとホワイト
透過性	–	気密	気密	気密	気密
密度	g /cm³	3.94	3.9	3.8	3.75
真直度	–	1‰	1‰	1‰	1‰
硬度	モーススケール	9	9	9	8.8
吸水	–	≤0.2	≤0.2	≤0.2	≤0.2
曲げ強度 (20℃における代表値)	メガパスカル	375	370	340	304
圧縮強度 (20°C での代表値)	メガパスカル	2300	2300	2210	1910
熱膨張係数（25℃～800℃）	0-6/℃	7.6	7.6	7.6	7.6
耐電圧（5mm厚）	AC kV/mm	10	10	10	10
誘電損失 (25°C @ 1MHz)	–	<0.0001	<0.0001	0.0006	0.0004
誘電率 (25°C @ 1MHz)	–	9.8	9.7	9.5	9.2
体積抵抗率 (20°C @ 300°C)	Ω・cm3	>10^14 2*10^12	>10^14 2*10^12	>10^14 4*10^11	>10^14 2*10^11
長期使用温度	℃で	1700	1650	1600	1400
熱伝導率（25℃）	W / m・K	35	35	34	20

アルミナは、非常に高い電流に耐えることができる優れた電気絶縁体です。純度が高いほど耐電気性が高くなります。アルミナの純度が高いほど、その抵抗は高くなります。アルミナは融点が非常に高く、機械的強度も強いことがよく知られています。通常のAl2O3製品の融点は2072℃と非常に高いです。ただし、温度が1000℃を超えると機械的強度が低下します。熱膨張係数が大きく異なるため、非常に高温にさらされた場合の熱衝撃に対する耐性が劣ります。

アルミナの優れた化学的安定性が、その高い耐食性の主な要因です。アルミナは、強酸（熱硫酸や熱 HCl など、HF にも一定の腐食作用があります）やアルカリ溶液にはわずかに溶けますが、水には溶けません。純アルミナは化学腐食に耐えることができるため、純アルミナはさまざまな工業用部品に主に選ばれる材料となっています。アルミナセラミック材料は蒸気圧と分解圧力も非常に低いです。アルミナセラミックのこれらの特性により、アルミナセラミックは構造、摩耗、腐食環境において最も広く使用されているセラミックの 1 つとなっています。

アルミナセラミックは通常、ボーキサイトから作られ、射出成形、圧縮成形、静水圧プレス、スリップキャスティング、ダイヤモンド機械加工および押出成形を使用して成形できます。窒化アルミニウムと同様に、アルミナも乾式プレスおよび焼結によって、または適切な焼結助剤を使用したホットプレスによって製造できます。アルミナセラミックは化学的安定性に優れているため、ベアリング、耐酸性ポンプインペラ、ポンプ本体、酸パイプラインのライニング、バルブなどに広く使用されています。アルミナセラミックは非常に高い硬度と耐摩耗性を備えているため、繊維の耐摩耗性部品や切削工具の製造にもよく使用されます。

セラミック材料 – 密度による分類

ジルコニア > 99% アルミナ > 94% アルミナ > 85% アルミナ > 窒化アルミニウム > 炭化ケイ素 > ムライト > Macor© > コーディエライト

セラミック材料 – 硬度による分類

炭化ケイ素 > 99% アルミナ > YTZP ジルコニア > 窒化ケイ素 > TTZ ジルコニア > 94% アルミナ > 85% アルミナ > ムライト > コーディエライト > Macor©

アルミナ含有量が95%を超えると、優れた電気絶縁体として使用できます。誘電損失も低いため、エレクトロニクス、電気機器分野で広く使用されています。また、透明アルミナは可視光線や赤外線の透過率が良く、高圧ナトリウムランプや赤外線検知窓の材料として使用されます。さらに、アルミナセラミックスは、優れた生体適合性（チタン合金と同様）、高強度、高耐摩耗性を備えています。そのため、人工骨や人工関節の作製にも最適な素材です。

ジルコニア(ZrO2)

ジルコニウムセラミックは熱伝導率が低く（断熱性があり）、強度が高いです。これらは、スペースシャトルが地球の大気圏に突入することを可能にする熱障壁を形成するために、1960 年代の宇宙旅行で初めて使用されました。また、ジルコニアセラミックの動作温度は -85°C ～ 400°C の範囲であり、高温にも対応します。ただし、熱衝撃に対する耐性は窒化ケイ素ほど高くありません。

ジルコニアは強い耐食性を備えているため、腐食性の高い液体に最適です。ジルコニアセラミックは亀裂の成長に対する耐性が非常に高いため、溶接プロセスやワイヤ成形ツールに最適です。また、破損の危険性を伴う機械用途にも非常に適しています。また、非常に高い熱膨張率を持ち、熱膨張係数は鋼と同様であるため、接合に最適な材料です。セラミックとスチール。酸化ジルコニウムは、その摩擦学的特性に基づいて、リニアベアリングやボールベアリング (メーカー TK リニアなど) などの転がり運動に非常に適しています。さらに、酸化ジルコニウムおよび窒化ケイ素セラミックスは、高真空適合性、非磁性、非導電性、高温および低温耐性、耐薬品性、高剛性、長寿命という利点を備えています。酸化ジルコニウムや窒化ケイ素は空運転後に軸受にすることができます。

酸化ジルコニウムは、酸化アルミニウムと比較して、機械的特性が高く、強度が高く、靱性が高い。強度だけを重視する場合には、この素材をお勧めします。さらに、酸化ジルコニウム (ZrO2) は、生体適合性、生体不活性性、高い機械的特性、化学的安定性が健康分野で知られているセラミックです。歯科産業では、酸化ジルコニウムセラミックはさまざまな歯科修復製品の製造に使用されています。たとえば、不透明または半透明のジルコニアブランクは、ブリッジ、クラウン、ベニアの製造に使用されます。熱間静水圧プレスされたジルコニアは、歯科インプラントおよびアバットメントの製造に使用されます。歯科修復物にジルコニアを使用する主な利点の XNUMX つは、完成品の表面仕上げが天然の歯によく似ていることです。また、ジルコニアセラミックは半透明で光沢があるため、周囲の歯質と見た目が似ている用途に適しています。

炭化ケイ素

炭化ケイ素セラミックスは、高強度、高硬度の高温セラミックスであるSiCを主成分としています。炭化ケイ素セラミックスは、1200℃～1400℃の高温で使用しても高い曲げ強度を維持できるため、ロケットテールノズル、熱電対スリーブ、炉管などの高温部品に使用できます。炭化ケイ素セラミックは、優れた熱伝導性、耐酸化性、導電性、および高い衝撃靭性も備えています。強度と耐久性に優れ、低密度、低熱膨張率、耐熱衝撃性に優れたセラミックス素材であり、様々な用途に適しています。

構成	シリコンカーバイド
分子量	40.1
外観	ブラック
融点	2,730°C (4,946°F) (分解)
密度	3.0から3.2 g /cm³
電気抵抗率	1～4×10^5Ω・m
気孔	0.15〜0.21
比熱	670～1180 J/kg·K

炭化ケイ素は、炭素原子とケイ素原子を化学的に結合させることによって生成されます。炭化ケイ素粒子は長年にわたり研磨剤として使用されており、最も一般的にはサンドペーパーの形で使用されています。ただし、これらの粒子は焼結によって結合して、優れた機械的特性を備えた耐久性の高いセラミック材料を形成することができるため、ベアリングの製造に最適です。炭化ケイ素は熱伝導性と電気伝導性が高いため、静電気除去部品として使用できます。

窒化物セラミックス

窒化物セラミックスなどの金属窒化物でできています。窒化ケイ素と窒化アルミニウム。窒化ケイ素セラミックス（Si3N4） Si3N4は窒化ケイ素セラミックスの主成分であり、高強度、高硬度、耐摩耗性、耐食性、自己潤滑性を備えています。高温セラミック。

プロパティ	値
色圏	グレーとダークグレー
密度	3.2から3.25 g /cm³
硬度	HRA92～94
最高使用温度	1300から1600°C
熱伝導率	23～25W/(m・K)
曲げ強度	≥900MPa
破壊靭性	6～8MPa・m¹/²
熱膨張係数	2.95～3×10⁻⁶/℃（0～1400℃）

高温や過酷な機械的条件に耐えられる材料をお探しの場合は、炭化ケイ素が良い選択となりますが、この材料は比較的高価です。高温への耐性に関しては、窒化ケイ素は金属溶液よりも優れており、Si3N4 の動作温度範囲は -100°C ～ 900°C です。また、窒化珪素はセラミックスの中で線膨張係数が最も小さい材料です。窒化ケイ素の熱膨張係数は3.2×10-6/k、炭化ケイ素の熱膨張係数は3×10-6/kです。酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの熱膨張係数はそれぞれ 10.5 x 10-6/k と 8.5 x 10-6/k ですが、どちらも係数が 12.5 x 10-6/k である軸受鋼よりもはるかに低くなります。

欠陥種類の識別	酸化アルミニウム	酸化アルミニウム	酸化アルミニウム	酸化アルミニウム	シリコンカーバイド	シリコンカーバイド	窒化ケイ素	ムライト	酸化ジルコニウム	タルク
	KMA995XNUMX	KMG995	KMA96XNUMX	KMA96XNUMX	KMG96	KMG96	Kai170	タルク	KYCS	-
主要コンポーネント	99.7	99.6	96	96	92	92	92	92	92	92
色圏	ミルキー	ホワイト	ホワイト	ホワイト	ホワイト	ブラック	ブラック	グレー	ホワイト	グレー
かさ密度 (g/cm³)	3.9	3.9	3.7	3.7	6	3.1	3.2	2.7	3.5	2.7
曲げ強度（MPa）	400	390	320	320	1000	450	420	200	120	150
ヤング率 (GPa)	380	370	340	340	410	350	310	210	130	170
メカニカル	硬度（GPa）	21	20	19	19	24	13	22	13	22
ポアソン比	–	0.24	0.24	0.23	0.31	–	–	–	–	–
破壊靱性 (MPa・m¹/²)	4.1	4	3.5	3.5	4	4.6	6	2.5	4	3.2
熱膨張係数（×10⁻⁶/℃）	6.4	5.8	5.7	5.7	7.7	11	3.2	2.5	2.5	3.0
サーマル	熱伝導率(W/m・K)	30	28	21	21	120	80	17	1.2	1.2
比熱(J/g・K)	0.78	0.78	0.78	0.78	1.4	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2
誘電率(1MHz)	10.1	10.1	9.4	9.5	11	7	7	8.5	8.5	6.5
誘電損失 (×10⁻⁴)	50	50	40	50	50	50	50	50	50	50
体積抵抗率(Ω・cm)	10¹⁵	10¹⁵	10¹⁴	10¹⁴	10¹²	10¹²	10¹²	10¹XNUMX	10¹XNUMX	10¹XNUMX
耐電圧 (kV/mm)	10	10	10	10	11	11	11	10	10	10
オプション	高強度	高強度	高強度	高強度	高硬度	高硬度	高い靭性	高い靭性	低い熱伝導率	低い熱伝導率
	絶縁	絶縁	絶縁	絶縁	導電性	導電性	絶縁	絶縁	軽量	軽量
あなたが使用します	研磨材	研磨材	研磨材	研磨材	研磨材	研磨材	シーリング材	シーリング材	断熱	断熱
	耐摩耗部品	耐摩耗部品	耐摩耗部品	耐摩耗部品	耐高温部品	耐高温部品	航空宇宙部品	航空宇宙部品	半導体装置部品	半導体装置部品
	高温部品	高温部品	高温部品	高温部品	ツール部品	ツール部品	電極部品	電極部品	歯科インプラント	歯科インプラント
	半導体部品	半導体部品	半導体部品	半導体部品	–

Item	ユニット	Si₃N₄	ZrO₂	Al₂O₃ (99.5%)	SiC	ベアリングスチール
密度	g /cm³	3.23	6.05	3.92	3.12	7.85
吸水	%	0	0	0	0	0
線形熱膨張係数	10⁻⁶/k	3.2	10.5	8.5	3	12.5
弾性係数(ヤング率)	GPa	300	210	340	440	208
ポアソン比	/	0.26	0.3	0.22	0.17	0.3
硬度（Hv）	メガパスカル	1500	1200	1650	2800	700
曲げ強さ(@RT)	メガパスカル	720	950	310	390	520(引張強さ)
曲げ強さ（700℃）	メガパスカル	450	210	230	380	/
圧縮強度(@RT)	メガパスカル	2300	2000	1800	1800	/
破壊靱性、K₁c	MPa・m¹/²	6.2	10	4.2	3.9	25
熱伝導率(@RT)	W/m・k	25	2	26	120	40
電気抵抗率 (@ RT)	Ω・mm²/m	>10¹XNUMX	>10¹⁵	>10¹⁶	>10	0.1〜1
最大。使用温度（無負荷）	°F	1050	750	1500	1700	1700
耐食性	/	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	最低

窒化ケイ素の耐熱衝撃性は 600℃までですが、炭化ケイ素の耐熱衝撃性は 400℃に過ぎず、温度変化による破損のリスクは最小限です。温度変化の大きい環境において、耐熱衝撃性が最優先される場合には、窒化ケイ素および炭化ケイ素が最適な選択肢となります。また、窒化珪素は耐食性に優れており、フッ酸を除く各種の酸による腐食や、アルカリや各種金属による腐食にも耐えることができる。電気絶縁性、耐放射線性に優れています。

窒化ケイ素セラミックのこれらの特性により、窒化ケイ素セラミックは、高温ベアリング、腐食性媒体で使用されるシール、サーモウェル、金属切削工具などとして有用です。たとえば、ボールベアリング業界では、その性能が証明されており、ボールやローラーなどのセラミックベアリングの転動体によく使用されます。機械的靭性が非常に高く、耐熱性、耐食性、耐摩耗性に優れているため、さまざまな高負荷用途に使用されています。

セラミックベアリングの製造工程

1. 粉体処理。セラミック粉末処理は金属粉末処理と非常に似ています。セラミック粉末加工では、粉砕によって粉末を生成し、その後グリーン製品を作成し、それらを固めて最終製品を得ることが含まれます。パウダーとは細かい粒子の集合体です。セラミック粉末は、原料を粉砕、粉砕、不純物を分離、混合、乾燥することにより得られます。

2. 混合。 セラミックの成分はさまざまな手順や機械を経て混合され、水などの液体を加えてスラリー状となります。

3. 成形方法。 セラミックベアリングの一般的な成形方法には、主に射出成形と粉末成形の 2 つがあります。射出成形とは、セラミック粉末、有機バインダー、レオロジー剤、サブミクロン粉末などを混合し、金型に射出して成形することです。粉末成形とは、セラミックの粉末を圧縮して成形体を作り、焼結することです。これら 2 つの方法にはそれぞれ長所と短所があるため、特定のエンジニアリング要件に従って選択する必要があります。

4. 焼結プロセス。 セラミックベアリングの製造工程では、成形体を固化させて完成品とする焼結処理が必要ですが、同時に硬度や強度も向上させることができます。セラミック軸受の焼結工程には、主に酸化物焼結と非酸化物焼結があります。プロセスフローとしては、まず酸化性雰囲気で焼結し、次に非酸化性雰囲気で焼結する。望ましい効果を達成するには、焼結プロセス全体を通じて、温度、圧力、雰囲気などの環境パラメータを制御する必要があります。

5.精密加工。 焼結セラミックベアリングは、幾何学的精度と表面品質を確保するために、研削、研磨、その他の工程を含む精密機械加工を行う必要があります。同時に、製品が国際規格や顧客の要件を満たしていることを確認するために、硬度、密度、寸法偏差、ノイズなどの指標の検出と分析を含む品質検査も必要です。

セラミックベアリングの品質に影響を与える要因

セラミックベアリング加工の品質と効率は、材料の品質、成形方法、焼結プロセス、精密加工技術や設備などの多くの要因に影響されます。さらに、処理中の温度、圧力、速度、雰囲気などの環境パラメータにも影響されます。これらの要因を考慮して、加工技術者は、加工品質を確保するために適切なプロセスフロー、機器、ツールを選択する必要があります。現在のセラミック材料の応用分野において、セラミック軸受は欠かせないコア技術となっています。