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ジルコニアベアリングと窒化ケイ素ベアリング、どっち?
科学技術の継続的な進歩と発展に伴い、高速工作機械や精密検査装置などの多くの機器の作業環境や作業に対する要求はますます高まっています。また、これらの機械装置には高速、高精度、高信頼性などさまざまな性能が求められます。高精度機械、石油化学産業、航空宇宙、軍事、国防などのさまざまな分野の開発ニーズを満たすために、機械部品には耐熱性、耐食性、低磁性などが求められ、また、優れた性能が求められます。より大きな圧力に耐えるために。 。重要なコンポーネントの 1 つである転がり軸受には、より高い性能要件が求められます。
しかし、従来の金属軸受は、非常に過酷な使用条件下での長期安定動作に対する現在の要件を満たすことができなくなりました。従来のベアリングと比較して、 セラミックベアリング 長寿命、高い全体精度と剛性、高い回転速度、優れた熱安定性、絶縁性、非磁性などの優れた総合特性を備えています。高温、高速、高精度、強い腐食、強い磁場での使用に適しています。無潤滑などの作業条件下で非常に幅広い用途が期待できます。市販されているセラミック ベアリングのタイプはいくつかあり、そのすべてが従来のベアリング要素に比べて多くの利点を備えています。軸受材料として一般的に使用される代表的なセラミックスは、窒化ケイ素 (Si3N4) と酸化ジルコニウム (ZrO2) です。このブログでは、窒化ケイ素 (Si3N4) および酸化ジルコニウム (ZrO2) セラミック ベアリングの長所と短所を詳細に説明し、適切なベアリングを選択するための建設的な提案を提供します。
窒化ケイ素は非常に硬いですが、非常に軽い材料でもあります。水、塩水、各種酸、アルカリに対して優れた耐性を持っています。また、動作温度範囲が非常に広く、高真空用途での使用に適しています。窒化ケイ素ベアリングは硬度が非常に高いため、脆性も大きくなります。そのため、亀裂のリスクを避けるために、衝撃や衝撃荷重を最小限に抑える必要があります。窒化ケイ素セラミックベアリングは黒色です。一般的に内輪、外輪、玉は窒化珪素製、保持器はPTFEやナイロン製です。この組み合わせでは、耐熱温度は 240 度を超えません (PTFE 自体もナイロンの一種であるため、製品にこの材料が含まれている場合、耐熱温度は 240 度を超えません)。
窒化ケイ素ベアリング さまざまな航空宇宙用途の主要なベアリング タイプとして使用されています。 NASAのスペースシャトルはもともとタービンポンプに鋼製ベアリングを使用して製造されていたが、スペースシャトル、特にそのエンジンが膨大な負荷と温度にさらされたときに、これが正しいことではないことが判明したことは注目に値する。このような極端な負荷のため、NASA の技術者は、真空環境での優位性を理由に、ベアリングを窒化ケイ素ベアリングにアップグレードしました。印象的なことに、NASA の分析によれば、Si3N4 ベアリングはスチール製ベアリングと比較して動作時間が 40% 改善されています。
窒化ケイ素ベアリングの利点
窒化ケイ素 (Si3N4) セラミック ベアリングの利点、用途、重要な考慮事項を調べてください。窒化ケイ素ベアリングは、強度、軽量特性、耐環境性のユニークな組み合わせにより、さまざまな産業に急速に浸透しています。
軽量特性: Si3N4 セラミックベアリングはスチールベアリングより約 40% 軽量です。重量が大幅に軽減されることにより、慣性が低下し、機械的な加速と減速に必要なエネルギーが減少し、高速アプリケーションでの効率が向上します。
優れた硬度と耐摩耗性: 窒化ケイ素は、ほとんどの金属の硬度を上回る、非常に高い硬度で知られています。この硬度により耐摩耗性が向上し、過酷な使用条件下でもベアリングの寿命が延びます。
低い摩擦係数: Si3N4 セラミックベアリングの滑らかな表面仕上げとその材料組成により、摩擦係数が非常に低くなります。この低摩擦により、発熱とエネルギー損失が最小限に抑えられ、装置の全体的な効率が向上します。
高温対応能力: Si3N4 セラミックベアリングは、従来の材料が劣化する可能性がある高温でも機械的特性を維持します。これにより、高い動作温度を伴う用途に適しており、金属軸受には適さない環境でも使用可能性が広がります。
耐食性および耐薬品性: 窒化ケイ素は本質的に、水、塩水、多くの酸やアルカリを含む幅広い腐食性物質に対して耐性があります。この耐性により、化学処理や海洋用途などの腐食環境における信頼性が保証されます。
電気絶縁性：窒化ケイ素セラミックベアリングは電気絶縁性を持っています。絶縁は電気腐食やそれに関連する損傷を防ぐために不可欠であるため、この特性は電気および電子アプリケーションでは非常に重要です。
高真空環境への適合性: 窒化ケイ素ベアリングは、真空下で特定の材料によく見られる問題であるガス放出のリスクがなく、高真空環境でも効果的に動作します。
熱膨張の低減: 窒化ケイ素は熱膨張率が低いため、さまざまな温度範囲で寸法安定性が得られ、精度に影響を与える可能性のあるギャップが減少します。
非磁性: 窒化ケイ素の非磁性特性により、特定の医療機器や電子機器など、磁気干渉を避けなければならない用途に適しています。
無潤滑運転の可能性: 窒化ケイ素セラミックベアリングは、その固有の特性により、特定の用途では無潤滑で動作できるため、メンテナンスの必要性が軽減され、メンテナンスの手間が省けます。
窒化ケイ素ベアリングの欠点
高価な: 製造工程が複雑なため、価格は比較的高くなります。
衝撃に敏感：窒化ケイ素ベアリングはジルコニアベアリングに比べ衝撃損傷を受けやすいです。
窒化ケイ素軸受保持器
Si3N4 セラミック ベアリングは、特定の要件に合わせてカスタマイズされたさまざまなケージ オプションで利用できます。
PEEK ケージ: 高い強度と耐薬品性で知られる PEEK ケージは、さまざまな過酷な環境に最適です。
PTFE ケージ: これらのケージは優れた化学的不活性性と低摩擦を備えており、最小限の抵抗を必要とする用途に最適です。
316 ステンレス鋼製ケージ: 強度と適度な耐熱性および耐腐食性が必要な用途に最適です。
強化された負荷容量: 総補足型窒化ケイ素セラミックベアリングは追加のボールを備え、ケージなしで、ケージベアリングよりも約 20% 高い負荷容量を備えています。
速度に関する考慮事項: ただし、回転要素の数が増加し、その結果として生じる摩擦により、これらのベアリングの最大動作速度は、同等のケージ付きベアリングよりも 70% 低くなります。
| 機能 | ジルコニアセラミックベアリング | 窒化ケイ素セラミックベアリング | 炭化ケイ素セラミックベアリング |
素材硬度 | ハイ | すごく高い | すごく高い |
重量 | 鋼鉄より軽い | について。スチールより40%軽い | 鋼鉄より軽い |
摩擦係数 | 低から中 | 非常に低い | 低いです |
最高の耐熱性 | 400°Cまで | 1200°Cまで | 1600°Cまで |
耐食性 | とても良い | 素晴らしい | 酸性および塩分環境で優れた性能を発揮 |
電気絶縁 | ハイ | ハイ | を変える、 |
熱膨張 | 緩和する | 低いです | 低いです |
耐衝撃性/耐衝撃性 | グッド | グッド | ハイ |
窒化ケイ素ベアリングの寿命と性能を最大限に高めるには、最大負荷と定格速度以下で動作させることをお勧めします。これらは硬度の低い材料に比べて脆いため、このアプローチは特に重要です。
窒化ケイ素ベアリングの適用
Si3N4 セラミックベアリングは、その独特の特性によりさまざまな業界で広く使用されています。主な用途は次のとおりです。
船舶: 完全かつ永久的な浸水に対する耐性があるため、海洋用途に最適です。
高真空環境: 窒化ケイ素の材料特性は、高真空用途に有益です。
精密アプリケーション：低摩擦で耐荷重性が高いため、精密機械に適しています。
電気自動車: 電気自動車業界では、その軽量性と電気絶縁特性によりモーターの効率と信頼性が向上します。
ジルコニアセラミックベアリング 白いです。一般的に内輪、外輪、玉はジルコニア製で、保持器はPTFE（つまりテフロン）製です。この組み合わせは摂氏 240 度までの温度に耐えることができますが、摂氏 240 度から摂氏 400 度を超える耐熱性が必要な場合は、ボールをジルコニアで充填する必要があります (つまり、ケージは使用せず、ボール全体をジルコニアで満たす必要があります)。ジルコニア製）なので約400度の温度にも耐えられます。
ジルコニアベアリングは主にジルコニア（ZrO2）を主原料としたセラミックベアリングです。優れた高靭性、高曲げ強度、耐摩耗性を有し、様々な分野で優れた性能を発揮します。また、ジルコニアセラミックスの熱膨張係数は金属の熱膨張係数に近いため、金属との相性が抜群です。ジルコニア ベアリングのもう 2 つの重要な特徴は、高温環境で動作し、急激な温度変化に耐えられる断熱特性です。 ZrO30 または二酸化ジルコニウムで作られたセラミック ベアリングは、鋼と非常に似た膨張特性を持つ丈夫なセラミック材料ですが、2% 軽量です。これは、ベアリングの膨張によりシャフトが適合しなくなる可能性がある高温用途でシャフトとハウジングの適合を考慮する場合に有利です。これらはしばしば ZrO2 ベアリングと呼ばれますが、実際にはイットリア安定化 ZrOXNUMX から作られており、室温での材料の強度と耐破壊性が向上します。また、防水性も非常に高いため、海洋用途、特に機器が完全に水没する場所や、従来のスチール製ベアリングでは負荷や速度に対応できない場所でよく使用されます。
ジルコニアセラミックボールベアリングVS窒化ケイ素セラミックボールベアリング
ジルコニアセラミックベアリング（ZrO2）と窒化ケイ素セラミックベアリング（Si3N4）は、どちらもセラミックベアリングの一種です。通常、精密機械産業や研磨材の分野で広く使用されています。ジルコニアセラミックボールベアリングと窒化ケイ素セラミックボールベアリングの主な違いは次のとおりです。
色圏
ジルコニア セラミック ボールの 80% 以上は主に白色であり、白いジルコニア セラミック ボールが本来の色です。ただし、ジルコニア素材には少量の不純物が含まれているため、セラミック ボールが淡黄色または灰色に見える場合があります。ジルコニアセラミックボールは、靭性が高く、曲げ強度や耐摩耗性が高く、断熱性に優れ、熱膨張係数が鋼球に近いという利点があります。窒化ケイ素セラミックボールは主にカーボンブラックです。高温に対する耐性が非常に高く、1,200度まで強度が低下することなく維持されます。それらは世界で最も硬い材料の一つです。
物理的性能の比較
物理的特性の点では、ジルコニアセラミックボールは耐摩耗性、耐食性に優れており、窒化ケイ素セラミックボールも同様に優れた性能を持っています。同時に、窒化ケイ素セラミックボールは加工精度の点でも優れています。このため、超精密軸受などの精密機械産業の応用分野では、鋼球の普及に加えて、精密軸受としてセラミック球も普及し始めています。セラミックボールはベアリング鋼球に比べて耐食性、防錆性に優れており、加工精度も鋼球よりも高いためです。
同時に、高温環境において高温耐性の役割を果たすことができます。そのため、セラミックボールはベアリングをはじめ、ガイドレールや直線摺動部品などの超精密機械分野で登場し、鋼球に取って代わられる傾向にあります。
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材料特性 | ジルコニアベアリング | 窒化ケイ素ベアリング |
密度(kg・m-3) | 5900 | 3250 |
弾性係数（GPa） | 205 | 310 |
圧縮強度（MPa） | 2000 | > 3500 |
破壊係数(MPa) | 600-900 | 700-1000 |
ビッカース硬さ(GPa) | 10-13 | 14-18 |
靭性(MPa・m1/2) | 8-12 | 5-8 |
熱膨張係数（K-3・10-6） | 12 | 3.4 |
比熱(J・kg-1・K-1) | 400 | 800 |
使用温度上限(℃) | 750 | 1050 |
耐衝撃性 | ミディアム | ハイ |
転がり接触疲労破壊モード | 剥がす | 剥がす |
テーブルから, 窒化ケイ素の密度はジルコニアセラミックスの密度の55.09%であることがわかります。窒化ケイ素から作られたセラミックベアリングは軽量であるため、医療機器、家電製品、航空宇宙機器のエンジン、レーシングカーのクランクシャフトなどに使用されています。同時に、窒化珪素を転動体として使用すると、密度が低いため、軸受回転時に回転体に発生する遠心力が小さくなり、高速回転が可能になります。これにより、ガスタービンエンジン、工作機械の主軸、遠心分離などに使用できるようになります。機器やその他の分野。
窒化ケイ素の弾性率と圧縮強度も酸化ジルコニウムよりも高いため、ベアリングの応力耐性に有利です。窒化ケイ素の熱膨張係数は酸化ジルコニウムの熱膨張係数より小さいため、温度に対するベアリングの応答を低減するのに有利です。感度の変化により、ベアリングの動作速度範囲が広がります。窒化ケイ素セラミックスの高温耐性、耐食性、優れた化学的安定性により、窒化ケイ素セラミックスは高温下や水酸化硫酸ナトリウムなどの酸化ジルコニウムが使用できない場所で使用できます。強い酸塩基のシーン。
窒化ケイ素セラミックスは高い適応性と優れた性能という特徴を持っていますが、窒化ケイ素セラミック軸受のコストは比較的高価です。他のセラミック材料（窒化ケイ素など）と比較して、ジルコニア材料は製造プロセスが比較的単純であり、成形体のコストが低く、市場に出しやすい。したがって、ジルコニアセラミックベアリングは、比較的低い性能要件と低コスト要件を持つ用途に使用できます。下のシーン。同時に、ジルコニアは窒化ケイ素よりも靱性が高いため、軸受の安定した使用に有利です。
追加コストに見合う価値はありますか?
オールセラミックベアリングは一般にスチールよりも丸く、滑らかで硬く、優れた耐食性と耐熱性、より高い寸法安定性、より低い密度を備えています。ただし、これにはコストがかかります。セラミックベアリングはスチールベアリングよりもはるかに高価です。では、セラミックベアリングに投資する価値があるのはどのような場合でしょうか?
実験室機器などの高価値アプリケーションには、アプリケーションを使用するたびに満たす必要のある厳密な要件があります。このような機器に間違ったコンポーネントを使用すると、研究条件が汚染されたり、研究が完全に停止したりする可能性があります。これは、セラミックベアリングの汚染のない非磁性特性が重要である医療機器でも同様です。
主に病院の MRI スキャナーに関連するイメージング技術である磁気共鳴画像法 (MRI) を考えてみましょう。この技術は強力な磁場を使用して、あらゆる生命体の 2 次元または 3 次元の画像を生成します。標準のスチール ベアリングは磁性のためこれらのスキャナでは使用できないため、これらの高価値アプリケーションにはセラミック ベアリングが最適です。
同様に、集積回路メーカーがチップの高速化、小型化、低価格化に努めるにつれ、半導体製造装置会社は必要な性能を達成するために高度なセラミック部品に依存するようになりました。標準の酸化アルミニウム (酸化アルミニウム) の代わりに窒化ケイ素で作られたベアリングは、電気絶縁性と良好な耐食性を提供します。
現代の産業分野では、ベアリングは広く使用されており、ジルコニアベアリングと窒化ケイ素ベアリングの 2 つの高性能セラミックベアリングは、その独特の物理的および化学的特性により、多くの需要の高い状況での最初の選択肢となっています。では、この 2 つの違いは何で、どのように選択すればよいのでしょうか?
窒化ケイ素は酸化アルミニウムと同様の抵抗率と誘電率を持っていますが、その微細構造により、この材料ははるかに強力です。オールセラミックベアリングは、半導体製造段階に存在する多くの困難な条件に対応できます。摂氏 1400 度に近いオーブン温度からクラス 1 クリーン ルームの空気品質まで。突然、追加コストが明らかに正当化されるようになりました。
一般に、ジルコニアベアリングと窒化ケイ素ベアリングにはそれぞれ長所と短所があります。選択する際には、実際のニーズと使用条件を考慮して、最適な材料を選択する必要があります。たとえば、ジルコニアベアリングは、高い耐摩耗性と断熱性が必要な用途に適しています。一方、窒化ケイ素ベアリングは、高い強度と耐食性が必要な用途に適しています。
フルセラミックベアリングとハイブリッドセラミックベアリング?
ほとんどの人が考えるとき セラミックベアリング、通常はハイブリッド バージョンを指します。ハイブリッド ベアリングはセラミックとスチールの中間に位置し、通常はステンレススチールのレースまたはリングとセラミック ボールが含まれます。ハイブリッド ベアリングのスチール製の内輪と外輪は、非常に厳しい公差で機械加工できるため、電気モーター、実験装置、工作機械などの用途に最適です。
たとえば、グラインダーでは、セラミックハイブリッドベアリングと合成グリース潤滑剤を追加することで摩擦を低減でき、それにより毎分回転数 (RPM) が 25% 増加します。ハイブリッド セラミックを備えた研削スピンドルは問題なく 4,000 時間稼働できますが、スチール ベアリングを備えた研削スピンドルは 3,000 時間稼働できます。ハイブリッド ベアリングにより、温度も 50% 近く低下します。横型マシニング センターでは、従来のベアリングからハイブリッド ベアリングに切り替えると、60 RPM でベアリングの温度が 36 ℃ から 12,000 ℃ に低下することが示されています。
ハイブリッドベアリングの組み合わせを使用すると、完全にベアリングを使用するよりも高速を達成できます。 セラミックベアリング 脆くない金属リングは、高速時や負荷がかかったときに突然壊滅的な破損を起こす可能性が低いためです。とはいえ、ハイブリッドベアリングの耐食性はフルセラミックベアリングに比べて劣ります。極限環境に適したベアリングを指定することは、常に複雑な問題でした。しかし、ジルコニアが生命の起源を明らかにしたのと同じように、これら 3 つの質問をすることは、意思決定のプロセスに役立ちます。