세라믹 베어링 재료에 대한 궁극적인 가이드

세라믹 소재는 고강도, 고경도, 내마모성, 고온 안정성 등 독특한 특성으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 풀 세라믹 베어링 어떤 스테인리스 스틸보다 물 속에서 더 잘 작동합니다. 일반적으로 사용되는 세라믹 베어링 재료에는 질화규소(Si3N4), 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 탄화규소(SiC)가 포함됩니다. 수질 오염 환경에 가장 적합한 세라믹 재료는 질화규소와 산화지르코늄으로, 스테인리스강 베어링보다 수명이 70배 더 깁니다. 본 블로그는 세라믹 베어링 재료의 분류와 규격을 탐구하는 것을 목표로 하며, 세라믹 베어링 제조 공정을 소개하고 세라믹 베어링에 대한 포괄적인 이해를 위한 건설적인 제안을 제공합니다.

차례

알루미나 세라믹(Al2O3)

알루미나 세라믹의 주성분은 Al2O3이며 일반적으로 45% 이상 함유되어 있습니다. 알루미나 세라믹은 일반 세라믹에 비해 내열성, 내식성, 고강도, 고경도, 우수한 유전 특성 등 다양한 우수한 특성을 갖고 있으며 이는 일반 세라믹에 비해 2~3배 높습니다. 그러나 알루미나 세라믹의 단점은 깨지기 쉽고 주변 온도의 급격한 변화를 수용할 수 없다는 것입니다. 알루미나는 Al2O3 함량과 사용된 첨가제에 따라 다양한 시리즈로 나눌 수 있습니다. 예를 들어 알루미나는 75% 알루미나, 85% 알루미나, 95% 알루미나, 99% 알루미나 등으로 나눌 수 있습니다.

자재	알루미나
부동산	단위	AL997	AL995	AL99	AL95
% 알루미나	-	99.70%	99.50%	99.00%	95.00%
색상	-	상아	상아	상아	아이보리와 화이트
침투성	-	기밀	기밀	기밀	기밀
밀도	g / cm³	3.94	3.9	3.8	3.75
직진	-	1 ‰	1 ‰	1 ‰	1 ‰
경도	모스 규모	9	9	9	8.8
물 흡수	-	≤ 0.2	≤ 0.2	≤ 0.2	≤ 0.2
굽힘 강도(20°C에서 일반)	MPa의	375	370	340	304
압축 강도(20°C에서 일반)	MPa의	2300	2300	2210	1910
열팽창 계수(25°C~800°C)	0-6 / ° C	7.6	7.6	7.6	7.6
유전 강도(두께 5mm)	AC kV/mm	10	10	10	10
유전 손실(25°C @ 1MHz)	-	<0.0001	<0.0001	0.0006	0.0004
유전 상수(25°C @ 1MHz)	-	9.8	9.7	9.5	9.2
체적 저항률(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
장기 작동 온도	° C	1700	1650	1600	1400
열전도율(25°C)	W/m·K	35	35	34	20

알루미나는 매우 높은 전류에 저항할 수 있는 우수한 전기 절연체입니다. 순도가 높을수록 전기에 대한 저항이 증가합니다. 알루미나의 순도가 높을수록 저항이 높아집니다. 알루미나는 녹는점이 매우 높고 기계적 강도도 강한 것으로 잘 알려져 있습니다. 일반 Al2O3 제품의 융점은 2072°C로 매우 높습니다. 그러나 온도가 섭씨 1000도를 초과하면 기계적 강도가 감소합니다. 열팽창 계수의 큰 차이로 인해 매우 높은 온도에 노출되면 열충격에 대한 저항력이 약해집니다.

알루미나의 탁월한 화학적 안정성은 높은 내식성의 주요 요인입니다. 알루미나는 또한 강산(예: 뜨거운 황산 및 뜨거운 HCl, HF도 특정 부식 효과가 있음) 및 알칼리성 용액에 약간 용해되지만 물에는 용해되지 않습니다. 순수 알루미나는 화학적 부식에 저항할 수 있으므로 순수 알루미나는 다양한 산업 부품의 주요 재료로 선택됩니다. 알루미나 세라믹 재료는 또한 증기압과 분해압이 매우 낮습니다. 알루미나 세라믹의 이러한 특성으로 인해 구조, 마모 및 부식 환경에서 가장 널리 사용되는 세라믹 중 하나가 되었습니다.

알루미나 세라믹은 일반적으로 보크사이트로 만들어지며 사출 성형, 압축 성형, 등압 성형, 슬립 캐스팅, 다이아몬드 가공 및 압출을 사용하여 성형할 수 있습니다. 질화알루미늄과 마찬가지로 알루미나도 건식 프레싱 및 소결 또는 적절한 소결 보조제를 사용한 핫 프레싱을 통해 생산할 수 있습니다. 우수한 화학적 안정성으로 인해 알루미나 세라믹은 베어링, 내산성 펌프 임펠러, 펌프 본체, 산성 파이프라인 라이닝 및 밸브에 널리 사용됩니다. 매우 높은 경도와 내마모성으로 인해 알루미나 세라믹은 섬유 내마모성 부품 및 절단 도구를 제조하는 데 자주 사용됩니다.

세라믹 재료 – 밀도별로 분류

지르코니아 > 99% 알루미나 > 94% 알루미나 > 85% 알루미나 > 질화알루미늄 > 탄화규소 > 멀라이트 > Macor© > 근청석

세라믹 재료 – 경도에 따라 분류

탄화규소 > 99% 알루미나 > YTZP 지르코니아 > 질화규소 > TTZ 지르코니아 > 94% 알루미나 > 85% 알루미나 > 멀라이트 > 근청석 > Macor©

알루미나 함량이 95% 이상이면 우수한 전기 절연체로 사용할 수 있습니다. 또한 유전손실이 낮아 전자제품, 전기제품 분야에 널리 사용됩니다. 또한, 투명 알루미나는 가시광선과 적외선에 대한 투과율이 좋아 고압 나트륨 램프 및 적외선 감지 창 재료를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 알루미나 세라믹은 생체적합성(티타늄 합금과 유사)이 뛰어나고 강도가 높으며 내마모성이 높습니다. 따라서 인공뼈나 인공관절을 만드는 데에도 이상적인 재료이다.

지르코니아(ZrO2)

지르코늄 세라믹은 열전도율(절연체)이 낮고 강도가 높습니다. 그들은 1960년대 우주 여행에서 우주 왕복선이 지구 대기권으로 진입할 수 있도록 하는 열 장벽을 형성하기 위해 처음으로 사용되었습니다. 또한 -85°C ~ 400°C 범위의 지르코니아 세라믹 작동 온도로 고온을 잘 처리합니다. 그러나 질화규소만큼 열충격에 강하지는 않습니다.

지르코니아는 강한 내식성을 갖고 있어 부식성이 높은 액체에 완벽한 선택입니다. 지르코니아 세라믹은 균열 성장에 대한 저항성이 매우 높기 때문에 용접 공정 및 와이어 성형 도구에 이상적입니다. 또한 파손 위험이 있는 기계적 응용 분야에도 매우 적합합니다. 또한 열팽창 계수가 강철과 유사하여 매우 높은 열팽창률을 가지므로 접합에 적합한 재료입니다. 도자기와 강철. 마찰학적 특성을 기반으로 산화지르코늄은 선형 베어링이나 볼 베어링(예: 제조업체 TK 선형)과 같은 구름 운동에 매우 적합합니다. 또한, 산화지르코늄 및 질화규소 세라믹은 높은 진공 호환성, 비자성, 비전도성, 고온 및 저온 저항성, 내화학성, 높은 강성 및 긴 수명 등의 장점을 가지고 있습니다. 건식 운전 후 산화지르코늄과 질화규소를 베어링으로 만들 수 있습니다.

산화알루미늄에 비해 산화지르코늄은 기계적 성질이 높고 강도가 높으며 인성이 높습니다. 강도가 유일한 요구 사항이라면 이 소재를 권장합니다. 또한, 산화지르코늄(ZrO2)은 생체 적합성, 생체 불활성, 높은 기계적 특성 및 화학적 안정성으로 건강 분야에서 알려진 세라믹입니다. 치과 산업에서는 산화지르코늄 세라믹이 다양한 치아 복원 제품을 제조하는 데 사용됩니다. 예를 들어 불투명하거나 반투명한 지르코니아 블랭크는 브리지, 크라운 및 베니어를 만드는 데 사용됩니다. 열간 등압 압축 지르코니아는 치과용 임플란트와 지대주를 만드는 데 사용됩니다. 치과 수복물에 지르코니아를 사용하는 주요 장점 중 하나는 완성된 제품의 표면 마감이 자연 치아와 매우 유사하다는 것입니다. 또한 지르코니아 세라믹은 반투명하고 광택이 나기 때문에 주변 치아 재료와 외관이 유사한 응용 분야에 적합합니다.

실리콘 카바이드

탄화 규소 세라믹은 주로 고강도, 고경도 고온 세라믹인 SiC로 구성됩니다. 1200℃~1400℃의 고온에서 사용하면 탄화규소 세라믹은 여전히 높은 굽힘 강도를 유지할 수 있으며 로켓 테일 노즐, 열전대 슬리브 및 용광로 튜브와 같은 고온 부품에 사용할 수 있습니다. 탄화 규소 세라믹은 또한 우수한 열 전도성, 내 산화성, 전기 전도성 및 높은 충격 인성을 가지고 있습니다. 강하고 내구성이 뛰어난 세라믹 소재로 밀도가 낮고 열팽창률이 낮으며 내열충격성이 우수하여 다양한 용도에 적합합니다.

조성	탄화 규소
분자 무게	40.1
외관	검정
녹는 점	2,730°C(4,946°F)(분해)
밀도	3.0 ~ 3.2g / cm³
전기 비저항	1~4 x 10^5Ω·m
다공성	0.15 ~ 0.21
비열	670~1180J/kg·K

탄화규소는 탄소와 규소 원자를 화학적으로 결합하여 생성됩니다. 탄화규소 입자는 수년 동안 연마제로 사용되어 왔으며 가장 일반적으로 사포 형태로 사용되었습니다. 그러나 이러한 입자들은 소결을 통해 함께 결합되어 우수한 기계적 특성을 지닌 내구성이 뛰어난 세라믹 소재를 형성할 수 있으므로 베어링 제조에 탁월한 선택입니다. 탄화규소는 열 전도성과 전기 전도성이 높기 때문에 정전기 제거 성분으로 사용할 수 있습니다.

질화물 세라믹

질화물 세라믹 다음과 같은 금속 질화물로 만들어집니다. 질화규소 및 질화알루미늄. 질화규소 세라믹(Si3N4) Si3N4는 질화규소 세라믹의 주성분으로 고강도, 고경도, 내마모성, 내식성, 자기윤활성을 지닌 세라믹입니다. 높은 온도 세라믹.

부동산	가치관
색상	회색과 진한 회색
밀도	3.2 ~ 3.25g / cm³
경도	HRA 92~94
최대 작동 온도	1300 ~ 1600 ° C
열 전도성	23~25W/(m·K)
굽힘 강도	900MPa 이상
파괴 인성	6~8MPa·m²/²
열팽창 계수	2.95 ~ 3 x 10⁻⁶ /°C(0 ~ 1400°C)

고온과 가혹한 기계적 조건을 견딜 수 있는 재료를 찾고 있다면 탄화규소가 좋은 선택이지만 이 재료는 상대적으로 비쌉니다. 고온을 견디는 측면에서 질화규소는 금속 용액보다 우수하며 Si3N4의 작동 온도 범위는 -100°C ~ 900°C입니다. 또한, 질화규소의 선팽창 계수는 모든 종류의 세라믹 중에서 가장 작습니다. 질화규소의 열팽창계수는 3.2 x 10-6/k이고, 탄화규소의 열팽창계수는 3 x 10-6/k입니다. 산화지르코늄과 산화알루미늄의 열팽창계수는 각각 10.5 x 10-6/k와 8.5 x 10-6/k이지만 둘 다 계수가 12.5 x 10-6/k인 베어링강보다 훨씬 낮습니다.

분류	산화 알루미늄	산화 알루미늄	산화 알루미늄	산화 알루미늄	탄화 규소	탄화 규소	실리콘 나이트 라이드	멀 라이트	산화 지르코늄	활석
	KMA995	KMG995	KMA96	KMA96	KMG96	KMG96	카이 170	활석	KYCS	-
주성분	99.7	99.6	96	96	92	92	92	92	92	92
색상	밀키	백	백	백	백	검정	검정	회색	백	회색
부피 밀도(g/cm³)	3.9	3.9	3.7	3.7	6	3.1	3.2	2.7	3.5	2.7
굴곡 강도 (MPa)	400	390	320	320	1000	450	420	200	120	150
영률(GPa)	380	370	340	340	410	350	310	210	130	170
Mechanical	경도 (GPa)	21	20	19	19	24	13	22	13	22
포아송의 비율	-	0.24	0.24	0.23	0.31	-	-	-	-	-
파괴인성(MPa·m²/²)	4.1	4	3.5	3.5	4	4.6	6	2.5	4	3.2
열팽창계수(×10⁻⁶/°C)	6.4	5.8	5.7	5.7	7.7	11	3.2	2.5	2.5	3.0
열의	열전도율(W/m·K)	30	28	21	21	120	80	17	1.2	1.2
비열(J/g·K)	0.78	0.78	0.78	0.78	1.4	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2
유전 상수(1MHz)	10.1	10.1	9.4	9.5	11	7	7	8.5	8.5	6.5
유전손실(×10⁻⁴)	50	50	40	50	50	50	50	50	50	50
체적 저항률(Ω·cm)	10⁵	10⁵	10⁴	10⁴	10²	10²	10²	10²	10²	10²
항복전압(kV/mm)	10	10	10	10	11	11	11	10	10	10
기능	고강도	고강도	고강도	고강도	고경도	고경도	높은 인성	높은 인성	낮은 열전도율	낮은 열전도율
	절연	절연	절연	절연	전도성	전도성	절연	절연	라이트 무게	라이트 무게
사용	연마 재	연마 재	연마 재	연마 재	연마 재	연마 재	밀봉재	밀봉재	단열재	단열재
	내마모성 부품	내마모성 부품	내마모성 부품	내마모성 부품	고온 저항 부품	고온 저항 부품	우주 항공 부품	우주 항공 부품	반도체 장비 부품	반도체 장비 부품
	고온 부품	고온 부품	고온 부품	고온 부품	공구 부품	공구 부품	전극 부품	전극 부품	치과 용 임플란트	치과 용 임플란트
	반도체 부품	반도체 부품	반도체 부품	반도체 부품	-

항목	단위	시₃N₄	ZrO2	Al₂O₃ (99.5%)	SiC	베어링 강
밀도	g / cm³	3.23	6.05	3.92	3.12	7.85
물 흡수	%	0	0	0	0	0
선형 열팽창 계수	10⁻⁶/k	3.2	10.5	8.5	3	12.5
탄성 계수(Young's Mod.)	평점	300	210	340	440	208
포아송의 비율	/	0.26	0.3	0.22	0.17	0.3
경도(Hv)	MPa의	1500	1200	1650	2800	700
굴곡 강도(@ RT)	MPa의	720	950	310	390	520(인장강도)
굴곡강도(700°C)	MPa의	450	210	230	380	/
압축 강도(@ RT)	MPa의	2300	2000	1800	1800	/
파괴 인성, K₁c	MPa·m²/²	6.2	10	4.2	3.9	25
열전도율(@ RT)	W/m·k	25	2	26	120	40
전기 저항률(@ RT)	Ω·mm²/m	>10²	>10⁵	>10¹⁶	>10³	0.1 ~ 1
최대. 사용 온도(부하 없음)	° F	1050	750	1500	1700	1700
부식 저항	/	우수한	우수한	우수한	우수한	가난한

질화규소는 최대 600°C의 열충격 저항성을 갖는 반면, 탄화규소는 400°C에 불과한 열충격 저항성을 갖고 있어 온도 변화로 인한 파손 위험이 최소화됩니다. 온도 변화가 큰 환경에서는 열충격 저항이 최우선 사항인 경우 질화규소와 탄화규소가 최선의 선택입니다. 또한, 질화규소는 내식성이 우수하여 불산을 제외한 각종 산에 대한 부식은 물론, 알칼리 및 각종 금속에 대한 부식에도 견딜 수 있습니다. 전기절연성 및 내방사선성이 우수합니다.

질화 규소 세라믹의 이러한 특성으로 인해 고온 베어링, 부식성 매체에 사용되는 씰, 보호관, 금속 절삭 공구 등에 유용하게 사용됩니다. 예를 들어 볼 베어링 산업에서는 성능이 입증되었고 수십 년 동안 이 재료를 사용해 왔습니다. 볼, 롤러 등 세라믹 베어링의 전동체에 자주 사용됩니다. 매우 높은 기계적 인성과 우수한 내열성, 내식성 및 내마모성은 다양한 고하중 응용 분야에 사용되는 이유입니다.

세라믹 베어링 제조 공정

1. 분말 가공. 세라믹 분말 가공은 금속 분말 가공과 매우 유사합니다. 세라믹 분말 가공은 분쇄하여 분말을 만든 후 녹색 제품을 만든 다음 이를 고화하여 최종 제품을 얻는 과정입니다. 분말은 미세한 입자의 집합체입니다. 세라믹 분말은 원료를 파쇄, 분쇄, 불순물 분리, 혼합, 건조 과정을 거쳐 얻을 수 있습니다.

2. 혼합. 세라믹 성분은 다양한 공정과 기계를 통해 혼합되고, 물이나 기타 액체를 첨가하여 슬러리로 변합니다.

3. 성형방법. 일반적인 세라믹 베어링 성형 방법에는 사출 성형과 분말 성형이라는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 사출성형이란 세라믹 분말, 유기바인더, 유변제, 서브미크론 분말 등을 혼합하여 금형에 주입하여 성형하는 것을 말합니다. 분말성형이란 세라믹 분말을 압축하여 성형체로 만든 후 소성하는 것을 말합니다. 이 두 가지 방법에는 각각의 장점과 단점이 있으므로 특정 엔지니어링 요구 사항에 따라 선택해야 합니다.

4. 소결 공정. 세라믹 베어링의 생산 과정에서 성형체를 완제품으로 응고시키기 위해 소결 처리가 필요하며 동시에 경도와 강도도 향상시킬 수 있습니다. 세라믹 베어링의 소결 공정에는 주로 산화물 소결과 비산화물 소결이 포함됩니다. 공정 흐름에 따르면, 먼저 산화 분위기에서 소결을 수행하고, 그 다음 비산화 분위기에서 소결을 수행한다. 전체 소결 과정에서 원하는 효과를 얻으려면 온도, 압력, 대기와 같은 환경 변수를 제어해야 합니다.

5. 정밀 가공. 소결 세라믹 베어링은 기하학적 정확성과 표면 품질을 보장하기 위해 연삭, 연마 및 기타 단계를 포함한 후속 정밀 가공을 거쳐야 합니다. 동시에 제품이 국제 표준 및 고객 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 경도, 밀도, 치수 편차, 소음 등의 지표를 감지하고 분석하는 등 품질 검사도 필요합니다.

세라믹 베어링의 품질에 영향을 미치는 요인

세라믹 베어링 가공의 품질과 효율성은 재료 품질, 성형 방법, 소결 공정, 정밀 가공 기술 및 장비를 포함한 여러 요소의 영향을 받습니다. 또한 가공 중 온도, 압력, 속도, 분위기 등 환경 변수의 영향도 받습니다. 이러한 요소를 고려하여 가공 기술자는 가공 품질을 보장하기 위해 적절한 공정 흐름, 장비 및 도구를 선택해야 합니다. 현재 세라믹 재료 응용 분야에서 세라믹 베어링은 없어서는 안 될 핵심 기술이 되었습니다.