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Vale a pena investir em rolamentos totalmente cerâmicos?
Os rolamentos totalmente cerâmicos são resistentes ao desgaste, à corrosão e possuem alta velocidade. Eles também não são magnéticos, têm baixos coeficientes de atrito, são antielétricos, resistentes à corrosão, mais leves, mais suaves e mais duros. Eles têm sido amplamente utilizados em ambientes extremamente agressivos ou condições especiais de trabalho, como aeroespacial, petroquímica e equipamentos eletrônicos. Os rolamentos totalmente cerâmicos são um tipo de rolamento cujos anéis e elementos rolantes são feitos de materiais cerâmicos, como óxido de zircônio (ZrO2), nitreto de silício (Si3N4) e carboneto de silício (Sic); existem muitos tipos de retentores e os materiais de fabricação comuns incluem politetrafluoroetileno, náilon 66, polieterimida, óxido de zircônio, nitreto de silício, aço inoxidável ou alumínio especial para aviação. Este blog apresentará em detalhes as vantagens, tipos e comparações com rolamentos de aço de rolamentos totalmente cerâmicos, bem como uma exploração abrangente sobre se Full rolamentos de cerâmica vale a pena investir.
Os rolamentos totalmente cerâmicos têm muitas vantagens sobre os rolamentos metálicos tradicionais, incluindo desempenho em alta velocidade, baixo atrito, resistência à corrosão e durabilidade. Eles são amplamente utilizados em ambientes agressivos, desde máquinas de alta velocidade até equipamentos de processamento químico e fornos de alta temperatura.
①. Evitar a corrosão atual
Quando o motor está funcionando, a diferença de potencial entre as duas extremidades do eixo ou entre os eixos é chamada de tensão do eixo, e a corrente resultante do eixo pode causar danos à pista e aos elementos rolantes e envelhecimento do lubrificante. Os rolamentos totalmente cerâmicos podem impedir a passagem de corrente e têm uma capacidade de isolamento durável do que os rolamentos revestidos de cerâmica. Em aplicações de geradores de turbinas eólicas, rolamentos totalmente cerâmicos são frequentemente especificados.
②. Alta velocidade
A densidade dos elementos rolantes de nitreto de silício é 60% menor do que a dos elementos rolantes de aço do mesmo tamanho. Peso mais leve e inércia resultam em desempenho de velocidade mais alta, o que torna excelente a capacidade do rolamento de iniciar e parar rapidamente. Além disso, os rolamentos totalmente cerâmicos possuem propriedades autolubrificantes isentas de óleo e um baixo coeficiente de atrito, de modo que os rolamentos de esferas cerâmicos têm uma velocidade muito alta.
③. Vida longa
O calor gerado pelo atrito em rolamentos totalmente cerâmicos é baixo, principalmente em altas velocidades, o que ajuda a prolongar a vida útil dos rolamentos e prolongar o intervalo de relubrificação, o que pode reduzir significativamente as perdas por tempo de inatividade e os custos de manutenção causados pela manutenção dos rolamentos.
④. Alta dureza e alta tenacidade
Os elementos rolantes cerâmicos possuem maior dureza e excelente tenacidade. A combinação dessas duas características pode obter melhor rugosidade superficial, evitar danos causados por partículas duras externas e impactos, além de ter forte resistência ao desgaste.
⑤. Maior rigidez
A rigidez do rolamento refere-se ao grau de deformação elástica do rolamento sob carga. A rigidez afeta vários aspectos da vibração, ruído, vida útil e precisão da rotação do rolamento, e é um importante parâmetro de desempenho na análise de rolamentos. A dureza dos rolamentos totalmente cerâmicos é 1 vez maior que a dos rolamentos de aço e o módulo de elasticidade é cerca de 1/3 maior.
⑥. Resistência a altas temperaturas
Os elementos rolantes cerâmicos têm um coeficiente de expansão térmica mais baixo. Um pequeno coeficiente de expansão térmica ajuda a reduzir a sensibilidade às mudanças de temperatura, evitando assim o emperramento. Em ambientes de alta temperatura, os rolamentos totalmente cerâmicos podem funcionar de forma confiável a 800-1000°C sem expansão causada por diferenças de temperatura.
Tipos de rolamentos totalmente cerâmicos
Os rolamentos totalmente cerâmicos ZrO2 têm excelente resistência a altas e baixas temperaturas, alta pressão, corrosão, isolamento magnético e autolubrificação. Eles podem operar em ambientes especiais. Os rolamentos cerâmicos de zircônia (ZrO2) sem retentor podem ser usados em ambientes de até 400°C.
Os rolamentos totalmente cerâmicos Si3N4 possuem todas as propriedades dos rolamentos totalmente cerâmicos ZrO2, além de benefícios adicionais, como serem leves, altamente resistentes ao desgaste e com alta dureza. Em comparação com os rolamentos totalmente cerâmicos ZrO2, os rolamentos totalmente cerâmicos Si3N4 são adequados para aplicações de alta velocidade e alta carga e podem suportar temperaturas mais altas. Eles oferecem boa resistência a altas temperaturas, resistência à oxidação mecânica, capacidade de carga em altas temperaturas e resistência a gases corrosivos. Os rolamentos cerâmicos Si3N4 sem retentor podem operar em ambientes de até 1100 ℃.
Os rolamentos totalmente cerâmicos de carboneto de silício (SiC) oferecem maior resistência à corrosão química, melhor resistência, maior dureza e maior resistência ao desgaste em comparação com outros materiais cerâmicos. Eles também têm propriedades de baixo atrito e são adequados para as temperaturas mais altas. Os rolamentos cerâmicos SiC sem retentor podem ser usados em ambientes de até 1400°C.
Rolamentos cerâmicos Al2O3
Os rolamentos cerâmicos de alumina (Al2O3) usam cerâmica de alumina com teor de 99% de alumina. Os corpos rolantes também são feitos de cerâmica de alumina. Os rolamentos cerâmicos Al2O3 sem retentor podem operar em ambientes de até 1400 ℃.
Rolamentos cerâmicos completos de esferas de complemento completo
Os rolamentos totalmente cerâmicos de esferas com complemento total possuem um entalhe em um lado, permitindo que as esferas cerâmicas sejam carregadas em comparação com as estruturas padrão devido à ausência de uma gaiola. Isso aumenta sua capacidade de carga e evita as limitações dos materiais da gaiola, alcançando a resistência à corrosão e a resistência à temperatura dos rolamentos totalmente cerâmicos da gaiola cerâmica. Esses rolamentos não são adequados para altas velocidades e durante a instalação o entalhe deve ser posicionado no lado que não suporta carga axial.
Desafios dos rolamentos totalmente cerâmicos
O processo de produção de rolamentos cerâmicos envolve múltiplos processos, incluindo preparação de matéria-prima, moldagem, sinterização e acabamento, e cada processo tem um impacto importante no desempenho do produto final. A complexidade do processo de produção não só aumenta o custo de produção, mas também impõe maiores exigências ao controle do processo de produção.
Alto custo.
O custo de produção dos materiais cerâmicos é relativamente alto, principalmente devido às caras matérias-primas dos materiais cerâmicos e ao complexo processo de produção. O processo de preparação de materiais cerâmicos de alto desempenho, como óxido de zircônio (ZrO2), nitreto de silício (Si3N4) e carboneto de silício (SiC), requer sinterização em alta temperatura e usinagem de precisão, que não só consomem tempo e energia, mas também também exigem equipamentos caros e suporte técnico. Portanto, o alto custo dos rolamentos cerâmicos tornou-se um grande obstáculo à sua promoção e aplicação.
Difícil de fabricar
Os materiais cerâmicos apresentam alta dureza e baixa tenacidade, o que os torna difíceis de processar. A tecnologia tradicional de processamento de metal muitas vezes não funciona no processamento de materiais cerâmicos, que estão sujeitos a danos materiais ou erros de processamento. Além disso, a fragilidade dos materiais cerâmicos facilita a quebra e a fragmentação durante o processamento, aumentando a complexidade e o risco do processamento.
Devido à fratura frágil
Embora os rolamentos cerâmicos tenham excelente resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e propriedades de baixo atrito, a fragilidade e a resistência ao impacto dos materiais cerâmicos são fracas em alguns ambientes extremos, o que limita sua faixa de aplicação. Por exemplo, em ambientes de alto impacto e alta vibração, os rolamentos cerâmicos podem falhar devido à fratura frágil.
Os rolamentos totalmente cerâmicos tornaram-se um componente-chave indispensável na indústria moderna com seu excelente desempenho e amplas perspectivas de aplicação. Embora o seu investimento inicial seja elevado, a sua longa vida útil e o baixo custo de manutenção tornam-nos económicos na utilização a longo prazo. Especialmente em ambientes agressivos, como alta temperatura, alta pressão e corrosividade, as vantagens dos rolamentos totalmente cerâmicos são óbvias.
Excelente desempenho
Tomando como exemplo os rolamentos totalmente cerâmicos de nitreto de silício, a cerâmica de nitreto de silício é uma cerâmica estrutural com excelente desempenho abrangente e muitas propriedades exclusivas, que os tornam amplamente utilizados na tecnologia moderna. A cerâmica de nitreto de silício possui resistência mecânica e dureza extremamente altas, comparáveis ao corindo, e é autolubrificante e resistente ao desgaste. À temperatura ambiente, sua resistência à flexão pode chegar a 980MPa, o que é comparável ao aço-liga. mais importante ainda, a sua resistência não diminuirá mesmo a uma temperatura elevada de 1200°C. A cerâmica de nitreto de silício possui excelente estabilidade térmica, pequeno coeficiente de expansão térmica e excelente condutividade térmica, portanto possui boa resistência ao choque térmico. Mesmo o choque térmico da temperatura ambiente até 1000 ℃ não causará rachaduras.
| Propriedades típicas | Al2O3 | ZrO2 | Si3N4 | SiC | Aço de rolamento |
|---|---|---|---|---|---|
| Densidade (kg/m^3) | 3250 | 3100 | 3900 | 3200 | 7800 |
| Módulo Elástico (GPa) | 310 | 210 | 320 | 420 | 210 |
| Resistência à compressão (MPa) | > 3500 | 2000-2500 | 2000-2700 | 2000 | - |
| Resistência à flexão (MPa) | 700-1000 | 500-900 | 500-900 | 300-600 | 1000 |
| Resistência à fratura (MPa·m^1/2) | 3-5 | 8-12 | 6-10 | 3-5 | 16-20 |
| Dureza (GPa) | 14-18 | 10-13 | 18-20 | 24-28 | 8 |
| Coeficiente de Expansão Térmica (10^-6/K) | 4-8 | 10-12 | 2-4 | 3-5 | 12 |
| Condutividade Térmica (W·m^-1·K^-1) | 20 | 2 | 30 | 100 | 30 |
| Calor Específico (J·kg^-1·K^-1) | 800 | 500-700 | 800 | 880 | 450 |
| Temperatura máxima de operação (℃) | 1050 | 500-800 | 1250 | 1250 | 400-600 |
| Resistência à Oxidação | Alta | Médio | Alta | Muito alto | Muito alto |
| Modo de falha | Fratura frágil | Fratura frágil | Fratura frágil | Fratura frágil | Fratura Dúctil |
Esta tabela fornece uma visão geral comparativa das principais propriedades da cerâmica industrial (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC) e do aço para rolamentos, destacando suas diferenças em densidade, resistência mecânica, propriedades térmicas e modos de falha.
As cerâmicas de nitreto de silício têm excelente estabilidade química e podem resistir à corrosão de quase todos os ácidos inorgânicos (exceto ácido fluorídrico) e soluções de soda cáustica com concentração inferior a 30%. Ao mesmo tempo, eles também apresentam boa tolerância à corrosão de muitas substâncias orgânicas. mais importante ainda, eles não molham uma variedade de soluções de metais não ferrosos, especialmente alumínio líquido, e podem suportar forte radiação. A cerâmica de nitreto de silício possui baixa densidade e baixa gravidade específica, apenas 2/5 do aço, e possui bom isolamento elétrico.
Autolubrificante
Os mancais totalmente cerâmicos podem funcionar corretamente sem o uso de lubrificantes, portanto a aplicação em bombas criogênicas permite aos pesquisadores evitar a influência das alterações na viscosidade do lubrificante no funcionamento normal dos mancais. Os rolamentos criogênicos são usados principalmente em vários tipos de bombas de líquidos, como bombas de gás natural liquefeito, bombas de nitrogênio líquido (hidrogênio, oxigênio), bombas de butano, etc. os rolamentos tornaram-se uma parte indispensável destes dispositivos devido ao seu excelente desempenho e adaptabilidade. Os rolamentos cerâmicos também têm sido amplamente utilizados em equipamentos como bombas de líquidos para foguetes e mísseis e naves espaciais. Esses dispositivos precisam operar em ambientes extremamente agressivos, e os rolamentos cerâmicos possuem excelente resistência à corrosão e capacidade de adaptação a ambientes de alta e baixa temperatura, tornando-os a escolha ideal para esses dispositivos.
Caso de Aplicação - RM
A ressonância magnética (MRI) é uma tecnologia de imagem amplamente utilizada em pesquisas médicas e científicas. É frequentemente associado a scanners de ressonância magnética em hospitais, que utilizam fortes campos magnéticos para gerar imagens bidimensionais e tridimensionais do corpo humano ou de outros objetos vivos. Nos scanners de ressonância magnética, todos os equipamentos utilizados devem ser não magnéticos para evitar interferência na imagem. Portanto, os rolamentos de aço tradicionais não são adequados neste cenário porque o seu magnetismo pode afetar a qualidade da imagem. Os rolamentos cerâmicos não magnéticos são muito adequados para uso em scanners de ressonância magnética. A vantagem dos rolamentos cerâmicos é que eles são altamente não magnéticos e, portanto, não causam qualquer interferência nos exames de ressonância magnética. Além disso, os rolamentos cerâmicos também possuem excelente resistência à corrosão e alta dureza, o que pode manter um desempenho estável em ambientes agressivos.
Caso de Aplicação - Sala Limpa
Uma sala limpa é um ambiente extremamente próximo da ausência de poeira, proporcionando aos pesquisadores condições livres de poluição para preparar e medir pequenos instrumentos, equipamentos ou materiais. No entanto, a capacidade de manter este ambiente livre de poeira é frequentemente desafiada, especialmente porque o lubrificante nos rolamentos de aço padrão é gradualmente liberado no meio ambiente. Este fenômeno pode prejudicar o controle de limpeza da sala limpa. Rolamentos totalmente cerâmicos fornecem uma solução. Como podem operar sem lubrificantes, os rolamentos cerâmicos quase não produzem atrito durante a operação e a superfície pode ficar muito lisa, conseguindo assim uma operação sem lubrificante. Além disso, diferentemente dos rolamentos de aço inoxidável, os rolamentos totalmente cerâmicos não geram acúmulo de calor dentro do rolamento, portanto, não é necessária lubrificação para ajudar a dissipar o calor.
O uso de rolamentos cerâmicos isentos de lubrificante pode eliminar completamente o problema de liberação de gases causado pelos rolamentos de aço, mantendo assim o controle de limpeza da sala limpa. Os rolamentos totalmente cerâmicos não apenas funcionam suavemente, mas também fornecem desempenho estável e confiável em salas limpas. Portanto, os rolamentos cerâmicos desempenham um papel importante na manutenção da limpeza e na capacidade de controle das salas limpas.
Conclusão
Os rolamentos totalmente cerâmicos têm vantagens como resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e isolamento elétrico, mas também enfrentam os desafios de custos muito mais elevados do que os rolamentos de aço e capacidade de carga relativamente baixa. Para aplicações especiais, como ambientes de alta temperatura, alta pressão, corrosão, precisão, limpeza e outros ambientes de trabalho, vale a pena investir em rolamentos totalmente cerâmicos.