Siga-me no:
O guia definitivo para materiais cerâmicos para rolamentos
Os materiais cerâmicos são amplamente utilizados em muitos campos devido às suas propriedades únicas, como alta resistência, alta dureza, resistência ao desgaste e estabilidade a altas temperaturas. Por exemplo, estudos mostraram que rolamentos totalmente cerâmicos tem melhor desempenho na água do que qualquer aço inoxidável. Os materiais cerâmicos comumente usados para rolamentos incluem nitreto de silício (Si3N4), óxido de zircônio (ZrO2), óxido de alumínio (Al2O3) ou carboneto de silício (SiC). Os melhores materiais cerâmicos para ambientes poluídos por água são o nitreto de silício e o óxido de zircônio, que têm vida útil 70 vezes maior que os rolamentos de aço inoxidável. Este blog tem como objetivo explorar a classificação e especificações de materiais cerâmicos para rolamentos, rolamento cerâmico processos de fabricação e fornecer sugestões construtivas para sua compreensão abrangente dos rolamentos cerâmicos.
O principal componente da cerâmica de alumina é o Al2O3, que geralmente contém mais de 45%. A cerâmica de alumina tem várias propriedades excelentes, como resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, alta resistência, alta dureza e boas propriedades dielétricas, que são 2 a 3 vezes maiores que as da cerâmica comum. No entanto, a desvantagem das cerâmicas de alumina é que elas são frágeis e não aceitam mudanças bruscas na temperatura ambiente. A alumina pode ser dividida em diferentes séries de acordo com o teor de Al2O3 e os aditivos utilizados. Por exemplo, a alumina pode ser dividida em 75% de alumina, 85% de alumina, 95% de alumina, 99% de alumina, etc.
Material | Alumina | ||||
Imóvel | Unidade | AL997 | AL995 | AL99 | AL95 |
% Alumina | - | 99.70% | 99.50% | 99.00% | 95.00% |
Cor | - | Marfim | Marfim | Marfim | Marfim e Branco |
Permeabilidade | - | hermético | hermético | hermético | hermético |
Densidade | g / cm³ | 3.94 | 3.9 | 3.8 | 3.75 |
Retidão | - | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ | 1 ‰ |
Dureza | Escala de Mohs | 9 | 9 | 9 | 8.8 |
Absorção de água | - | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 | ≤ 0.2 |
Resistência à flexão (típica a 20°C) | MPa | 375 | 370 | 340 | 304 |
Resistência à compressão (típica a 20°C) | MPa | 2300 | 2300 | 2210 | 1910 |
Coeficiente de Expansão Térmica (25°C a 800°C) | 0-6/°C | 7.6 | 7.6 | 7.6 | 7.6 |
Resistência dielétrica (espessura de 5 mm) | CA kV/mm | 10 | 10 | 10 | 10 |
Perda dielétrica (25°C @ 1MHz) | - | <0.0001 | <0.0001 | 0.0006 | 0.0004 |
Constante dielétrica (25°C @ 1MHz) | - | 9.8 | 9.7 | 9.5 | 9.2 |
Resistividade de volume (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 |
Temperatura de trabalho a longo prazo | ° C | 1700 | 1650 | 1600 | 1400 |
Condutividade Térmica (25°C) | W / m · K | 35 | 35 | 34 | 20 |
A alumina é um excelente isolante elétrico que pode resistir a correntes extremamente altas. Sua resistência à eletricidade aumenta com sua pureza. Quanto maior for a pureza da alumina, maior será a sua resistência. É bem sabido que a alumina também possui um ponto de fusão muito alto e forte resistência mecânica. O ponto de fusão dos produtos comuns de Al2O3 é muito alto, a 2072°C. Porém, quando a temperatura ultrapassa 1000 graus Celsius, sua resistência mecânica diminui. Devido à enorme diferença no seu coeficiente de expansão térmica, a sua resistência ao choque térmico é fraca quando exposto a temperaturas muito elevadas.
A excelente estabilidade química da alumina é o principal fator para sua alta resistência à corrosão. A alumina também é ligeiramente solúvel em ácidos fortes (como ácido sulfúrico quente e HCl quente, o HF também tem um certo efeito corrosivo) e soluções alcalinas, mas é insolúvel em água. A alumina pura pode resistir à corrosão química, tornando a alumina pura o principal material de escolha para uma variedade de peças industriais. Os materiais cerâmicos de alumina também têm pressão de vapor e pressão de decomposição muito baixas. Essas propriedades da cerâmica de alumina a tornam uma das cerâmicas mais utilizadas em ambientes estruturais, de desgaste e corrosão.
As cerâmicas de alumina são geralmente feitas de bauxita e podem ser moldadas por moldagem por injeção, moldagem por compressão, prensagem isostática, fundição de barbotina, usinagem de diamante e extrusão. Tal como o nitreto de alumínio, a alumina também pode ser produzida por prensagem a seco e sinterização ou por prensagem a quente com auxiliares de sinterização apropriados. Devido à sua excelente estabilidade química, a cerâmica de alumina é amplamente utilizada em rolamentos, impulsores de bombas resistentes a ácidos, corpos de bombas, revestimentos de tubulações de ácido e válvulas. Devido à sua dureza e resistência ao desgaste extremamente altas, a cerâmica de alumina também é frequentemente usada para fabricar peças têxteis resistentes ao desgaste e ferramentas de corte.
Materiais Cerâmicos – Classificados por Densidade
Zircônia > 99% Alumina > 94% Alumina > 85% Alumina > Nitreto de Alumínio > Carboneto de Silício > Mulita > Macor© > Cordierita
Materiais Cerâmicos – Classificados por Dureza
Carboneto de Silício > 99% Alumina > Zircônia YTZP > Nitreto de Silício > Zircônia TTZ > 94% Alumina > 85% Alumina > Mulita > Cordierita > Macor©
Quando o teor de alumina é superior a 95%, pode ser utilizado como excelente isolante elétrico. Também possui baixa perda dielétrica e é amplamente utilizado nas áreas de eletrônica e eletrodomésticos. Além disso, a alumina transparente tem boa transmitância à luz visível e aos raios infravermelhos e pode ser usada para fazer lâmpadas de sódio de alta pressão e materiais para janelas de detecção infravermelha. Além disso, as cerâmicas de alumina apresentam excelente biocompatibilidade (semelhante às ligas de titânio), alta resistência e alta resistência ao desgaste. Portanto, também são materiais ideais para a preparação de ossos e articulações artificiais.
Zircônia (ZrO2)
A cerâmica de zircônio possui baixa condutividade térmica (isola) e alta resistência. Eles foram usados pela primeira vez em viagens espaciais na década de 1960 para formar uma barreira térmica que permitiu ao ônibus espacial entrar na atmosfera da Terra. Eles também suportam bem altas temperaturas, com temperaturas operacionais para cerâmica de zircônia variando de -85°C a 400°C. No entanto, eles não são tão resistentes ao choque térmico como o nitreto de silício.
A zircônia possui forte resistência à corrosão, o que a torna a escolha perfeita para líquidos altamente corrosivos. As cerâmicas de zircônia possuem uma resistência muito alta ao crescimento de trincas, o que as torna ideais para processos de soldagem e ferramentas de conformação de fios. Também os torna muito adequados para aplicações mecânicas que envolvem risco de fratura. Possuem também uma dilatação térmica muito elevada, com coeficiente de dilatação térmica semelhante ao do aço, o que os torna o material de eleição para união cerâmica e aço. Com base em suas propriedades tribológicas, o óxido de zircônio é muito adequado para movimentos de rolamento, como rolamentos lineares ou rolamentos de esferas (como o fabricante TK linear). Além disso, as cerâmicas de óxido de zircônio e nitreto de silício têm as vantagens de alta compatibilidade com vácuo, não magnética, não condutora, resistência a altas e baixas temperaturas, resistência química, alta rigidez e longa vida útil. O óxido de zircônio e o nitreto de silício podem ser transformados em rolamentos após funcionamento a seco.
Comparado com o óxido de alumínio, o óxido de zircônio possui altas propriedades mecânicas, alta resistência e alta tenacidade. Se a resistência for o único requisito, este material é recomendado. Além disso, o óxido de zircônio (ZrO2) é uma cerâmica conhecida na área da saúde por sua biocompatibilidade, bioinércia, altas propriedades mecânicas e estabilidade química. Na indústria odontológica, as cerâmicas de óxido de zircônio são utilizadas na fabricação de diversos produtos de restauração dentária. Por exemplo, blocos de zircônia opacos ou translúcidos são usados para fazer pontes, coroas e folheados. A zircônia prensada isosticamente a quente é usada para fazer implantes e pilares dentários. Uma das principais vantagens do uso da zircônia para restaurações dentárias é que o acabamento superficial do produto acabado se assemelha muito ao dos dentes naturais. Além disso, as cerâmicas de zircônia são translúcidas e brilhantes, o que as torna adequadas para aplicações onde a aparência é semelhante ao material do dente circundante.
carboneto de silício
A cerâmica de carboneto de silício é composta principalmente de SiC, que é uma cerâmica de alta resistência, alta dureza e alta temperatura. Quando usada em altas temperaturas de 1200°C a 1400°C, a cerâmica de carboneto de silício ainda pode manter uma alta resistência à flexão e pode ser usada para componentes de alta temperatura, como bocais de cauda de foguete, mangas de termopar e tubos de forno. A cerâmica de carboneto de silício também possui boa condutividade térmica, resistência à oxidação, condutividade elétrica e alta resistência ao impacto. É um material cerâmico forte e durável que também possui baixa densidade, baixa taxa de expansão térmica e excelente resistência ao choque térmico, tornando-o adequado para uma variedade de aplicações.
Composição | Carboneto de silício |
Peso molecular | 40.1 |
Aparência | Preto |
Ponto de fusão | 2,730°C (4,946°F) (decomposição) |
Densidade | 3.0 a 3.2 g / cm³ |
Resistividade elétrica | 1 a 4 x 10^5Ω·m |
Porosidade | (0.15 - 0.21) |
Calor específico | 670 a 1180 J/kg·K |
O carboneto de silício é produzido pela combinação química de átomos de carbono e silício. Partículas de carboneto de silício têm sido usadas como abrasivo há muitos anos, mais comumente na forma de lixa. No entanto, essas partículas podem ser unidas por meio de sinterização para formar um material cerâmico altamente durável e com excelentes propriedades mecânicas, o que o torna uma excelente escolha para a fabricação de rolamentos. Devido à sua alta condutividade térmica e elétrica, o carboneto de silício pode ser usado como componente de eliminação de estática.
Cerâmica de nitreto
Cerâmica de nitreto são feitos de nitretos metálicos, como nitreto de silício e nitreto de alumínio. Cerâmica de nitreto de silício (Si3N4) Si3N4 é o principal componente da cerâmica de nitreto de silício, que é uma cerâmica de alta resistência, alta dureza, resistente ao desgaste, resistente à corrosão e autolubrificante. Temperatura alta cerâmica.
Imóvel | Valor |
Cor | Cinza e cinza escuro |
Densidade | 3.2 a 3.25 g / cm³ |
Dureza | HRA 92 a 94 |
Temperatura operacional máxima | 1300 para 1600 ° C |
Condutividade Térmica | 23 a 25 W/(m·K) |
Força Flexural | ≥900 MPa |
Resistência à Fratura | 6 a 8 MPa·m¹/² |
Coeficiente de expansão térmica | 2.95 a 3 x 10⁻⁶ /°C (0 a 1400°C) |
Se você está procurando um material que possa suportar altas temperaturas e condições mecânicas adversas, o carboneto de silício é uma boa escolha, embora esse material seja relativamente caro. Quando se trata de suportar altas temperaturas, o nitreto de silício é superior às soluções metálicas e o Si3N4 tem uma faixa de temperatura operacional de -100°C a 900°C. Além disso, o coeficiente de expansão linear do nitreto de silício é o menor entre todos os tipos de cerâmica. O coeficiente de expansão térmica do nitreto de silício é 3.2 x 10-6/k, enquanto o coeficiente de expansão térmica do carboneto de silício é 3 x 10-6/k. Os coeficientes de expansão térmica do óxido de zircônio e do óxido de alumínio são 10.5 x 10-6/k e 8.5 x 10-6/k respectivamente, mas ambos são muito inferiores aos do aço para rolamentos, que tem um coeficiente de 12.5 x 10-6/k.
Classificação | Óxido de aluminio | Óxido de aluminio | Óxido de aluminio | Óxido de aluminio | Carboneto de silício | Carboneto de silício | Nitreto de silício | Mulita | Óxido de zircônio | Talco |
| KMA995 | KMG995 | KMA96 | KMA96 | KMG96 | KMG96 | Kai170 | Talco | KYCS | - |
Componente principal | 99.7 | 99.6 | 96 | 96 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
Cor | Leitoso | Branco | Branco | Branco | Branco | Preto | Preto | Gray | Branco | Gray |
Densidade aparente (g/cm³) | 3.9 | 3.9 | 3.7 | 3.7 | 6 | 3.1 | 3.2 | 2.7 | 3.5 | 2.7 |
Resistência à flexão (MPa) | 400 | 390 | 320 | 320 | 1000 | 450 | 420 | 200 | 120 | 150 |
Módulo de Young (GPa) | 380 | 370 | 340 | 340 | 410 | 350 | 310 | 210 | 130 | 170 |
Mecânico | Dureza (GPa) | 21 | 20 | 19 | 19 | 24 | 13 | 22 | 13 | 22 |
Razão de Poisson | - | 0.24 | 0.24 | 0.23 | 0.31 | - | - | - | - | - |
Tenacidade à Fratura (MPa·m¹/²) | 4.1 | 4 | 3.5 | 3.5 | 4 | 4.6 | 6 | 2.5 | 4 | 3.2 |
Coeficiente de Expansão Térmica (×10⁻⁶/°C) | 6.4 | 5.8 | 5.7 | 5.7 | 7.7 | 11 | 3.2 | 2.5 | 2.5 | 3.0 |
Térmico | Condutividade Térmica (W/m·K) | 30 | 28 | 21 | 21 | 120 | 80 | 17 | 1.2 | 1.2 |
Calor específico (J/g·K) | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 0.78 | 1.4 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 | 1.2 |
Constante dielétrica (1 MHz) | 10.1 | 10.1 | 9.4 | 9.5 | 11 | 7 | 7 | 8.5 | 8.5 | 6.5 |
Perda dielétrica (×10⁻⁴) | 50 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
Resistividade de volume (Ω·cm) | 10¹⁵ | 10¹⁵ | 10¹⁴ | 10¹⁴ | 10¹² | 10¹² | 10¹² | 10¹³ | 10¹³ | 10¹³ |
Tensão de ruptura (kV/mm) | 10 | 10 | 10 | 10 | 11 | 11 | 11 | 10 | 10 | 10 |
Recursos | Força elevada | Força elevada | Força elevada | Força elevada | Dureza alta | Dureza alta | Alta tenacidade | Alta tenacidade | Baixa condutividade térmica | Baixa condutividade térmica |
| Isolante | Isolante | Isolante | Isolante | Condutor | Condutor | Isolante | Isolante | Leve | Leve |
Uso | Material abrasivo | Material abrasivo | Material abrasivo | Material abrasivo | Material abrasivo | Material abrasivo | Material de vedação | Material de vedação | Isolamento térmico | Isolamento térmico |
| Peças resistentes ao desgaste | Peças resistentes ao desgaste | Peças resistentes ao desgaste | Peças resistentes ao desgaste | Peças de resistência a altas temperaturas | Peças de resistência a altas temperaturas | Peças aeroespaciais | Peças aeroespaciais | Peças de equipamentos semicondutores | Peças de equipamentos semicondutores |
| Peças de alta temperatura | Peças de alta temperatura | Peças de alta temperatura | Peças de alta temperatura | Ferramenta de Peças | Ferramenta de Peças | Peças de eletrodo | Peças de eletrodo | Implantes dentários | Implantes dentários |
| Peças semicondutoras | Peças semicondutoras | Peças semicondutoras | Peças semicondutoras | - |
|
|
|
|
item | Unidade | Si₃N₄ | ZrO₂ | Al₂O₃ (99.5%) | SiC | Aço de rolamento |
Densidade | g / cm³ | 3.23 | 6.05 | 3.92 | 3.12 | 7.85 |
Absorção de água | % | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Coeficiente de Expansão Térmica Linear | 10⁻⁶/k | 3.2 | 10.5 | 8.5 | 3 | 12.5 |
Módulo de elasticidade (Mod. de Young) | GPa | 300 | 210 | 340 | 440 | 208 |
Razão de Poisson | / | 0.26 | 0.3 | 0.22 | 0.17 | 0.3 |
Dureza (Hv) | MPa | 1500 | 1200 | 1650 | 2800 | 700 |
Força Flexural (@RT) | MPa | 720 | 950 | 310 | 390 | 520 (resistência à tração) |
Resistência à Flexão (700°C) | MPa | 450 | 210 | 230 | 380 | / |
Resistência à compressão (@RT) | MPa | 2300 | 2000 | 1800 | 1800 | / |
Resistência à fratura, K₁c | MPa·m¹/² | 6.2 | 10 | 4.2 | 3.9 | 25 |
Condutividade Térmica (@RT) | C/m·k | 25 | 2 | 26 | 120 | 40 |
Resistividade Elétrica (@RT) | Ω·mm²/m | >10¹³ | >10¹⁵ | >10¹⁶ | >10³ | 0.1 1 ~ |
Máx. Usar temperatura (sem carregamento) | ° F | 1050 | 750 | 1500 | 1700 | 1700 |
Resistência à Corrosão | / | Excelente | Excelente | Excelente | Excelente | Pobre |
O nitreto de silício tem uma resistência ao choque térmico de até 600°C, enquanto o carboneto de silício tem uma resistência ao choque térmico de apenas 400°C, indicando que o risco de fratura devido a mudanças de temperatura é mínimo. Em ambientes com grandes mudanças de temperatura, quando a resistência ao choque térmico é uma prioridade, o nitreto de silício e o carboneto de silício são as melhores escolhas. Além disso, o nitreto de silício tem excelente resistência à corrosão e pode resistir à corrosão de vários ácidos, exceto ácido fluorídrico, bem como à corrosão de álcalis e vários metais. Possui excelente isolamento elétrico e resistência à radiação.
Essas propriedades da cerâmica de nitreto de silício a tornam útil como rolamentos de alta temperatura, vedações usadas em meios corrosivos, poços termométricos, ferramentas de corte de metal, etc. Por exemplo, a indústria de rolamentos de esferas tem usado esse material há décadas porque seu desempenho foi comprovado e é frequentemente usado em elementos rolantes de rolamentos cerâmicos, como esferas e rolos. Sua tenacidade mecânica extremamente alta e excelente resistência ao calor, resistência à corrosão e resistência ao desgaste são as razões pelas quais é usado em diversas aplicações de alta carga.
Processo de fabricação de rolamentos cerâmicos
1. Processamento de pó. O processamento de pó cerâmico é muito semelhante ao processamento de pó metálico. O processamento do pó cerâmico envolve a produção do pó por meio da moagem, a fabricação de produtos verdes e a consolidação deles para obter o produto final. O pó é uma coleção de partículas finas. O pó cerâmico pode ser obtido por trituração, moagem, separação de impurezas, mistura e secagem das matérias-primas.
2. Misturar. Os componentes cerâmicos são misturados por meio de diversos procedimentos e máquinas e transformados em pasta com a adição de água ou outros líquidos.
3. Método de moldagem. Existem dois métodos principais comuns de moldagem de rolamentos cerâmicos, nomeadamente moldagem por injeção e moldagem em pó. A moldagem por injeção consiste em misturar pó cerâmico, aglutinante orgânico, agente reológico, pó submícron, etc., e injetá-los no molde para moldagem. A moldagem em pó consiste em comprimir o pó cerâmico em um corpo moldado e depois sinterizá-lo. Esses dois métodos têm suas próprias vantagens e desvantagens e devem ser selecionados de acordo com requisitos específicos de engenharia.
4. Processo de sinterização. Durante o processo de produção de rolamentos cerâmicos, é necessário um tratamento de sinterização para solidificar o corpo moldado em um produto acabado e, ao mesmo tempo, sua dureza e resistência também podem ser melhoradas. O processo de sinterização de rolamentos cerâmicos inclui principalmente sinterização de óxido e sinterização de não óxido. De acordo com o fluxo do processo, a sinterização é realizada primeiro em atmosfera oxidante e, em seguida, a sinterização é realizada em atmosfera não oxidante. Durante todo o processo de sinterização, parâmetros ambientais como temperatura, pressão e atmosfera precisam ser controlados para atingir o efeito desejado.
5. Usinagem de precisão. Os rolamentos cerâmicos sinterizados precisam passar por usinagem de precisão subsequente, incluindo retificação, polimento e outras etapas para garantir sua precisão geométrica e qualidade superficial. Ao mesmo tempo, também é necessária inspeção de qualidade, incluindo a detecção e análise de indicadores como dureza, densidade, desvio dimensional e ruído para garantir que os produtos atendam aos padrões internacionais e aos requisitos do cliente.
Fatores que afetam a qualidade dos rolamentos cerâmicos
A qualidade e a eficiência do processamento de rolamentos cerâmicos são afetadas por muitos fatores, incluindo qualidade do material, método de moldagem, processo de sinterização, tecnologia e equipamentos de usinagem de precisão. Além disso, também é afetado por parâmetros ambientais como temperatura, pressão, velocidade e atmosfera durante o processamento. Tendo em conta estes fatores, os técnicos de processamento precisam selecionar fluxos de processo, equipamentos e ferramentas apropriados para garantir a qualidade do processamento. No atual campo de aplicação de materiais cerâmicos, os rolamentos cerâmicos tornaram-se uma tecnologia central indispensável.