Rolamentos de zircônia versus rolamentos de nitreto de silício, qual?

Rolamentos de zircônia versus rolamentos de nitreto de silício, qual?

Com o contínuo avanço e desenvolvimento da ciência e da tecnologia nesta fase, muitos equipamentos, como máquinas-ferramentas de alta velocidade e instrumentos de teste de precisão, têm requisitos cada vez mais elevados para o ambiente de trabalho e de trabalho. As pessoas também exigem que esses equipamentos mecânicos tenham vários desempenhos, como alta velocidade, alta precisão e alta confiabilidade. Para atender às necessidades de desenvolvimento de muitos campos, como máquinas de alta precisão, indústria petroquímica, aeroespacial, militar e defesa nacional, as peças mecânicas devem ter boa resistência ao calor, resistência à corrosão, baixas propriedades magnéticas, etc., e também devem ser capazes para suportar maior pressão. . Como um dos principais componentes, os rolamentos têm requisitos de desempenho mais elevados.

No entanto, os rolamentos metálicos tradicionais não são mais capazes de atender aos requisitos atuais de operação estável a longo prazo sob condições de trabalho extremamente adversas. Comparado com rolamentos tradicionais, rolamentos de cerâmica têm excelentes propriedades abrangentes, como longa vida útil, alta precisão e rigidez geral, alta velocidade de rotação, boa estabilidade térmica, isolamento e propriedades não magnéticas. Eles são adequados para uso em altas temperaturas, altas velocidades, alta precisão, forte corrosão e fortes campos magnéticos. Tem perspectivas de aplicação muito amplas em condições de trabalho como e sem lubrificação. Existem vários tipos de rolamentos cerâmicos disponíveis comercialmente, todos oferecendo muitas vantagens em relação aos elementos de rolamento tradicionais. Cerâmicas típicas comumente usadas como materiais de rolamento são nitreto de silício (Si3N4) e óxido de zircônio (ZrO2). Este blog explicará detalhadamente as vantagens e desvantagens dos rolamentos cerâmicos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de zircônio (ZrO2) e fornecerá sugestões construtivas para você escolher um rolamento adequado.

Rolamentos de zircônia vs rolamentos de nitreto de silício

O que são rolamentos de nitreto de silício?

O nitreto de silício é um material muito duro, mas também muito leve. Possui excelente resistência à água, água salgada e uma variedade de ácidos e álcalis. Ele também possui uma faixa de temperatura operacional muito ampla e é adequado para uso em aplicações de alto vácuo. A dureza extremamente alta dos rolamentos de nitreto de silício também significa maior fragilidade, portanto o impacto ou a carga de impacto devem ser minimizados para evitar o risco de rachaduras. Os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício são pretos. Geralmente, os anéis e esferas internos e externos são feitos de nitreto de silício e a gaiola é feita de PTFE ou náilon. Nessa combinação, a resistência à temperatura não ultrapassa 240 graus (porque o próprio PTFE também é um tipo de náilon, então o produto Se contiver esse material, a resistência à temperatura não ultrapassará 240 graus.

Rolamentos de nitreto de silício têm sido usados ​​como o principal tipo de rolamento para uma variedade de aplicações aeroespaciais. É importante notar que os ônibus espaciais da NASA foram originalmente construídos usando rolamentos de aço nas bombas das turbinas, o que provou não ser a coisa certa quando os ônibus espaciais, e particularmente seus motores, sofreram cargas e temperaturas tremendas. Devido a essas cargas extremas, os engenheiros da NASA atualizaram os rolamentos para rolamentos de nitreto de silício devido à sua superioridade em ambientes de vácuo. Impressionantemente, de acordo com a análise da NASA, os rolamentos Si3N4 oferecem uma melhoria de 40% no tempo de operação em comparação com os rolamentos de aço.

rolamentos de nitreto de silício

Vantagens dos rolamentos de nitreto de silício

Explore os benefícios, as aplicações e as principais considerações dos rolamentos cerâmicos de nitreto de silício (Si3N4). Os rolamentos de nitreto de silício estão rapidamente entrando em vários setores devido à sua combinação única de resistência, propriedades de leveza e resistência ambiental.

  • Características leves: Os rolamentos cerâmicos Si3N4 são cerca de 40% mais leves que os rolamentos de aço. A redução significativa no peso significa menor inércia e menos energia necessária para aceleração e desaceleração mecânica, aumentando a eficiência em aplicações de alta velocidade.

  • Dureza excepcional e resistência ao desgaste: O nitreto de silício é conhecido por sua dureza extremamente alta, excedendo a da maioria dos metais. Essa dureza ajuda a melhorar a resistência ao desgaste, prolongando assim a vida útil do rolamento mesmo sob condições operacionais severas.

  • Baixo coeficiente de atrito: O acabamento superficial liso dos rolamentos cerâmicos Si3N4 combinado com a composição do material resulta em um coeficiente de atrito muito baixo. Este baixo atrito minimiza a geração de calor e a perda de energia, aumentando assim a eficiência geral do equipamento.

  • Capacidade de alta temperatura: Os rolamentos cerâmicos Si3N4 mantêm suas propriedades mecânicas em altas temperaturas, onde os materiais tradicionais podem se degradar. Isso os torna adequados para aplicações que envolvem altas temperaturas de operação, ampliando sua usabilidade em ambientes inadequados para rolamentos metálicos.

  • Corrosão e resistência química: O nitreto de silício é inerentemente resistente a uma ampla gama de substâncias corrosivas, incluindo água, água salgada e muitos ácidos e álcalis. Essa resistência garante sua confiabilidade em ambientes corrosivos, como processamento químico ou aplicações marítimas.

  • Propriedades de isolamento elétrico: Os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício são eletricamente isolantes. Esta propriedade é crítica em aplicações elétricas e eletrônicas, pois o isolamento é essencial para evitar a corrosão galvânica e danos relacionados.

  • Compatibilidade com ambientes de alto vácuo: Os rolamentos de nitreto de silício podem operar com eficiência em ambientes de alto vácuo sem o risco de liberação de gases, um problema comum com certos materiais sob vácuo.

  • Expansão térmica reduzida: O nitreto de silício tem uma taxa mais baixa de expansão térmica, proporcionando estabilidade dimensional em uma faixa de temperaturas e reduzindo lacunas que podem afetar a precisão.

  • Não-magnético: As propriedades não magnéticas do nitreto de silício o tornam adequado para aplicações onde a interferência magnética deve ser evitada, como certos dispositivos médicos ou eletrônicos.

  • Potencial para operação sem lubrificação: Devido às suas características inerentes, os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício podem operar sem lubrificação em determinadas aplicações, reduzindo a necessidade de manutenção e eliminando

Desvantagens dos rolamentos de nitreto de silício

  • Caro: Devido ao seu complicado processo de preparação, o preço é relativamente alto.

  • Sensível ao impacto: Os rolamentos de nitreto de silício são mais suscetíveis a danos por impacto do que os rolamentos de zircônia.

Gaiola de rolamento de nitreto de silício

Os rolamentos cerâmicos Si3N4 estão disponíveis em diversas opções de gaiola, cada uma adaptada a requisitos específicos:

  • Gaiola PEEK: Conhecidas por sua alta resistência e resistência química, as gaiolas PEEK são ideais para uma variedade de ambientes agressivos.

  • Gaiolas de PTFE: Essas gaiolas possuem excelente inércia química e baixo atrito, tornando-as ideais para aplicações que exigem resistência mínima.

  • Gaiola de aço inoxidável 316: Mais adequada para aplicações que exigem resistência e resistência moderada ao calor e à corrosão.

  • Capacidade de carga aprimorada: Os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício com complemento completo apresentam esferas extras e nenhuma gaiola, que tem uma capacidade de carga aproximadamente 20% maior que os rolamentos de gaiola.

  • Considerações sobre velocidade: No entanto, devido ao aumento do número de elementos rolantes e ao atrito resultante, a velocidade máxima de operação desses rolamentos é 70% menor que a de rolamentos com gaiolas comparáveis.

Gaiola de rolamento de nitreto de silício

 

Característica

Rolamentos cerâmicos de zircônia

Rolamentos cerâmicos de nitreto de silício

Rolamentos cerâmicos de carboneto de silício

Dureza do material

Alta

muito elevada

extremamente alto

Peso

mais leve que o aço

Sobre. 40% mais leve que o aço

mais leve que o aço

Coeficiente de fricção

baixo a médio

muito baixo

baixo

Maior resistência à temperatura

até 400 ° C

até 1200 ° C

até 1600 ° C

Resistência à corrosão

muito bom

Excelente

Excelente desempenho em ambientes ácidos e salinos

isolamento elétrico

Alta

Alta

Mudar

expansão térmica

facilidade

baixo

baixo

Resistência ao impacto/resistência ao choque

Bom

Bom

Alta

Para maximizar a vida útil e o desempenho do rolamento de nitreto de silício, recomenda-se a operação abaixo da carga máxima e da velocidade nominal. Esta abordagem é particularmente importante porque são frágeis do que materiais menos duros.

Aplicação de rolamentos de nitreto de silício

Os rolamentos cerâmicos Si3N4 são amplamente utilizados em diversas indústrias devido às suas características únicas. As principais aplicações incluem:

  • Aplicações Marinhas: A sua resistência à submersão completa e permanente torna-os ideais para aplicações marítimas.

  • Ambiente de alto vácuo: As propriedades do material do nitreto de silício são benéficas para aplicações de alto vácuo.

  • Aplicações de precisão: Baixo atrito e alta capacidade de carga o tornam adequado para máquinas de precisão.

  • Veículos elétricos: Na indústria de veículos elétricos, sua leveza e propriedades de isolamento elétrico aumentam a eficiência e a confiabilidade do motor.

Rolamentos cerâmicos de zircônia são brancos. Geralmente, os anéis e esferas internos e externos são feitos de zircônia e a gaiola é feita de PTFE (ou seja, Teflon). Esta combinação pode suportar temperaturas de até 240 graus Celsius, mas se a resistência à temperatura for necessária para exceder 240 graus Celsius a 400 graus Celsius, a bola deve ser preenchida com zircônia (ou seja, a gaiola não é usada e toda a bola é feito de zircônia), portanto pode suportar temperaturas de cerca de 400 graus.

Os rolamentos de zircônia são principalmente rolamentos de cerâmica feitos de zircônia (ZrO2) como principal matéria-prima. Possui excelente tenacidade, alta resistência à flexão e alta resistência ao desgaste, o que o torna excelente em muitos campos. Além disso, o coeficiente de expansão térmica da cerâmica de zircônia é próximo ao dos metais, permitindo uma combinação perfeita com os metais. Outra característica importante dos rolamentos de zircônia são suas propriedades de isolamento térmico, que permitem trabalhar em ambientes de alta temperatura e resistir a rápidas mudanças de temperatura. Os rolamentos cerâmicos feitos de ZrO2 ou dióxido de zircônio são um material cerâmico resistente com propriedades de expansão muito semelhantes às do aço, mas são 30% mais leves. Isto é uma vantagem quando se considera o ajuste do eixo e do alojamento em aplicações de alta temperatura, onde a expansão do rolamento pode significar que o eixo não se ajusta mais. Embora sejam frequentemente chamados de rolamentos de ZrO2, na verdade eles são feitos de ZrO2 estabilizado com ítria, o que confere ao material maior resistência e resistência à fratura à temperatura ambiente. Eles também são extremamente à prova d'água, o que significa que são frequentemente usados ​​em aplicações marítimas, especialmente onde o equipamento está completamente submerso ou onde os rolamentos de aço tradicionais não conseguem suportar a carga ou a velocidade.

rolamentos de zircônia

Rolamentos de esferas de cerâmica de zircônia VS rolamentos de esferas de cerâmica de nitreto de silício

Os rolamentos cerâmicos de zircônia (ZrO2) e os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício (Si3N4) são ambos tipos de rolamentos cerâmicos. Eles geralmente são amplamente utilizados na indústria de máquinas de alta precisão ou na área de materiais abrasivos. As principais diferenças entre os rolamentos de esferas de cerâmica de zircônia e os rolamentos de esferas de cerâmica de nitreto de silício são:

Cor

mais de 80% das bolas de cerâmica de zircônia são principalmente brancas, e as bolas de cerâmica de zircônia branca são sua cor verdadeira. Mas às vezes você vê que as bolas de cerâmica aparecem em amarelo claro ou cinza, porque o material de zircônia contém uma pequena quantidade de impurezas. As bolas de cerâmica de zircônia têm as vantagens de alta tenacidade, alta resistência à flexão e resistência ao desgaste, excelentes propriedades de isolamento térmico e um coeficiente de expansão térmica próximo ao das bolas de aço. As bolas de cerâmica de nitreto de silício são principalmente negro de fumo. São extremamente resistentes a altas temperaturas e sua resistência pode ser mantida até 1,200 graus sem diminuir. Eles são um dos materiais mais duros do mundo.

Comparação de desempenho físico

Em termos de propriedades físicas, as esferas de cerâmica de zircônia apresentam excelente resistência ao desgaste e à corrosão, enquanto as esferas de cerâmica de nitreto de silício também apresentam desempenho igualmente excelente. Ao mesmo tempo, as esferas cerâmicas de nitreto de silício também apresentam bom desempenho em termos de precisão de processamento. Portanto, nos campos de aplicação da indústria de máquinas de alta precisão, como rolamentos de ultraprecisão, além do uso generalizado de esferas de aço, as esferas cerâmicas também começaram a se tornar populares em rolamentos de precisão. Porque as esferas de cerâmica têm características anticorrosivas e antiferrugem em comparação com as esferas de aço para rolamentos, e a precisão do processamento é ainda maior do que as esferas de aço.
Ao mesmo tempo, pode desempenhar o papel de resistência a altas temperaturas em ambientes de alta temperatura. Portanto, as esferas de cerâmica aparecem em rolamentos e outros campos de máquinas de ultraprecisão, como trilhos-guia, acessórios deslizantes lineares, etc., e tendem a substituir as esferas de aço.

As propriedades dos materiais

Rolamento de zircônia

Rolamento de nitreto de silício

Densidade (kg·m-3)

5900

3250

Módulo de elasticidade (GPa)

205

310

Força compressiva (MPa)

2000

> 3500

Módulo de ruptura (MPa)

600-900

700-1000

Dureza Vickers (GPa)

10-13

14-18

Tenacidade (MPa·m1/2)

8-12

5-8

Coeficiente de expansão térmica (K-3·10-6)

12

3.4

Calor específico (J·kg-1·K-1)

400

800

Limite superior de temperatura de uso (℃)

750

1050

Resistência ao impacto

média

Alta

Modo de falha por fadiga de contato rolante

Descascar

Descascar

Da mesa, podemos saber que a densidade do nitreto de silício é 55.09% daquela da cerâmica de zircônia. Os rolamentos cerâmicos feitos de nitreto de silício são leves, permitindo que sejam usados ​​em dispositivos médicos, eletrodomésticos, motores de equipamentos aeroespaciais e virabrequins de carros de corrida. Ao mesmo tempo, devido à sua baixa densidade, quando o nitreto de silício é utilizado como elemento rolante, a força centrífuga gerada pelo corpo rotativo quando o rolamento gira é reduzida, o que conduz à rotação em alta velocidade. Isso permite que seja usado em motores de turbina a gás, fusos de máquinas-ferramenta e separação centrífuga. equipamentos e outros campos.

O módulo de elasticidade e a resistência à compressão do nitreto de silício também são superiores aos do óxido de zircônio, o que é benéfico para a capacidade do rolamento de suportar tensões; o coeficiente de expansão térmica do nitreto de silício é menor que o do óxido de zircônio, o que é benéfico para reduzir a resposta do rolamento à temperatura. A mudança de sensibilidade torna a faixa de velocidade operacional do rolamento mais ampla; A resistência a altas temperaturas, a resistência à corrosão e a excelente estabilidade química do nitreto de silício permitem que a cerâmica de nitreto de silício seja usada em temperaturas mais altas e em locais onde o óxido de zircônio, como o hidróxido de sulfato de sódio, não pode ser usado. Cenas ácido-base fortes.

Embora a cerâmica de nitreto de silício tenha características de forte adaptabilidade e desempenho superior, o custo dos rolamentos cerâmicos de nitreto de silício é relativamente alto. Comparado com outros materiais cerâmicos (nitreto de silício, etc.), o processo de preparação dos materiais de zircônia é relativamente simples, o custo do corpo verde é baixo e é fácil de ser comercializado. Portanto, os rolamentos cerâmicos de zircônia podem ser usados ​​em aplicações que apresentam requisitos de desempenho relativamente baixos e requisitos de baixo custo. Cena inferior. Ao mesmo tempo, a tenacidade da zircônia é maior que a do nitreto de silício, o que é benéfico para o uso estável dos rolamentos.

O custo adicional vale a pena?

Os rolamentos totalmente cerâmicos são geralmente mais redondos, mais lisos e mais duros que o aço, com excelente resistência à corrosão e ao calor, maior estabilidade dimensional e menor densidade. No entanto, isso tem um custo. Os rolamentos cerâmicos são muito mais caros que os rolamentos de aço. Então, quando vale a pena investir em rolamentos cerâmicos?

Aplicações de alto valor, como equipamentos de laboratório, possuem requisitos exatos que precisam ser atendidos sempre que a aplicação é usada. O uso de componentes errados em tais equipamentos pode contaminar as condições da pesquisa ou fazer com que o estudo seja interrompido completamente. Isto é o mesmo que em equipamentos médicos, onde as propriedades livres de contaminação e não magnéticas dos rolamentos cerâmicos são críticas.

Tomemos como exemplo a ressonância magnética (MRI), uma técnica de imagem associada principalmente aos scanners de ressonância magnética hospitalar. A tecnologia utiliza fortes campos magnéticos para gerar imagens bidimensionais ou tridimensionais de qualquer objeto vivo. Os rolamentos de aço padrão não podem ser usados ​​nesses scanners devido ao magnetismo; portanto, os rolamentos de cerâmica são a melhor escolha para essas aplicações de alto valor.

Da mesma forma, à medida que os fabricantes de circuitos integrados se esforçam para tornar os seus chips mais rápidos, mais pequenos e mais baratos, as empresas de equipamentos de fabrico de semicondutores tornaram-se dependentes de componentes cerâmicos avançados para alcançar o desempenho exigido. Os rolamentos feitos de nitreto de silício em vez de óxido de alumínio padrão (óxido de alumínio) fornecem isolamento elétrico e boa resistência à corrosão.

ressonância magnética com rolamentos de zircônia

Nos campos industriais modernos, os rolamentos são amplamente utilizados, e os rolamentos de zircônia e de nitreto de silício, como dois rolamentos cerâmicos de alto desempenho, tornaram-se a primeira escolha em muitas situações de alta demanda devido às suas propriedades físicas e químicas exclusivas. Então, qual é a diferença entre os dois e como devemos escolher?

O nitreto de silício tem resistividade e constante dielétrica semelhantes às do óxido de alumínio, mas devido à sua microestrutura, o material é muito mais resistente. Os rolamentos totalmente cerâmicos podem acomodar as muitas condições desafiadoras presentes na fase de produção de semicondutores; desde temperaturas de forno próximas de 1400 graus Celsius até a qualidade do ar de salas limpas Classe 1. De repente, o custo adicional é claramente justificado.

Em geral, os rolamentos de zircônia e os rolamentos de nitreto de silício têm, cada um, suas próprias vantagens e desvantagens. Ao selecionar, é necessário considerar as reais necessidades e condições de aplicação para selecionar o material mais adequado. Por exemplo, os rolamentos de zircônia são uma boa escolha para aplicações que exigem alta resistência ao desgaste e isolamento térmico; enquanto os rolamentos de nitreto de silício são adequados para aplicações que exigem alta resistência e resistência à corrosão.

Rolamentos cerâmicos completos versus cerâmicos híbridos?

Quando a maioria das pessoas pensa em rolamentos de cerâmica, geralmente se referem a versões híbridas. Os rolamentos híbridos ficam em algum lugar entre a cerâmica e o aço e normalmente incluem pistas ou anéis de aço inoxidável e esferas de cerâmica. Os anéis interno e externo de aço dos rolamentos híbridos podem ser usinados com tolerâncias muito restritas, o que significa que são mais adequados para aplicações como motores elétricos, equipamentos de laboratório e máquinas-ferramentas.

Por exemplo, numa esmerilhadeira, o atrito pode ser reduzido adicionando rolamentos híbridos de cerâmica e uma graxa lubrificante sintética, aumentando assim as rotações por minuto (RPM) em 25%. Um fuso de retificação com cerâmica híbrida pode funcionar por 4,000 horas sem problemas, enquanto um fuso de retificação com rolamentos de aço pode funcionar por 3,000 horas. Os rolamentos híbridos também reduzem as temperaturas em quase 50%. Em centros de usinagem horizontais, foi demonstrado que a mudança de rolamentos convencionais para híbridos reduz as temperaturas dos rolamentos de 60 graus Celsius para 36 graus Celsius a 12,000 RPM.

Rolamentos cerâmicos totalmente cerâmicos vs. cerâmicos híbridos

Velocidades mais altas podem ser alcançadas usando combinações de rolamentos híbridos do que totalmente rolamentos de cerâmica porque os anéis de metal menos frágeis são menos propensos a falhas catastróficas repentinas em altas velocidades ou sob carga. Dito isto, a resistência à corrosão dos rolamentos híbridos é insignificante em comparação com a dos rolamentos totalmente cerâmicos. Especificar os rolamentos corretos para ambientes extremos sempre foi uma questão complexa. Mas tal como a zircónia esclareceu as origens da vida, fazer estas três perguntas ajudará no processo de tomada de decisão.