Är helkeramiska lager värda att investera i?

Är helkeramiska lager värda att investera i?

Helkeramiska lager är slitstarka, korrosionsbeständiga och har hög hastighet. De är också icke-magnetiska, har låga friktionskoefficienter, är antielektriska, korrosionsbeständiga, lättare, jämnare och hårdare. De har använts i stor utsträckning i extremt tuffa miljöer eller speciella arbetsförhållanden, såsom flyg, petrokemi och elektronisk utrustning. Helkeramiska lager är en typ av lager vars ringar och rullande element är gjorda av keramiska material som zirkoniumoxid (ZrO2), kiselnitrid (Si3N4) och kiselkarbid (Sic); det finns många typer av hållare, och vanliga tillverkningsmaterial inkluderar polytetrafluoreten, nylon 66, polyeterimid, zirkoniumoxid, kiselnitrid, rostfritt stål eller specialaluminium för flyg. Den här bloggen kommer att presentera fördelarna, typerna och jämförelserna med stållager för helkeramiska lager i detalj, samt en omfattande utforskning av om full keramiska lager är värda att investera i.

Helkeramiska lager har många fördelar jämfört med traditionella metalllager, inklusive höghastighetsprestanda, låg friktion, korrosionsbeständighet och hållbarhet. De används ofta i tuffa miljöer, från höghastighetsmaskiner till kemisk bearbetningsutrustning och högtemperaturugnar.

①. Förhindra strömkorrosion

När motorn är igång kallas potentialskillnaden mellan de två ändarna av axeln eller mellan axlarna axelspänning, och den resulterande axelströmmen kan orsaka skador på löpbanan och rullande element och åldrande av smörjmedlet. Helkeramiska lager kan förhindra strömpassage och har en hållbar isoleringsförmåga än keramiskt belagda lager. I vindkraftverks generatorapplikationer specificeras ofta helkeramiska lager.

②. Hög hastighet

Densiteten hos valselement av kiselnitrid är 60 % lägre än för lagerrullningselement av samma storlek. Lättare vikt och tröghet resulterar i högre hastighetsprestanda, vilket gör lagrets förmåga att starta och stoppa snabbt enastående. Dessutom har helkeramiska lager oljefria självsmörjande egenskaper och låg friktionskoefficient, så keramiska kullager har mycket hög hastighet.

③. Långt liv

Värmen som genereras av friktion i helkeramiska lager är låg, speciellt vid höga hastigheter, vilket bidrar till att förlänga lagrens livslängd och förlänga eftersmörjningsintervallet, vilket avsevärt kan minska stilleståndsförlusterna och underhållskostnaderna som orsakas av lagerunderhåll.

④. Hög hårdhet och hög seghet

Keramiska rullelement har högre hårdhet och utmärkt seghet. Kombinationen av dessa två egenskaper kan erhålla bättre ytjämnhet, och kan förhindra skador från externa hårda partiklar och stötar, och har stark slitstyrka.

⑤. Högre styvhet

Lagrets styvhet hänvisar till graden av elastisk deformation av lagret under belastning. Styvhet påverkar olika aspekter av lagervibrationer, buller, livslängd och rotationsnoggrannhet och är en viktig prestandaparameter vid lageranalys. Hårdheten hos helkeramiska lager är 1 gånger högre än för lagerstål, och elasticitetsmodulen är cirka 1/3 högre.

⑥. Hög temperaturbeständighet

Keramiska rullelement har en lägre värmeutvidgningskoefficient. En liten värmeutvidgningskoefficient hjälper till att minska känsligheten för temperaturförändringar och förhindrar därigenom stopp. I högtemperaturmiljöer kan helkeramiska lager arbeta tillförlitligt vid 800-1000°C utan expansion orsakad av temperaturskillnader.

Helkeramiska lagertyper

ZrO2 helkeramiska lager har utmärkt motstånd mot höga och låga temperaturer, högt tryck, korrosion, magnetisk isolering och självsmörjning. De kan arbeta i speciella miljöer. Zirconia (ZrO2) keramiska lager utan hållare kan användas i miljöer upp till 400 ℃.

ZrO2 helkeramiska lager

Si3N4 helkeramiska lager har alla egenskaper hos ZrO2 helkeramiska lager, plus ytterligare fördelar som att de är lätta, mycket slitstarka och har hög hårdhet. Jämfört med ZrO2 helkeramiska lager är Si3N4 helkeramiska lager lämpliga för applikationer med hög hastighet och hög belastning och tål högre temperaturer. De erbjuder god hållfasthet vid hög temperatur, mekanisk oxidationsbeständighet, belastningskapacitet vid hög temperatur och motståndskraft mot korrosiva gaser. Si3N4 keramiska lager utan hållare kan arbeta i miljöer upp till 1100 ℃.

Si3N4 helkeramiskt lager

Helkeramiska lager av kiselkarbid (SiC) erbjuder högre kemisk korrosionsbeständighet, bättre hållfasthet, högre hårdhet och större slitstyrka jämfört med andra keramiska material. De har även lågfriktionsegenskaper och är lämpliga för de högsta temperaturerna. SiC keramiska lager utan hållare kan användas i miljöer upp till 1400 ℃.

SiC helkeramiska lager

Al2O3 Keramiska lager

Aluminiumoxid (Al2O3) keramiska lager använder aluminiumoxidkeramik med en aluminiumoxidhalt på 99 %. De rullande elementen är också gjorda av aluminiumoxidkeramik. Al2O3 keramiska lager utan hållare kan arbeta i miljöer upp till 1400 ℃.

Al2O3 Keramiska lager

Fullkomplement kula helkeramiska kullager

Fullkomplement kula helkeramiska lager har en skåra på ena sidan, vilket gör att keramiska kulor kan laddas än standardstrukturer på grund av frånvaron av en bur. Detta ökar deras belastningskapacitet och undviker begränsningarna av burmaterial, vilket uppnår korrosionsbeständigheten och temperaturhållfastheten hos keramiska burens helkeramiska lager. Dessa lager är inte lämpliga för höga hastigheter, och under installationen bör skåran placeras på den sida som inte bär axiell belastning.

Full-komplement-Ball-Full-Ceramic-Bearings

Utmaningar med helkeramiska lager

Produktionsprocessen av keramiska lager involverar flera processer, inklusive råmaterialberedning, gjutning, sintring och efterbehandling, och varje process har en viktig inverkan på slutproduktens prestanda. Produktionsprocessens komplexitet ökar inte bara produktionskostnaden utan ställer också högre krav på kontroll av produktionsprocessen.

Hög kostnad.

Produktionskostnaden för keramiska material är relativt hög, vilket främst beror på de dyra råvarorna för keramiska material och den komplexa produktionsprocessen. Beredningsprocessen av högpresterande keramiska material som zirkoniumoxid (ZrO2), kiselnitrid (Si3N4) och kiselkarbid (SiC) kräver högtemperatursintring och precisionsbearbetning, som inte bara är tidskrävande och energikrävande, utan kräver också dyr utrustning och teknisk support. Därför har den höga kostnaden för keramiska lager blivit ett stort hinder för deras marknadsföring och tillämpning.

Svårt att tillverka

Keramiska material har hög hårdhet och låg seghet, vilket gör dem svåra att bearbeta. Traditionell metallbearbetningsteknik fungerar ofta inte vid bearbetning av keramiska material, vilket är benäget att få materialskador eller bearbetningsfel. Dessutom gör sprödheten hos keramiska material det lätt att spricka och fragmentera under bearbetningen, vilket ökar komplexiteten och risken för bearbetningen.

På grund av spröd fraktur

Även om keramiska lager har utmärkt högtemperaturbeständighet, korrosionsbeständighet och lågfriktionsegenskaper, är sprödheten och slaghållfastheten hos keramiska material dålig i vissa extrema miljöer, vilket begränsar deras användningsområde. Till exempel, i miljöer med hög påverkan och hög vibration, kan keramiska lager gå sönder på grund av spröd brott.

Helkeramiska lager har blivit en oumbärlig nyckelkomponent i modern industri med sina utmärkta prestanda och breda användningsmöjligheter. Även om deras initiala investering är hög, gör deras långa livslängd och låga underhållskostnad dem ekonomiska vid långtidsanvändning. Speciellt i tuffa miljöer som hög temperatur, högt tryck och korrosivitet är fördelarna med helkeramiska lager uppenbara.

Utmärkt prestanda

Med kiselnitrid Helkeramiska lager som ett exempel, är kiselnitridkeramik en strukturell keramik med utmärkt omfattande prestanda och många unika egenskaper, vilket gör dem allmänt använda i modern teknik. Kiselnitridkeramik har extremt hög mekanisk hållfasthet och hårdhet, jämförbar med korund, och är självsmörjande och slitstarka. Vid rumstemperatur kan dess böjhållfasthet till och med vara så hög som 980 MPa, vilket är jämförbart med legerat stål. viktigare är att dess styrka inte minskar ens vid en hög temperatur på 1200 ℃. Kiselnitridkeramik har utmärkt termisk stabilitet, liten värmeutvidgningskoefficient och utmärkt värmeledningsförmåga, så de har god värmechockbeständighet. Även termisk chock från rumstemperatur till 1000 ℃ kommer inte att få den att spricka.

Helkeramiska lager
typiska egenskaperAl2O3ZrO2Si3N4SicBearing Steel
Densitet (kg/m^3)32503100390032007800
Elastisk modul (GPa)310210320420210
Kompressionsstyrka (MPa)> 35002000-25002000-27002000-
Flexural styrke (MPa)700-1000500-900500-900300-6001000
Brottseghet (MPa·m^1/2)3-58-126-103-516-20
Hårdhet (GPa)14-1810-1318-2024-288
Termisk expansionskoefficient (10^-6/K)4-810-122-43-512
Värmeledningsförmåga (W·m^-1·K^-1)2023010030
Specifik värme (J·kg^-1·K^-1)800500-700800880450
Maximal drifttemperatur (℃)1050500-80012501250400-600
OxidationsbeständighetHögMediumHögVäldigt högtVäldigt högt
FeltillståndSpröd frakturSpröd frakturSpröd frakturSpröd frakturDuktil fraktur

Denna tabell ger en jämförande översikt av nyckelegenskaperna hos industriell keramik (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC) och lagerstål, och framhäver deras skillnader i densitet, mekanisk hållfasthet, termiska egenskaper och brottlägen.

Kiselnitridkeramik har utmärkt kemisk stabilitet och kan motstå korrosion från nästan alla oorganiska syror (förutom fluorvätesyra) och kaustiksodalösningar med en koncentration under 30 %. Samtidigt har de också god tolerans mot korrosion från många organiska ämnen. viktigare är att de inte väter till en mängd olika icke-järnhaltiga metalllösningar, särskilt aluminiumvätska, och tål stark strålning. Kiselnitridkeramik har låg densitet och låg specifik vikt, endast 2/5 av stål, och har bra elektrisk isolering.

Självsmörjande

Helkeramiska lager kan fungera korrekt utan användning av smörjmedel, så tillämpningen i kryogena pumpar gör det möjligt för forskare att undvika påverkan av förändringar av smörjmedlets viskositet på den normala driften av lagren. Kryogena lager används huvudsakligen i olika typer av vätskepumpar, såsom pumpar för flytande naturgas, pumpar för flytande kväve (väte, syre), butanpumpar, etc. Dessa enheter måste bibehålla stabila prestanda och lång livslängd i lågtemperaturmiljöer, och keramik lager har blivit en oumbärlig del av dessa enheter på grund av deras utmärkta prestanda och anpassningsförmåga. Keramiska lager har också använts i stor utsträckning i utrustning som vätskepumpar för raketer och missiler och rymdfarkoster. Dessa enheter måste fungera i extremt tuffa miljöer, och keramiska lager har utmärkt korrosionsbeständighet och förmåga att anpassa sig till miljöer med hög och låg temperatur, vilket gör dem till ett idealiskt val för dessa enheter.

kiselnitrid Helkeramiska lager

Ansökningsfall - MRT

Magnetisk resonanstomografi (MRT) är en avbildningsteknik som används i stor utsträckning inom medicinsk och vetenskaplig forskning. Det förknippas ofta med MR-skannrar på sjukhus, som använder starka magnetfält för att generera tvådimensionella och tredimensionella bilder av människokroppen eller andra levande föremål. I MR-skannrar måste all utrustning som används vara omagnetisk för att förhindra störningar på bilden. Därför är traditionella stållager inte lämpliga i detta scenario eftersom deras magnetism kan påverka bildens kvalitet. Icke-magnetiska keramiska lager är mycket lämpliga för användning inuti MRI-skannrar. Fördelen med keramiska lager är att de är mycket omagnetiska och därför inte orsakar några störningar vid MR-undersökningar. Dessutom har keramiska lager också utmärkt korrosionsbeständighet och hög hårdhet, vilket kan bibehålla stabil prestanda i tuffa miljöer.

MRT

Applikationsväska - Renrum

Ett renrum är en miljö som är extremt nära dammfri, vilket ger forskare föroreningsfria förutsättningar för att förbereda och mäta små instrument, utrustning eller material. Möjligheten att upprätthålla denna dammfria miljö utmanas dock ofta, särskilt eftersom smörjmedlet i standardstållager gradvis släpps ut i miljön. Detta fenomen kan undergräva renrummets renhetskontroll. Helkeramiska lager ger en lösning. Eftersom de kan arbeta utan smörjmedel, producerar keramiska lager nästan ingen friktion under drift, och ytan kan göras mycket slät och på så sätt uppnå smörjmedelsfri drift. Dessutom, till skillnad från lager av rostfritt stål, genererar helkeramiska lager inte värmeackumulering inuti lagret, så smörjning krävs inte för att hjälpa till att avleda värme.

Renrums

Användningen av smörjmedelsfria keramiska lager kan helt eliminera avgasproblemet som orsakas av stållager, och därigenom bibehålla renrummets renhetskontroll. Helkeramiska lager går inte bara smidigt, utan ger också stabil och pålitlig prestanda i renrum. Därför spelar keramiska lager en viktig roll för att upprätthålla renligheten och kontrollkapaciteten i renrum.

Slutsats

Helkeramiska lager har fördelar som hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet och elektrisk isolering, men de möter också utmaningarna med mycket högre kostnader än stållager och relativt låg bärförmåga. För speciella applikationer, såsom hög temperatur, högt tryck, korrosion, precision, rena och andra arbetsmiljöer, är helkeramiska lager värda att investera i.