Den ultimata guiden till keramiska lagermaterial

Den ultimata guiden till keramiska lagermaterial

Keramiska material används ofta inom många områden på grund av deras unika egenskaper som hög hållfasthet, hög hårdhet, slitstyrka och hög temperaturstabilitet. Det har till exempel studier visat helkeramiska lager presterar bättre i vatten än något rostfritt stål. Vanligt använda keramiska lagermaterial inkluderar kiselnitrid (Si3N4), zirkoniumoxid (ZrO2), aluminiumoxid (Al2O3) eller kiselkarbid (SiC). De bästa keramiska materialen för vattenförorenade miljöer är kiselnitrid och zirkoniumoxid, som har en livslängd som är 70 gånger längre än lager i rostfritt stål. Den här bloggen syftar till att utforska klassificeringen och specifikationerna för keramiska lagermaterial, keramiskt lager tillverkningsprocesser och ge konstruktiva förslag för din heltäckande förståelse av keramiska lager.

Huvudkomponenten i aluminiumoxidkeramik är Al2O3, som vanligtvis innehåller än 45 %. Aluminiumoxidkeramik har olika utmärkta egenskaper såsom hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, hög hållfasthet, hög hårdhet och goda dielektriska egenskaper, som är 2 till 3 gånger högre än vanlig keramik. Nackdelen med aluminiumoxidkeramer är dock att de är ömtåliga och inte kan acceptera plötsliga förändringar i omgivningstemperaturen. Aluminiumoxid kan delas in i olika serier beroende på Al2O3-halten och de tillsatser som används. Till exempel kan aluminiumoxid delas in i 75% aluminiumoxid, 85% aluminiumoxid, 95% aluminiumoxid, 99% aluminiumoxid, etc.

en grupp bollar i rad

Material

Alumina

Fast egendom

Enhet

AL997

AL995

AL99

AL95

% aluminiumoxid

-

99.70%

99.50%

99.00%

95.00%

Färg

-

Elfenben

Elfenben

Elfenben

Elfenben och vitt

Permeabilitet

-

Lufttät

Lufttät

Lufttät

Lufttät

Densitet

g / cm ^

3.94

3.9

3.8

3.75

rakhet

-

1 ‰

1 ‰

1 ‰

1 ‰

Hårdhet

Mohs skala

9

9

9

8.8

Vatten absorption

-

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

≤ 0.2

Böjhållfasthet (typiskt vid 20°C)

MPa

375

370

340

304

Tryckhållfasthet (typiskt vid 20°C)

MPa

2300

2300

2210

1910

Termisk expansionskoefficient (25°C till 800°C)

0-6/°C

7.6

7.6

7.6

7.6

Dielektrisk hållfasthet (5 mm tjocklek)

AC kV/mm

10

10

10

10

Dielektrisk förlust (25°C @ 1MHz)

-

0.0006

0.0004

Dielektrisk konstant (25°C @ 1MHz)

-

9.8

9.7

9.5

9.2

Volymresistivitet (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

Långvarig arbetstemperatur

° C

1700

1650

1600

1400

Värmeledningsförmåga (25°C)

W / m · K

35

35

34

20

Aluminiumoxid är en utmärkt elektrisk isolator som tål extremt höga strömmar. Dess motståndskraft mot elektricitet ökar med dess renhet. Ju högre renhet av aluminiumoxid, desto högre motståndskraft. Det är välkänt att aluminiumoxid också har en mycket hög smältpunkt och stark mekanisk hållfasthet. Smältpunkten för vanliga Al2O3-produkter är mycket hög, 2072°C. Men när temperaturen överstiger 1000 grader Celsius minskar dess mekaniska styrka. På grund av den enorma skillnaden i dess värmeutvidgningskoefficient är dess motståndskraft mot värmechock dålig när den utsätts för mycket höga temperaturer.

Den utmärkta kemiska stabiliteten hos aluminiumoxid är huvudfaktorn i dess höga korrosionsbeständighet. Aluminiumoxid är också svagt lösligt i starka syror (som het svavelsyra och het HCl, HF har också en viss frätande effekt) och alkaliska lösningar, men är olösligt i vatten. Ren aluminiumoxid kan motstå kemisk korrosion, vilket gör ren aluminiumoxid till det huvudsakliga materialet för en mängd olika industriella delar. Aluminiumoxidkeramiska material har också mycket lågt ångtryck och sönderdelningstryck. Dessa egenskaper hos aluminiumoxidkeramik gör den till en av de mest använda keramerna i strukturella, slitage och korrosionsmiljöer.

Aluminiumoxidkeramik tillverkas vanligtvis av bauxit och kan gjutas med hjälp av formsprutning, formpressning, isostatisk pressning, slipgjutning, diamantbearbetning och extrudering. Precis som aluminiumnitrid kan aluminiumoxid även framställas genom torrpressning och sintring eller genom varmpressning med lämpliga sintringshjälpmedel. På grund av sin utmärkta kemiska stabilitet används aluminiumoxidkeramik i stor utsträckning i lager, syrafasta pumphjul, pumpkroppar, sura rörledningar och ventiler. På grund av sin extremt höga hårdhet och slitstyrka används aluminiumoxidkeramik också ofta för att tillverka slitstarka textildelar och skärverktyg.

Keramiska material – Sorterat efter densitet

Zirkoniumoxid > 99 % aluminiumoxid > 94 % aluminiumoxid > 85 % aluminiumoxid > Aluminiumnitrid > Kiselkarbid > Mullit > Macor© > Cordierite

Keramiska material – Sorterat efter hårdhet

Kiselkarbid > 99 % aluminiumoxid > YTZP Zirconia > Kiselnitrid > TTZ Zirconia > 94 % Alumina > 85 % Alumina > Mullite > Cordierite > Macor©

När aluminiumoxidhalten är högre än 95% kan den användas som en utmärkt elektrisk isolator. Den har också låg dielektrisk förlust och används ofta inom elektronik och elektriska apparater. Dessutom har transparent aluminium god transmittans till synligt ljus och infraröda strålar och kan användas för att tillverka högtrycksnatriumlampor och material för infraröda detekteringsfönster. Dessutom har aluminiumoxidkeramik utmärkt biokompatibilitet (liknande titanlegeringar), hög hållfasthet och hög slitstyrka. Därför är de också idealiska material för att förbereda konstgjorda ben och konstgjorda leder.

Zirkoniumoxid (ZrO2)

Zirkoniumkeramik har låg värmeledningsförmåga (isolerar) och hög hållfasthet. De användes först i rymdresor på 1960-talet för att bilda en termisk barriär som gjorde att rymdfärjan kunde komma in i jordens atmosfär. De klarar även höga temperaturer bra, med driftstemperaturer för zirkoniumoxidkeramik från -85°C till 400°C. De är dock inte lika resistenta mot termisk chock som kiselnitrid.

Zirconia har en stark korrosionsbeständighet, vilket gör den till ett perfekt val för starkt korrosiva vätskor. Zirconia keramer har en mycket hög motståndskraft mot spricktillväxt, vilket gör dem idealiska för svetsprocesser och trådformningsverktyg. Det gör dem också mycket lämpliga för mekaniska applikationer med risk för frakturer. De har också mycket hög värmeutvidgning, med en värmeutvidgningskoefficient som liknar den för stål, vilket gör dem till det valda materialet för sammanfogning keramik och stål. Baserat på sina tribologiska egenskaper är zirkoniumoxid mycket lämplig för rullande rörelse, såsom linjärlager eller kullager (som tillverkaren TK linear). Dessutom har zirkoniumoxid- och kiselnitridkeramik fördelarna med hög vakuumkompatibilitet, icke-magnetisk, icke-ledande, hög och låg temperaturbeständighet, kemisk beständighet, hög styvhet och lång livslängd. Zirkoniumoxid och kiselnitrid kan göras till lager efter torrkörning.

Zirkoniumkeramiklager

Jämfört med aluminiumoxid har zirkoniumoxid höga mekaniska egenskaper, hög hållfasthet och hög seghet. Om styrka är det enda kravet rekommenderas detta material. Dessutom är zirkoniumoxid (ZrO2) en keramik som är känd inom hälsoområdet för sin biokompatibilitet, bioinerthet, höga mekaniska egenskaper och kemiska stabilitet. Inom dentalindustrin används zirkoniumoxidkeramik för att tillverka olika dentala restaureringsprodukter. Till exempel, ogenomskinliga eller genomskinliga zirkoniumämnen används för att göra broar, kronor och faner. Varm isostatiskt pressad zirkoniumoxid används för att göra tandimplantat och distanser. En av de största fördelarna med att använda zirkoniumoxid för dentala restaureringar är att ytfinishen på den färdiga produkten liknar naturliga tänder. Dessutom är zirkoniumkeramer genomskinliga och glänsande, vilket gör dem lämpliga för applikationer där utseendet liknar det omgivande tandmaterialet.

Silikonkarbid

Kiselkarbidkeramik består huvudsakligen av SiC, som är en höghållfast högtemperaturkeramik med hög hårdhet. När den används vid höga temperaturer på 1200℃ till 1400℃, kan kiselkarbidkeramik fortfarande bibehålla en hög böjhållfasthet och kan användas för högtemperaturkomponenter som raketstjärtmunstycken, termoelementhylsor och ugnsrör. Kiselkarbidkeramik har också god värmeledningsförmåga, oxidationsbeständighet, elektrisk ledningsförmåga och hög slagseghet. Det är ett starkt och hållbart keramiskt material som också har låg densitet, låg termisk expansionshastighet och utmärkt värmechockbeständighet, vilket gör det lämpligt för en mängd olika applikationer.

Sammansättning

Kiselkarbid

Molekylvikt

40.1

Utseende

Svart

Smältpunkt

2,730 4,946°C (XNUMX XNUMX°F) (nedbrytning)

Densitet

3.0 till 3.2 g/cm³

Elektrisk resistans

1 till 4 x 10^5 Ω·m

porositet

0.15 till 0.21

Specifik värme

670 till 1180 J/kg·K

未标题 1
3

Kiselkarbid framställs genom att kemiskt kombinera kol- och kiselatomer. Kiselkarbidpartiklar har använts som slipmedel i många år, oftast i form av sandpapper. Dessa partiklar kan dock bindas samman genom sintring för att bilda ett mycket hållbart keramiskt material som har utmärkta mekaniska egenskaper, vilket gör det till ett utmärkt val för tillverkning av lager. På grund av dess höga termiska och elektriska ledningsförmåga kan kiselkarbid användas som en statisk elimineringskomponent.

Nitridkeramik

Nitridkeramik är gjorda av metallnitrider, som t.ex kiselnitrid och aluminiumnitrid. Kiselnitridkeramik (Si3N4) Si3N4 är huvudkomponenten i kiselnitridkeramik, som är en höghållfast, hög hårdhet, slitstark, korrosionsbeständig och självsmörjande hög temperatur keramisk.

Fast egendom

Värde

Färg

Grå och mörkgrå

Densitet

3.2 till 3.25 g/cm³

Hårdhet

HRA 92 till 94

Maximal driftstemperatur

1300 till 1600 ° C

Värmeledningsförmåga

23 till 25 W/(m·K)

Böjhållfasthet

≥900 MPa

Brottseghet

6 till 8 MPa·m¹/²

Värmeutvidgningskoefficient

2.95 till 3 x 10⁻⁶ /°C (0 till 1400°C)

Om du letar efter ett material som tål höga temperaturer och tuffa mekaniska förhållanden, så är kiselkarbid ett bra val, även om detta material är relativt dyrt. När det gäller att tåla höga temperaturer är kiselnitrid överlägsen metalllösningar och Si3N4 har ett driftstemperaturområde på -100°C till 900°C. Dessutom är den linjära expansionskoefficienten för kiselnitrid den minsta av alla typer av keramik. Den termiska expansionskoefficienten för kiselnitrid är 3.2 x 10-6/k, medan den termiska expansionskoefficienten för kiselkarbid är 3 x 10-6/k. De termiska expansionskoefficienterna för zirkoniumoxid och aluminiumoxid är 10.5 x 10-6/k respektive 8.5 x 10-6/k, men båda är mycket lägre än lagerstål, som har en koefficient på 12.5 x 10-6/k.

Klassificering

Aluminiumoxid

Aluminiumoxid

Aluminiumoxid

Aluminiumoxid

Kiselkarbid

Kiselkarbid

Kiselnitrid

mullit

Zirkoniumoxid

Talk

 

KMA995

KMG995

KMA96

KMA96

KMG96

KMG96

Kai170

Talk

KYCS

-

Huvudkomponent

99.7

99.6

96

96

92

92

92

92

92

92

Färg

Mjölkig

White

White

White

White

Svart

Svart

Grå

White

Grå

Bulkdensitet (g/cm³)

3.9

3.9

3.7

3.7

6

3.1

3.2

2.7

3.5

2.7

Flexural styrke (MPa)

400

390

320

320

1000

450

420

200

120

150

Youngs modul (GPa)

380

370

340

340

410

350

310

210

130

170

Mekanisk

Hårdhet (GPa)

21

20

19

19

24

13

22

13

22

Poisson-förhållandet

-

0.24

0.24

0.23

0.31

-

-

-

-

-

Brottseghet (MPa·m¹/²)

4.1

4

3.5

3.5

4

4.6

6

2.5

4

3.2

Termisk expansionskoefficient (×10⁻⁶/°C)

6.4

5.8

5.7

5.7

7.7

11

3.2

2.5

2.5

3.0

Termisk

Värmeledningsförmåga (W/m·K)

30

28

21

21

120

80

17

1.2

1.2

Specifik värme (J/g·K)

0.78

0.78

0.78

0.78

1.4

1.2

1.2

1.2

1.2

1.2

Dielektrisk konstant (1 MHz)

10.1

10.1

9.4

9.5

11

7

7

8.5

8.5

6.5

Dielektrisk förlust (×10⁻⁴)

50

50

40

50

50

50

50

50

50

50

Volymresistivitet (Ω·cm)

10¹⁵

10¹⁵

10

10

10¹²

10¹²

10¹²

10¹³

10¹³

10¹³

Nedbrytningsspänning (kV/mm)

10

10

10

10

11

11

11

10

10

10

Egenskaper

Hög styrka

Hög styrka

Hög styrka

Hög styrka

Hög hårdhet

Hög hårdhet

Hög seghet

Hög seghet

Låg värmeledningsförmåga

Låg värmeledningsförmåga

 

Isolerande

Isolerande

Isolerande

Isolerande

Ledande

Ledande

Isolerande

Isolerande

Light Weight

Light Weight

du använder

Slipmaterial

Slipmaterial

Slipmaterial

Slipmaterial

Slipmaterial

Slipmaterial

Tätningsmaterial

Tätningsmaterial

Värmeisolering

Värmeisolering

 

Slitstarka delar

Slitstarka delar

Slitstarka delar

Slitstarka delar

Högtemperaturbeständiga delar

Högtemperaturbeständiga delar

Flyg- och rymddelar

Flyg- och rymddelar

Halvledande utrustningsdelar

Halvledande utrustningsdelar

 

Högtemperaturdelar

Högtemperaturdelar

Högtemperaturdelar

Högtemperaturdelar

verktygsdelar

verktygsdelar

Elektrod delar

Elektrod delar

Tandimplantat

Tandimplantat

 

Halvledardelar

Halvledardelar

Halvledardelar

Halvledardelar

-

 

 

 

 

 

Artikel

Enhet

Si3N4

ZrO2

Al99.5OXNUMX (XNUMX%)

Sic

Bearing Steel

Densitet

g / cm ^

3.23

6.05

3.92

3.12

7.85

Vatten absorption

%

0

0

0

0

0

Koefficient för linjär termisk expansion

10⁻⁶/k

3.2

10.5

8.5

3

12.5

Elasticitetsmodul (Young's Mod.)

GPa

300

210

340

440

208

Poisson-förhållandet

/

0.26

0.3

0.22

0.17

0.3

Hårdhet (Hv)

MPa

1500

1200

1650

2800

700

Böjstyrka (@ RT)

MPa

720

950

310

390

520 (draghållfasthet)

Böjhållfasthet (700°C)

MPa

450

210

230

380

/

Kompressionsstyrka (@ RT)

MPa

2300

2000

1800

1800

/

Brottseghet, K^c

MPa·m¹/²

6.2

10

4.2

3.9

25

Värmeledningsförmåga (@ RT)

W/m·k

25

2

26

120

40

Elektrisk resistivitet (@ RT)

Ω·mm²/m

>10¹³

>10¹⁵

>10¹⁶

>10³

0.1 ~ 1

Max. Använd temperatur (ingen laddning)

° F

1050

750

1500

1700

1700

Korrosionsbeständighet

/

Utmärkt

Utmärkt

Utmärkt

Utmärkt

dålig

Kiselnitrid har en termisk chockbeständighet på upp till 600°C, medan kiselkarbid har en termisk chockbeständighet på endast 400°C, vilket indikerar att risken för brott på grund av temperaturförändringar är minimal. I miljöer med stora temperaturförändringar, när termisk chockbeständighet har högsta prioritet, är kiselnitrid och kiselkarbid de bästa valen. Dessutom har kiselnitrid utmärkt korrosionsbeständighet och kan motstå korrosion från olika syror förutom fluorvätesyra, samt korrosion från alkalier och olika metaller. Den har utmärkt elektrisk isolering och strålningsmotstånd.

Silikonnitridlager

Dessa egenskaper hos kiselnitridkeramik gör den användbar som högtemperaturlager, tätningar som används i korrosiva media, termobrunnar, skärverktyg etc. Kullagerindustrin har till exempel använt detta material i årtionden eftersom dess prestanda har bevisats och det används ofta i rullande element av keramiska lager, såsom kulor och rullar. Dess extremt höga mekaniska seghet och utmärkta värmebeständighet, korrosionsbeständighet och slitstyrka är anledningen till att den används i olika högbelastningsapplikationer.

Tillverkningsprocess för keramiska lager

1. Pulverbehandling. Keramisk pulverbearbetning är mycket lik bearbetning av metallpulver. Bearbetning av keramiskt pulver innebär att man producerar pulver genom att mala, sedan tillverka gröna produkter och sedan konsolidera dem för att erhålla den slutliga produkten. Pulver är en samling fina partiklar. Keramiskt pulver kan erhållas genom att krossa, mala, separera föroreningar, blanda och torka råvarorna.

2. Blandning. De keramiska komponenterna blandas samman genom olika procedurer och maskiner, och de förvandlas till slam genom att tillsätta vatten eller andra vätskor.

3. Formningsmetod. Det finns två vanliga vanliga keramiska lagerformningsmetoder, nämligen formsprutning och pulverformning. Formsprutning är att blanda keramiskt pulver, organiskt bindemedel, reologiskt medel, sub-mikronpulver, etc., och injicera dem i formen för gjutning. Pulverformning är att komprimera keramiskt pulver till en gjuten kropp och sedan sintra det. Dessa två metoder har sina egna fördelar och nackdelar, och de bör väljas enligt specifika tekniska krav.

4. Sintringsprocess. Under tillverkningsprocessen av keramiska lager krävs sintringsbehandling för att stelna den gjutna kroppen till en färdig produkt, och samtidigt kan dess hårdhet och styrka också förbättras. Sintringsprocessen för keramiska lager inkluderar huvudsakligen oxidsintring och sintring utan oxid. Enligt processflödet utförs sintring först i en oxiderande atmosfär och sedan utförs sintring i en icke-oxiderande atmosfär. Under hela sintringsprocessen måste miljöparametrar som temperatur, tryck och atmosfär kontrolleras för att uppnå önskad effekt.

5. Precisionsbearbetning. De sintrade keramiska lagren måste genomgå efterföljande precisionsbearbetning, inklusive slipning, polering och andra steg för att säkerställa deras geometriska noggrannhet och ytkvalitet. Samtidigt krävs också kvalitetskontroll, inklusive detektering och analys av indikatorer som hårdhet, densitet, dimensionsavvikelse och buller för att säkerställa att produkterna uppfyller internationella standarder och kundkrav.

Faktorer som påverkar kvaliteten på keramiska lager

Kvaliteten och effektiviteten av bearbetning av keramiska lager påverkas av många faktorer, inklusive materialkvalitet, formningsmetod, sintringsprocess, precisionsbearbetningsteknik och utrustning. Dessutom påverkas den också av miljöparametrar som temperatur, tryck, hastighet och atmosfär under bearbetningen. Med tanke på dessa faktorer måste bearbetningstekniker välja lämpliga processflöden, utrustning och verktyg för att säkerställa bearbetningskvaliteten. I det nuvarande applikationsområdet för keramiska material har keramiska lager blivit en oumbärlig kärnteknologi.