Слідуйте за мною на:
Підшипники з діоксиду цирконію чи підшипники з нітриду кремнію, які?
З безперервним прогресом і розвитком науки і технологій на цьому етапі багато обладнання, наприклад високошвидкісні верстати та прецизійні випробувальні прилади, висувають дедалі вищі вимоги до робочого середовища та роботи. Люди також вимагають, щоб це механічне обладнання мало різні характеристики, такі як висока швидкість, висока точність і висока надійність. Щоб задовольнити потреби розвитку багатьох галузей, таких як високоточне машинобудування, нафтохімічна промисловість, аерокосмічна промисловість, військова та національна оборона, механічні частини повинні мати гарну термостійкість, стійкість до корозії, низькі магнітні властивості тощо, а також повинні мати здатність витримувати більший тиск. . Підшипники кочення, як один із ключових компонентів, мають вищі вимоги до продуктивності.
Однак традиційні металеві підшипники більше не можуть відповідати сучасним вимогам щодо тривалої стабільної роботи в надзвичайно суворих умовах експлуатації. Порівняно з традиційними підшипниками, керамічні підшипники мають чудові комплексні властивості, такі як тривалий термін служби, висока загальна точність і жорсткість, висока швидкість обертання, добра термостабільність, ізоляція та немагнітні властивості. Вони підходять для використання за високих температур, високих швидкостей, високої точності, сильної корозії та сильних магнітних полів. Вони мають дуже широкі перспективи застосування в робочих умовах, таких як змащення та без нього. Існує кілька комерційно доступних типів керамічних підшипників, кожен з яких має багато переваг перед традиційними елементами підшипників. Типовими керамічними матеріалами, що зазвичай використовуються як матеріали для підшипників, є нітрид кремнію (Si3N4) та оксид цирконію (ZrO2). У цьому блозі детально пояснено переваги та недоліки керамічних підшипників з нітриду кремнію (Si3N4) та оксиду цирконію (ZrO2), а також надано конструктивні поради щодо вибору відповідного підшипника.
Нітрид кремнію є дуже твердим, але водночас дуже легким матеріалом. Він має чудову стійкість до води, солоної води та різноманітних кислот і лугів. Він також має дуже широкий діапазон робочих температур і підходить для використання в умовах високого вакууму. Надзвичайно висока твердість підшипників із нітриду кремнію також означає більшу крихкість, тому удар або ударне навантаження слід мінімізувати, щоб уникнути ризику розтріскування. Керамічні підшипники з нітриду кремнію чорного кольору. Як правило, внутрішнє та зовнішнє кільця та кульки виготовлені з нітриду кремнію, а клітка виготовлена з PTFE або нейлону. У такому поєднанні термостійкість не перевищує 240 градусів (оскільки сам PTFE також є різновидом нейлону, тому виріб, якщо в ньому присутній цей матеріал, термостійкість не перевищить 240 градусів.
Підшипники з нітриду кремнію використовувалися як основний тип підшипників для різноманітних аерокосмічних застосувань. Варто зазначити, що космічні човники NASA спочатку будувалися з використанням сталевих підшипників у турбінних насосах, що виявилося невідповідним рішенням, коли космічні човники, а особливо їх двигуни, зазнавали величезних навантажень і температур. Через ці екстремальні навантаження інженери NASA модернізували підшипники до підшипників з нітриду кремнію через їхню перевагу у вакуумному середовищі. Вражаюче, що, згідно з аналізом NASA, підшипники Si3N4 забезпечують 40% покращення часу роботи порівняно зі сталевими підшипниками.
Переваги підшипників з нітриду кремнію
Ознайомтеся з перевагами, застосуванням і ключовими міркуваннями для керамічних підшипників з нітриду кремнію (Si3N4). Підшипники з нітриду кремнію швидко знаходять свій шлях до різних галузей промисловості завдяки унікальному поєднанню міцності, легких властивостей і стійкості до навколишнього середовища.
Легкі характеристики : керамічні підшипники Si3N4 приблизно на 40% легші за сталеві. Значне зменшення ваги означає меншу інерцію та менше енергії, необхідної для механічного прискорення та гальмування, що підвищує ефективність у високошвидкісних застосуваннях.
Виняткова твердість та зносостійкість : Нітрид кремнію відомий своєю надзвичайно високою твердістю, яка перевищує твердість більшості металів. Ця твердість допомагає покращити зносостійкість, тим самим подовжуючи термін служби підшипника навіть у важких умовах експлуатації.
Низький коефіцієнт тертя : Гладка поверхня керамічних підшипників Si3N4 у поєднанні зі складом матеріалу забезпечує дуже низький коефіцієнт тертя. Такий низький коефіцієнт тертя мінімізує виділення тепла та втрати енергії, тим самим підвищуючи загальну ефективність обладнання.
Високотемпературна стійкість : Керамічні підшипники Si3N4 зберігають свої механічні властивості за високих температур, де традиційні матеріали можуть руйнуватися. Це робить їх придатними для застосувань з високими робочими температурами, розширюючи термін їх використання в середовищах, непридатних для металевих підшипників.
Корозійна та хімічна стійкість : Нітрид кремнію за своєю суттю стійкий до широкого спектру агресивних речовин, включаючи воду, солону воду, а також багато кислот і лугів. Ця стійкість забезпечує їхню надійність у агресивних середовищах, таких як хімічна обробка або морське застосування.
Електроізоляційні властивості : Керамічні підшипники з нітриду кремнію є електроізоляційними. Ця властивість є критично важливою в електричних та електронних пристроях, оскільки ізоляція необхідна для запобігання гальванічній корозії та пов'язаним з нею пошкодженням.
Сумісність із середовищами високого вакууму : Підшипники з нітриду кремнію можуть ефективно працювати в середовищах високого вакууму без ризику виділення газів, що є поширеною проблемою для деяких матеріалів у вакуумі.
Зменшене теплове розширення : нітрид кремнію має нижчий коефіцієнт теплового розширення, що забезпечує розмірну стабільність у діапазоні температур і зменшує зазори, які можуть впливати на точність.
Немагнітний : Немагнітні властивості нітриду кремнію роблять його придатним для застосувань, де необхідно уникати магнітних перешкод, таких як деякі медичні або електронні пристрої.
Потенціал для роботи без змащення : Завдяки своїм властивим характеристикам, керамічні підшипники з нітриду кремнію можуть працювати без змащення в певних випадках, що зменшує вимоги до технічного обслуговування та усуває
Недоліки підшипників з нітриду кремнію
Дорого : Через складний процес приготування ціна відносно висока.
Чутливість до ударів : Підшипники з нітриду кремнію чутливіші до пошкоджень від ударів, ніж підшипники з цирконію.
Корпус підшипника з нітриду кремнію
Керамічні підшипники Si3N4 доступні в ряді варіантів сепараторів, кожен з яких адаптований до конкретних вимог:
Клітка PEEK: клітка PEEK, відома своєю високою міцністю та хімічною стійкістю, ідеально підходить для різноманітних суворих умов.
Сепаратори з ПТФЕ: ці сепаратори мають відмінну хімічну інертність і низький коефіцієнт тертя, що робить їх ідеальними для застосувань, які вимагають мінімального опору.
Корпус з нержавіючої сталі 316: найкраще підходить для застосувань, які вимагають міцності та помірної термостійкості та стійкості до корозії.
Підвищена вантажопідйомність: керамічні підшипники з повним додаванням нітриду кремнію мають додаткові кульки й не мають обойми, що має навантажувальну здатність приблизно на 20% вища, ніж підшипники з обоймою.
Зауваження щодо швидкості: однак через збільшення кількості тіл кочення та пов’язане з цим тертя максимальна робоча швидкість цих підшипників на 70% нижча, ніж у порівнянних підшипників із сепараторами.
| особливість | Цирконієві керамічні підшипники | Керамічні підшипники з нітриду кремнію | Керамічні підшипники з карбіду кремнію |
Твердість матеріалу | Високий | дуже висока | надзвичайно високий |
Маса | легший за сталь | про. На 40% легше сталі | легший за сталь |
Коефіцієнт тертя | від низького до середнього | дуже низька | низький |
Найвища термостійкість | до 400°С | до 1200°С | до 1600°С |
стійкість до корозії | дуже хороший | відмінно | Чудова продуктивність у кислому та солоному середовищах |
електроізоляція | Високий | Високий | Зміна |
теплове розширення | простота | низький | низький |
Ударостійкість/ударостійкість | добре | добре | Високий |
Щоб максимізувати термін служби та продуктивність підшипників з нітриду кремнію, рекомендується працювати при зниженні максимального навантаження та номінальної швидкості. Цей підхід особливо важливий, оскільки вони крихкі, ніж менш тверді матеріали.
Застосування підшипників з нітриду кремнію
Керамічні підшипники Si3N4 широко використовуються в різних галузях промисловості завдяки своїм унікальним характеристикам. Основні програми включають:
Морське застосування : Їхня стійкість до повного та постійного занурення робить їх ідеальними для морського застосування.
Середовище високого вакууму : Матеріальні властивості нітриду кремнію є корисними для застосувань у високому вакуумі.
Прецизійне застосування : Низький коефіцієнт тертя та висока несуча здатність роблять його придатним для прецизійного машинобудування.
Електромобілі : У галузі електромобілів їхня легка вага та електроізоляційні властивості підвищують ефективність та надійність двигуна.
Керамічні підшипники з цирконію білого кольору. Зазвичай внутрішні та зовнішні кільця та кульки виготовлені з цирконію, а сепаратор з PTFE (тобто тефлону). Ця комбінація може витримувати температуру до 240 градусів Цельсія, але якщо потрібна термостійкість від 240 до 400 градусів Цельсія, кульку необхідно заповнити цирконієм (тобто сепаратор не використовується, а вся кулька виготовлена з цирконію), щоб вона могла витримувати температуру близько 400 градусів.
Цирконієві підшипники - це переважно керамічні підшипники, виготовлені з цирконію (ZrO2) як основної сировини. Він має винятково високу міцність, високу міцність на вигин і високу зносостійкість, що робить його чудовим у багатьох сферах. Крім того, коефіцієнт теплового розширення цирконієвої кераміки близький до металів, що дозволяє їй ідеально поєднуватися з металами. Іншою важливою особливістю цирконієвих підшипників є їх теплоізоляційні властивості, які дозволяють їм працювати в середовищі з високою температурою та витримувати різкі зміни температури. Керамічні підшипники, виготовлені з ZrO2 або діоксиду цирконію, є міцним керамічним матеріалом із властивостями розширення, дуже схожими на сталь, але вони на 30% легші. Це є перевагою при розгляді відповідності вала та корпусу в умовах високої температури, де розширення підшипника може призвести до того, що вал більше не підходить. Хоча їх часто називають підшипниками ZrO2, вони насправді виготовлені з ZrO2, стабілізованого оксидом ітрію, який надає матеріалу більшої міцності та стійкості до руйнування при кімнатній температурі. Вони також надзвичайно водонепроникні, що означає, що їх часто використовують у морських додатках, особливо там, де обладнання повністю занурено, або де традиційні сталеві підшипники не можуть впоратися з навантаженням чи швидкістю.
Шарикопідшипники з цирконієвої кераміки проти керамічних шарикопідшипників з нітриду кремнію
Підшипники з цирконієвої кераміки (ZrO2) і керамічні підшипники з нітриду кремнію (Si3N4) є обома типами керамічних підшипників. Зазвичай вони широко використовуються в галузі високоточного машинобудування або в галузі абразивних матеріалів. Основні відмінності між цирконієвими керамічними шарикопідшипниками та керамічними шарикопідшипниками з нітриду кремнію:
Колір
Більш ніж 80% цирконієвих керамічних куль в основному білі, і білі цирконієві керамічні кульки мають справжній колір. Але іноді ви бачите, що керамічні кульки виглядають світло-жовтими або сірими, оскільки цирконій містить невелику кількість домішок. Цирконієві керамічні кульки мають високу міцність, високу міцність на вигин і зносостійкість, чудові теплоізоляційні властивості та коефіцієнт теплового розширення, близький до сталевих кульок. Керамічні кульки з нітриду кремнію переважно виготовлені з сажі. Вони надзвичайно стійкі до високих температур, і їх міцність може зберігатися до 1,200 градусів без зниження. Вони є одними з найтвердіших матеріалів у світі.
Порівняння фізичних показників
З точки зору фізичних властивостей, цирконієві керамічні кульки мають чудову зносостійкість і стійкість до корозії, тоді як керамічні кульки з нітриду кремнію також мають такі ж чудові характеристики. У той же час керамічні кульки з нітриду кремнію також добре працюють з точки зору точності обробки. Таким чином, у галузях застосування високоточних машинобудівної промисловості, таких як надточні підшипники, на додаток до широкого використання сталевих кульок, керамічні кульки також стали популярними в точних підшипниках. Оскільки керамічні кульки мають антикорозійні та антикорозійні характеристики порівняно зі сталевими кульками підшипників, а точність обробки навіть вища, ніж сталеві кульки.
У той же час він може відігравати роль стійкості до високих температур у середовищах з високою температурою. Тому керамічні кульки з’являються в підшипниках та інших надточних машинах, таких як напрямні рейки, аксесуари лінійного ковзання тощо, і мають тенденцію замінювати сталеві кульки.
Властивості матеріалу | Цирконієвий підшипник | Підшипник із нітриду кремнію |
Щільність (кг·м-3) | 5900 | 3250 |
Модуль пружності (ГПа) | 205 | 310 |
Міцність на стиск (МПа) | 2000 | ＞ 3500 |
Модуль міцності (МПа) | 600-900 | 700-1000 |
Твердість за Віккерсом (ГПа) | 10-13 | 14-18 |
Міцність (МПа·м1/2) | 8-12 | 5-8 |
Коефіцієнт теплового розширення (К-3·10-6) | 12 | 3.4 |
Питома теплоємність (Дж·кг-1·К-1) | 400 | 800 |
Верхня межа температури використання (℃) | 750 | 1050 |
Ударопрочность | середа | Високий |
Режим втомного руйнування контакту кочення | Чистити | Чистити |
З таблиці видно, що щільність нітриду кремнію становить 55.09% від щільності цирконієвої кераміки. Керамічні підшипники, виготовлені з нітриду кремнію, мають легку вагу, що дозволяє використовувати їх у медичних виробах, побутовій техніці, двигунах аерокосмічного обладнання та колінчастих валах гоночних автомобілів. Водночас, завдяки низькій щільності, при використанні нітриду кремнію як елемента кочення, відцентрова сила, що створюється обертовим тілом під час обертання підшипника, зменшується, що сприяє високошвидкісному обертанню. Це дозволяє використовувати його в газотурбінних двигунах, шпинделях верстатів, обладнанні для відцентрового розділення та інших галузях.
Модуль пружності та міцність на стиск нітриду кремнію також вищі, ніж у оксиду цирконію, що сприятливо впливає на здатність підшипника витримувати навантаження; коефіцієнт теплового розширення нітриду кремнію менший, ніж у оксиду цирконію, що сприяє зменшенню реакції підшипника на температуру. Зміна чутливості розширює діапазон робочих швидкостей підшипників; Стійкість нітриду кремнію до високих температур, стійкість до корозії та відмінна хімічна стабільність дозволяють використовувати кераміку з нітриду кремнію при високих температурах і в місцях, де не можна використовувати оксид цирконію, наприклад гідроксид сульфат натрію. Сильні кислотно-лужні сцени.
Хоча кераміка з нітриду кремнію має характеристики високої адаптивності та чудової продуктивності, вартість керамічних підшипників з нітриду кремнію відносно висока. Порівняно з іншими керамічними матеріалами (нітрид кремнію тощо), процес приготування цирконієвих матеріалів є відносно простим, вартість необробленого тіла низька, і його легко продати. Таким чином, цирконієві керамічні підшипники можна використовувати в програмах, які мають відносно низькі вимоги до продуктивності та низькі вимоги до вартості. Нижня сцена. У той же час міцність діоксиду цирконію вища, ніж у нітриду кремнію, що сприяє стабільному використанню підшипників.
Чи варта додаткова вартість того?
Суцільнокерамічні підшипники, як правило, кругліші, гладкіші та твердіші за сталеві, мають відмінну стійкість до корозії та тепла, вищу стабільність розмірів і меншу щільність. Однак це має певну ціну. Керамічні підшипники набагато дорожчі, ніж сталеві. Отже, коли варто інвестувати в керамічні підшипники?
Додатки високої вартості, такі як лабораторне обладнання, мають точні вимоги, які потрібно виконувати щоразу, коли використовується програма. Використання неправильних компонентів у такому обладнанні може забруднити умови дослідження або призвести до повної зупинки дослідження. Це те саме, що й у медичному обладнанні, де вільні від забруднень і немагнітні властивості керамічних підшипників є критичними.
Візьмемо магнітно-резонансну томографію (МРТ), метод візуалізації, який переважно пов’язаний із лікарняними МРТ-сканерами. Технологія використовує сильні магнітні поля для створення дво- або тривимірних зображень будь-якого живого об’єкта. Стандартні сталеві підшипники не можна використовувати в цих сканерах через магнетизм, тому керамічні підшипники є найкращим вибором для цих високовартісних застосувань.
Так само, оскільки виробники інтегральних схем прагнуть зробити свої мікросхеми швидшими, меншими та дешевшими, компанії, що займаються виробництвом напівпровідникового обладнання, стали покладатися на вдосконалені керамічні компоненти для досягнення необхідної продуктивності. Підшипники, виготовлені з нітриду кремнію замість стандартного оксиду алюмінію (оксиду алюмінію), забезпечують електричну ізоляцію та хорошу стійкість до корозії.
У сучасних галузях промисловості підшипники широко використовуються, а підшипники з діоксиду цирконію та підшипники з нітриду кремнію, як два високоефективні керамічні підшипники, стали першим вибором у багатьох ситуаціях із високим попитом завдяки своїм унікальним фізичним і хімічним властивостям. Тож у чому різниця між цими двома і як нам вибрати?
Нітрид кремнію має подібні питомий опір і діелектричну проникність до оксиду алюмінію, але завдяки своїй мікроструктурі матеріал набагато міцніший. Суцільнокерамічні підшипники можуть витримувати багато складних умов, присутніх на етапі виробництва напівпровідників; від температури духовки, що наближається до 1400 градусів за Цельсієм, до якості повітря в чистих приміщеннях класу 1. Раптом додаткова вартість явно виправдана.
Загалом підшипники з діоксиду цирконію та підшипники з нітриду кремнію мають свої переваги та недоліки. Під час вибору необхідно враховувати фактичні потреби та умови застосування, щоб вибрати найбільш підходящий матеріал. Наприклад, цирконієві підшипники є хорошим вибором для застосувань, які вимагають високої зносостійкості та теплоізоляції; тоді як підшипники з нітриду кремнію підходять для застосувань, які вимагають високої міцності та стійкості до корозії.
Повністю керамічні чи гібридні керамічні підшипники?
Коли більшість людей думають про керамічні підшипники , вони зазвичай мають на увазі гібридні версії. Гібридні підшипники знаходяться десь посередині між керамічними та сталевими та зазвичай включають кільця або обручі з нержавіючої сталі та керамічні кульки. Сталеві внутрішні та зовнішні кільця гібридних підшипників можна обробляти з дуже жорсткими допусками, а це означає, що вони найкраще підходять для таких застосувань, як електродвигуни, лабораторне обладнання та верстати.
Наприклад, на шліфувальній машині тертя можна зменшити, додавши керамічні гібридні підшипники та синтетичне мастило, що збільшить кількість обертів за хвилину (RPM) на 25%. Шліфувальний шпиндель з гібридною керамікою може без проблем працювати 4,000 годин, тоді як шліфувальний шпиндель зі сталевими підшипниками може працювати 3,000 годин. Гібридні підшипники також знижують температуру майже на 50%. У горизонтальних обробних центрах перехід від звичайних до гібридних підшипників знижує температуру підшипників з 60 градусів за Цельсієм до 36 градусів за Цельсієм при 12,000 XNUMX об/хв.
Вищі швидкості можна досягти за допомогою гібридних комбінацій підшипників, ніж за допомогою повністю керамічних підшипників, оскільки менш крихкі металеві кільця менш схильні до раптового катастрофічного руйнування на високих швидкостях або під навантаженням. Проте, корозійна стійкість гібридних підшипників блідне в порівнянні з повністю керамічними підшипниками. Вибір правильних підшипників для екстремальних умов завжди був складним питанням. Але так само, як цирконій прояснив походження життя, відповідь на ці три питання допоможе в процесі прийняття рішень.