Керамические подшипники

Полностью керамические подшипники, как правило, более округлые, гладкие и твердые, чем стальные, обладают превосходной коррозионной и термостойкостью, более высокой стабильностью размеров и более низкой плотностью. Однако за это приходится платить. Керамические подшипники значительно дороже своих стальных аналогов.

Итак, когда же инвестиции в керамические подшипники становятся оправданными?

Высокоценные приложения, такие как лабораторное оборудование, имеют точные требования, которые необходимо выполнять каждый раз при использовании приложения. Использование неправильных компонентов в таком оборудовании может привести к загрязнению условий исследования или к его полному прекращению. То же самое относится и к медицинскому оборудованию, где немагнитные и незагрязняющие свойства керамических подшипников оказываются жизненно важными.

Возьмем, к примеру, магнитно-резонансную томографию (МРТ) — метод визуализации, связанный в основном с больничными МРТ-сканерами. Эта технология использует сильное магнитное поле для создания двух — или трехмерных изображений любого живого объекта. Стандартные стальные подшипники не могут быть использованы в этих сканерах из-за их магнитных свойств, поэтому керамические подшипники являются лучшим выбором для использования в этих дорогостоящих приложениях.

Точно так же, как производители интегральных схем стремятся сделать свои чипы быстрее, меньше и дешевле, компании по производству полупроводникового оборудования становятся все более зависимыми от передовых керамических компонентов для достижения желаемой производительности. Использование подшипников, изготовленных из нитрида кремния, а не стандартного оксида алюминия (оксида алюминия), обеспечивает электрическую изоляцию и хорошую коррозионную стойкость.

Удельное сопротивление и диэлектрическая проницаемость нитрида кремния аналогичны удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости оксида алюминия, но материал намного прочнее благодаря своей микроструктуре. Полностью керамические подшипники могут приспособиться ко многим сложным условиям, присутствующим на этапах производства полупроводников; от температуры печи, которая может достигать почти 1400 градусов Цельсия, до качества воздуха в чистом помещении 1. Внезапно возросшие расходы становятся явно оправданными.

Цирконий или нитрид кремния?

Существует целый ряд коммерчески доступных типов керамических подшипников, все они обладают многими преимуществами по сравнению с традиционными подшипниковыми элементами. Типичными керамическими материалами, используемыми в качестве несущих материалов, являются нитрид кремния (Si3N4) и цирконий (ZrO2).

Нитрид кремния-очень твердый, но и очень легкий материал. Обладая превосходной устойчивостью к воде, соленой воде и многим кислотам и щелочам, он также имеет очень широкий температурный диапазон и подходит для использования в условиях высокого вакуума. Чрезвычайная твердость нитрида кремния также означает большую хрупкость, поэтому ударные или ударные нагрузки должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать риска растрескивания.

Нитрид кремния был использован в качестве основного материала в нескольких аэрокосмических приложениях. Примечательно, что космические челноки НАСА изначально были сделаны со стальными подшипниками внутри их турбонасосов — не очень хорошая комбинация, когда космический челнок, и особенно его двигатели, испытывали огромные нагрузки и температуры. Из-за этих экстремальных нагрузок инженеры НАСА модернизировали подшипники до эквивалента нитрида кремния, благодаря его превосходству в вакуумной среде. Впечатляюще, что, согласно аналитическому отчету НАСА, подшипники Si3N4 показали 40-процентное увеличение времени работы по сравнению со своими стальными аналогами подшипников.

Керамические подшипники, изготовленные из ZrO2, или диоксида циркония, представляют собой прочный керамический материал с очень похожими свойствами расширения на сталь, хотя они на 30% легче. Это является преимуществом при рассмотрении пригодности вала и корпуса для применения при более высоких температурах, когда расширение подшипника может означать, что вал больше не подходит.

Хотя их обычно называют подшипниками ZrO2, на самом деле они сделаны из ZrO2, стабилизированного оксидом иттрия, что придает материалу большую прочность и устойчивость к разрушению при комнатной температуре. Они также чрезвычайно водостойки, что означает, что они часто используются в морских приложениях, особенно там, где оборудование полностью погружено в воду или где традиционные стальные подшипники не справляются с нагрузкой или скоростью.

Взвешивание того, является ли подшипник Si3N4 или ZrO2 правильным вариантом, является сложным решением, но, вообще говоря, подшипники ZrO2 чаще всего определяются из-за их чрезвычайной коррозионной стойкости и более жестких свойств.

Полная керамика или гибридная керамика?

Когда большинство людей думают о керамических подшипниках, они обычно имеют в виду гибридные версии. Гибридные подшипники расположены в середине керамики и стали, обычно включая кольца или кольца из нержавеющей стали и керамические шарики. Стальные внутренние и наружные кольца гибридного подшипника могут быть обработаны с очень близкими допусками, что означает, что они лучше всего подходят для таких применений, как электродвигатели, лабораторное оборудование и станкостроение.

Например, на шлифовальном станке можно добиться на 25% более высоких оборотов в минуту (об / мин), добавив керамические гибридные подшипники и синтетическую смазку из-за снижения трения. Шлифовальные шпиндели с гибридной керамикой могут работать 4000 часов без проблем, по сравнению с 3000 часами со стальными подшипниками. Гибридные подшипники также могут снижать температуру почти на 50%. В горизонтальном обрабатывающем центре переход от традиционных подшипников к гибридной альтернативе приводит к снижению температуры подшипников с 60 до 36 градусов Цельсия при 12 000 оборотах в минуту.

Использование гибридной комбинации подшипников обеспечивает более высокие скорости, чем полностью керамические варианты, так как менее хрупкие металлические кольца не так подвержены внезапному катастрофическому отказу при высокой скорости или нагрузке. Тем не менее, коррозионная стойкость гибридного подшипника бледнеет по сравнению с полным керамическим эквивалентом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *