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Consulenza e guida per la progettazione di cuscinetti in ceramica

Sapete quando e perché usare cuscinetti in ceramica? Erick Sloan da Carter Manufacturing Limited scrive guida di un Ingegnere sui pro ei contro di progettazione con cuscinetti ceramici.

E 'molto importante capire i vantaggi e gli svantaggi di cuscinetti in ceramica prima di progettare nella vostra applicazione. Questo articolo metterà in evidenza i pro ei contro, delineare i materiali comuni cuscinetti ceramici e toccare alcune delle infinite applicazioni in campo oggi.

vantaggi
microstrutture ceramica godono covalente legame intrinseco tra elementi non metallici. Questo significa che condividono elettroni. Questo atomico cooperazione produce una notevole forza di attrazione e per questo, ceramiche offrono una serie di vantaggi rispetto ai metalli:

Hanno normalmente molto elevata durezza (70-90 HRC) ed elastico o di Young, il modulo. Questo significa che sono resistenti a plasmare il cambiamento quando i carichi sono applicati con caratteristiche di usura migliorate.

I cuscinetti in ceramica possono essere eseguiti senza lubrificazione. Questo perché materiali ceramici non lo fanno micro-saldatura. Micro-saldatura avviene, tipicamente metalli, quando le imperfezioni superficiali sul corpo volvente e pista interagiscono tra loro causando un arco elettrico. Questo degrada la superficie e sostanzialmente riduce la durata del cuscinetto. I materiali ceramici non hanno questo problema, che li rende adatti per varie applicazioni che richiedono un ambiente privo di olio lubrificante.

Di solito si comportano in modo stabile alle alte temperature significato non è l'espansione termica di meno. Ci vuole molto di più energia per aumentare la lunghezza di legame di un legame covalente in confronto ad un legame ionico metallico.

Le ceramiche sono non metallici, materiali non ferrosi. Essi non corrodono nello stesso modo come i metalli in presenza di acqua e altre sostanze chimiche pericolose. Il loro alto grado di resistenza alla corrosione permette loro di svolgere in modo eccellente in ambienti umidi e chimicamente aggressivi.

Molti ceramica tecnica hanno anche una bassa densità che porta a miglioramenti nella velocità di funzionamento dei cuscinetti ", che è a causa delle basse forze centripete e attrito ridotto.

A causa della mancanza di elettroni liberi nella maggior ceramiche, sono isolatori non magnetici ed eccellenti.

Svantaggi
So cosa state pensando: guarda tutti quei vantaggi! Perché non sono tutti i cuscinetti in queste materie brillanti? Ma temo che ho un po 'di potenzialmente cattive notizie.

La prima cosa che la gente potrebbe notare quando la ricerca di cuscinetti in ceramica è che sono sostanzialmente più costosi rispetto ai loro omologhi di metallo. Ci sono molte ragioni per questo.

Ci sono costi estremamente elevati di energia e di elaborazione associate con l'energia massiccia necessario a raggiungere la temperatura richiesta per il processo di sinterizzazione di materie prime di alta qualità. Dal momento che la ceramica sono così difficili, la lavorazione ed i costi di rettifica si sommano rapidamente quando la produzione di cuscinetti di precisione. Tutto questo deve essere fatto in un ambiente pulito, con una forza lavoro qualificata. La ceramica è incredibilmente sensibile alle impurità nei loro pori in modo che qualsiasi contamina potrebbero causare guasti prematuri. Come la dimensione aumenta il prezzo aumenta anche in modo esponenziale a causa del requisito dei metodi di trasformazione ad alto costo. Questi includono un processo di sinterizzazione lento necessaria per superare il gradiente di temperatura nel corpo verde, la quantità di pressione applicata uniformemente su un grande volume e dei costi della macchina risultanti.

cuscinetti ceramici hanno capacità di carico inferiori rispetto ai metalli e sono sensibili agli shock termici. Lo shock termico è quando il gradiente di temperatura all'interno del materiale provoca una dilatazione differenziale, che determina una sollecitazione interna. Questo stress può superare la resistenza del materiale formando così una crepa.

Ceramica sono anche più difficili da ottenere una finitura superficiale di alta qualità. E 'possibile macinare ad una finitura superficiale Ra 0.1, che permette una classe P5 precisione da raggiungere. Tuttavia, a causa di recenti progressi tecnologici, le classi di precisione più elevati sono ora possibile con cuscinetti ceramici Carter.

Materiali comuni cuscinetto di ceramica
Nitruro di silicio combina il mantenimento di elevata resistenza e resistenza allo scorrimento con resistenza all'ossidazione. Esso dispone di funzionalità ad alte temperature meglio della maggior parte dei metalli e il suo basso coefficiente di dilatazione termica fornisce una resistenza agli shock termico migliore in confronto con la maggior parte dei materiali ceramici. Nitruro di silicio è di colore nero e il materiale di scelta per applicazioni sotto vuoto e ad alta velocità. E '58% più leggero dell'acciaio tradizionale provocando una riduzione della forza centripeta generata dai corpi volventi, che aumenta in modo significativo la vita di fatica.

A differenza di altri materiali ceramici, nitruro di silicio può contenere carichi simili a cuscinetti in acciaio; tuttavia, è inadatto per la progettazione gara in qualsiasi applicazione con carico d'urto a causa della durezza del materiale.

Zirconia (ZrO2) è stata sviluppata negli 1960 e 1970 per produrre una barriera termica sulle piastrelle esterne di uno space shuttle al fine di consentire alla navetta di rientrare nell'atmosfera terrestre senza disintegrarsi. Da allora, la zirconio è stato il materiale di scelta per applicazioni ad alta temperatura e altamente corrosive. La densità e l'espansione termica della Zirconia è più simile all'acciaio di quella di qualsiasi altro materiale ceramico; pertanto, non ha lo stesso risparmio di peso e resistenza agli shock termici di cui godono altri materiali ceramici. Tuttavia, rispetto al nitruro di silicio e al carburo di silicio, la zirconio ha un'elevata resistenza alla frattura. La zirconia è di colore bianco.

Meno frequentemente utilizzato rispetto ad altri materiali ceramici a causa del suo costo materie prime e la difficoltà di lavorare, carburo di silicio offre il meglio di calore e resistenza alla corrosione di tutti i materiali ceramici.

Carburo di silicio è utilizzato al meglio in presenza di carichi bassi e in ambienti altamente corrosivi.

Le proprietà del materiale di questi materiali ceramici sono elencati nelle tabelle qui di seguito insieme a 440C acciaio inox per scopi di confronto.

Applicazioni

Spazio e satelliti
Molti materiali moderni trovano la loro origine in tecnologia spaziale pionieristico. Molti materiali ceramici che ora sono comunemente utilizzati in cuscinetti sono stati sviluppati per questo motivo. L'esplorazione dello spazio espone carichi estremi e ambienti turbolenti mentre esigenti stretto vincoli di peso e requisiti di vuoto.

I cuscinetti in ceramica sono in grado di soddisfare questi requisiti come molti di loro sono leggeri e di vuoto compatibile. A differenza dei loro equivalenti acciaio, cuscinetti ceramici sono in grado di funzionare senza lubrificazione che ferma non solo possibile contaminazione dei componenti delicati nelle applicazioni circostanti, ma riduce anche il peso in quanto non vi è alcuna necessità di grassi pesanti. Inoltre non sperimentano saldatura a freddo a differenza dei loro omologhi in acciaio.

Chimica e Medicina
Molte applicazioni in cui la contaminazione può essere potenzialmente pericolosa per la vita, i cuscinetti ceramici offrono le soluzioni migliori. Che si tratti di miscelare prodotti chimici o apparecchiature mediche, gli acciai standard soccombono all'azione di acidi e alcali forti. Gli acciai standard, compreso l'acciaio inossidabile, possono arrugginire se lavati con soluzioni e causare una contaminazione da particolato. I cuscinetti ceramici non reagiscono allo stesso modo degli acciai standard perché sono composti chimicamente inerti. Ciò significa che non sono chimicamente reattivi ai materiali corrosivi e non rilasciano sottoprodotti nocivi.

I cuscinetti standard in acciaio richiedono anche una qualche forma di lubrificazione, grasso o olio, che può essere difficile da pulire e alla fine allevare batteri non idonei per applicazioni sanitarie. Inoltre, poiché i cuscinetti ceramici possono funzionare a secco e senza lubrificazione aggiuntiva, non c'è nessuna ulteriore microbiologia di cui preoccuparsi.

strumentazione scientifica
Alcuni strumentazione altamente specializzata può richiedere un sistema completamente non magnetico. Il fenomeno magneto-ottico chiamato l'effetto Faraday mostra l'interazione tra luce e un campo magnetico in un mezzo. Se la luce viene misurato o utilizzata in uno strumento, un cuscinetto in acciaio standard deve essere evitata. I cuscinetti in ceramica sono l'ideale per situazioni in cui la risonanza magnetica è un problema.

Conclusioni

cuscinetti ceramici presentano una vasta gamma di vantaggi per applicazioni di ingegneria ma hanno anche svantaggi che devono essere presi in considerazione. Sono estremamente duro, resistente alla corrosione e hanno un alto modulo elastico. Essi sono in grado di funzionare senza lubrificazione, hanno una bassa dilatazione termica, sono normalmente bassa densità e avere qualità non magnetici. Tuttavia, essi sono costosi, hanno capacità di basso carico, sono sensibili agli shock termici e sono difficili da ottenere un'elevata qualità di finitura superficiale.

Sia che si sta utilizzando nitruro di silicio, ossido di zirconio o carburo di silicio, cuscinetti in ceramica sono disponibili per una vasta gamma di applicazioni come lo spazio, chimico, medico e strumentazione scientifica.

Process Industry Informer

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