Keramiske kugler af siliciumnitrid

Keramiske kugler af siliciumnitrid har mange fordele i forhold til almindelige metalkugler, bl.a. modstandsdygtighed over for høje temperaturer, lave friktionsniveauer og modstandsdygtighed over for kemisk indtrængen. Brugen af dem reducerer vedligeholdelsesomkostningerne og forlænger maskinens levetid.

Slibe- og lappeteknikker, der bruges til efterbehandling af Si3N4-hybridlejer, kan være dyre og tidskrævende processer, der ofte efterlader overflader med ridser, mikrorevner, gruber eller løsrevne korn, der kompromitterer deres funktionalitet. Men nu er der en nemmere løsning: CMRF (clustered magnetorheological finish). Denne teknik bruger klynget magnetorheologisk effektmagnetoresistens (CMRF).

Hårdhed ved høje temperaturer

Siliciumnitrid er et avanceret keramisk materiale, der er designet til anvendelser, der kræver høj temperatur, korrosion og mekanisk belastningstolerance. På grund af sin holdbarhed og styrke bidrager siliciumnitrid til større maskineffektivitet og levetid.

Siliciumnitrid adskiller sig fra metaller ved at modstå slid, hvilket gør det meget mindre sårbart over for korrosion i barske miljøer. Desuden er det kemisk inert, så det kan modstå aggressive kemikalier uden at tage skade, og det er ikke-magnetisk og elektrisk isolerende, hvilket er andre fordele, der gør siliciumnitrid til et ideelt materialevalg.

Keramiske materialer klassificeres ud fra deres modstandsdygtighed over for gennemtrængning af en påført kraft (f.eks. Vickers- eller Knoop-indrykningstest). Jo højere hårdhed, jo større modstand. Mikrohårdhedsmålinger kan dog ikke nemt sammenlignes på tværs af målemetoder eller udstyr.

Hårdhedsmålinger for si3n4-keramiske kugler afhænger af partikelstørrelse, kornstruktur og GB-faser - det gør fortolkningen af resultater fra hårdhedstests afgørende. Vickers- og Knoop-hårdhedstests bruges ofte til at måle keramisk hårdhed, men deres målinger kan ændres af ændringer i temperatur, forskydning og indtryksdybde. For at sikre nøjagtige resultater er det afgørende at følge hver metodes anbefalede testbetingelser samt at bruge en indrykker, der er kalibreret med kendte standarder - brug standardbelastningssystemer og gentag testen på identiske prøver.

Letvægt

Siliciumnitridkeramik er ikke-magnetisk og elektrisk isoleret, modstandsdygtig over for korrosion og velegnet til havmiljøer på grund af sin lave vægt og manglende centrifugalkraft på lejer. Da det mindsker centrifugalkraften på lejer og øger driftshastigheden - og dermed mindsker friktionen mellem kugle og aksel og øger deres levetid - er siliciumnitridkeramik et fremragende materialevalg til lejer i barske miljøer som f.eks. marineapplikationer.

Siliciumnitrids isolerende egenskaber hjælper med at forhindre elektrolytisk korrosion og beskytter de indre dele, hvilket gør det muligt for elektriske motorer at bruge keramiske lejer oftere. Deres øgede temperaturtolerance og belastningskapacitet betyder, at de er ideelle til brug i elmotorer.

Keramiske lejer af siliciumnitrid er 1/4 lettere end deres modstykker af stål og har en usædvanlig lav densitet og lineær ekspansionskoefficient sammenlignet med lejer af stål, hvilket hjælper med at reducere friktionskræfter i forbindelse med rotationshastighed og samtidig beskytter deres indre overflader mod skader forårsaget af svingninger i rotationshastigheden og hurtige temperaturskift. På grund af sin lette og stive konstruktion gør siliciumnitridkeramik det desuden lettere at håndtere tunge industrielle applikationer, der kræver store lejer.

Overlegen overfladefinish

Siliciumnitrid er et ikke-porøst og isolerende materiale, som eliminerer korrosionsproblemer i krævende miljøer. Desuden er det lettere end stål, hvilket reducerer centrifugalkraft, friktion og udskridning i forhold til dets stivhed; desuden er det temperaturbestandigt, hvilket gør det ideelt til lejedele.

Når de er sintret, gennemgår de keramiske kugler en præcisionsslibningsproces for at sikre ensartet størrelse og sfærisk nøjagtighed til brug i lejeapplikationer. Endelig får de en glat overfladefinish for yderligere at reducere friktion og slid i deres endelige anvendelse. Desuden er si3n4-keramiske kugler både slid- og slagfaste, så de kan fungere effektivt over lange perioder uden behov for hyppig smøring.

I denne undersøgelse blev der udviklet en halvfast magnetorheologisk efterbehandlingspude til polering af den sfæriske overflade på en Si3N4-kugle ved at anvende forskydningskraft (figur 1). Efterbehandlingsopslæmningen bestod af 400 ml polervæske, der indeholdt 4% diamantslibekorn (1 mm) og 16% hydroxyljernpulver (3 mm).

For at undersøge indflydelsen af efterbehandlingsparametre på overfladefinishen af Si3N4 keramiske kugler blev kinematikken i deres efterbehandlingsproces undersøgt gennem en analyse af rotationshastigheder oz og oj samt vinkler th og g. Derudover afslørede visuel sporanalyse, at for optimal overfladefinish med kvalitetsniveau G5 i henhold til national standard kunne dette bedst opnås ved hjælp af poleringsparametre såsom rotationsforhold 30rpm/40rpm med excentricitet 10mm og bearbejdningsspalte på 0,8mm.

Biokompatibel

Si3N4 er et ikke-oxidkeramisk materiale, der er kendetegnet ved fremragende mekaniske og korrosionsbestandige egenskaber. Det er selvsmørende, isolerende og kan tåle termiske chok uden at tage skade; desuden leder det ikke elektricitet, hverken magnetisk eller elektrisk - men kan alligevel fremstilles med høj præcision og god overfladefinish med en gennemsnitlig ruhed på 4-6 nm.

Siliciumnitrid har længe været anerkendt som et ideelt biomateriale til medicinske anvendelser siden 1980'erne. Dets mekaniske egenskaber konkurrerer med titanium, mens dets hårdhed overgår aluminiumoxid, hvilket gør det muligt at bære tunge belastninger uden at beskadige dem; desuden har siliciumnitrid også gunstige termomekaniske og tribologiske egenskaber.

In vivo-tests har vist, at Si3N4-implantater er kompatible med menneskelig knogle og kan fremme osseointegration. Neumann og kolleger gennemførte en eksperimentel undersøgelse, hvor Si3N4-implantater blev placeret i frontale knogledefekter hos minigrise for at se, hvordan de integrerede, hvilket afslørede gennemtrængning af nyt knoglevæv i lighed med det, der var blevet observeret med PEEK-implantater.

Keramiske kugler og løbebaner er en effektiv måde at reducere friktionen på en cykel og øge ydeevnen, samtidig med at cyklens effektivitet øges og slitage på komponenterne mindskes. Deres glatte overflade hjælper med at minimere centrifugalkraften og rullefriktionen, hvilket fører til mindre slitage på komponenterne samt en letvægtskonstruktion, der forbedrer cykeleffektiviteten og reducerer slitage på slidpunkterne. Desuden er keramik modstandsdygtig over for vand og kemikalier, hvilket gør dem gode til kørsel under barske forhold.