Silisiumnitrid-kulelager

Silisiumnitrid er et keramisk materiale som er kjent for sin overlegne styrke og holdbarhet ved høye temperaturer, selv uten smøring. På grunn av den lave tettheten kan sentrifugalkraften reduseres, noe som gir jevn drift og eliminerer behovet for ekstra smøremidler.

Materialet fremstilles ved hjelp av spraytørking, kald isostatisk pressing, GPS HIP-sintring og presisjonssliping for å oppnå jevn størrelse og sfærisk nøyaktighet. Omfattende utmattingstester med rullende kontakt har bekreftet at materialet er motstandsdyktig mot avskalling og nedbrytning.

Høyhastighetsapplikasjoner

Keramiske kulelagerkomponenter har lavere tetthet enn stål, noe som bidrar til å redusere sentrifugalkreftene under høyhastighetsrotasjon, holde presisjonen på et optimalt nivå og gi lengre levetid under tøffe driftsforhold. Selv om de kan tåle større dynamiske belastninger, brukes de oftest i hybridkulelagre, der deres styrke og pålitelighet gir fordeler.

Disse keramiske lagrene kombinerer et egnet burmateriale for å motstå oksidasjon og korrosjon i krevende miljøer. I tillegg tåler de korte perioder uten olje, og de tåler også forurensede smøremidler uten å bli degradert.

Keramiske kuler av silisiumnitrid har lav tetthet på grunn av lavere vekt og dermed redusert sentrifugalbelastning, noe som fører til mindre sentrifugalkraft, friksjon og slitasje. I tillegg er den termiske ekspansjonshastigheten mye lavere enn for metalliske materialer, noe som gjør at de holder seg mer stabile over en rekke temperaturer.

Keramiske kulelagre er ideelle for høyhastighetsapplikasjoner, for eksempel spindler i CNC-maskiner eller tannlegebor, mens de elektrisk isolerende egenskapene beskytter mot lysbuer i elektriske motorer og forlenger levetiden, i tillegg til at de er i stand til å motstå strenge radiale og aksiale belastninger som kan forekomme i medisinske maskiner, for eksempel magnetresonansskannere (MRI).

Bruksområder med høy temperatur

Silisiumnitrid er et utmerket materialvalg for bruksområder med høye temperaturer, ettersom hardheten holder seg stabil opp til temperaturer på ca. 800 °C, mens stål begynner å mykne og bli utslitt ved ca. 400 °C.

Kulelagre av silisiumnitrid er også lettere enn tilsvarende kulelagre av stål, noe som reduserer sentrifugalkraften og muliggjør høyere hastigheter. I tillegg er disse keramiske lagrene svært motstandsdyktige mot kjemikalier og andre korrosive elementer, og de er polert til en utmerket overflatefinish som reduserer vibrasjoner og støy - for ikke å glemme at de er elektrisk isolerende!

Sammenlignet med andre keramiske materialer har varm isostatisk presset (HIP) silisiumnitrid den optimale kombinasjonen av egenskaper for bruksområder med høye temperaturer. Det er sterkt og slitesterkt med en gjennomsnittlig kornstørrelse på 30 mikrometer og en tetthet som er omtrent halvparten av stål; i tillegg har det lav utvidelseskoeffisient, slik at dimensjonene ikke endres ved oppvarming eller avkjøling.

Studier av silisiumnitridkeramikk har først og fremst fokusert på rullekontaktutmattingstester (RCF) for å undersøke faktorer som feilmodus og prediksjon av levetid [1]. Resultatene fra RCF-tester indikerer en sterk avhengighet mellom porøsitet, kjemisk sammensetning og overflateruhet som bestemmende faktorer for ytelse ved rullekontaktutmatting [2-3]. Lange, sammenlåsende korn som finnes i HIP-behandlet silisiumnitridmateriale, kan bidra til å unngå sprekkutvikling eller uttrekking av korn under tribologisk stress.

Korrosjonsbestandige bruksområder

Kulelagre i silisiumnitrid kan bidra til å spare kostnader for brukere i ulike bransjer ved at de kan brukes i miljøer som er utsatt for korrosjon, for eksempel syre, alkali eller saltløsninger. Levetiden under slike forhold er 4-25 ganger lengre sammenlignet med stållagre.

Silisiumnitridets høye hardhet gjør det ideelt for hybridkeramiske lagre. Disse lagrene reduserer friksjonen mellom rullende elementer og overflater, noe som reduserer energitapet betydelig og samtidig øker effektiviteten og påliteligheten. Den høye elastisitetsmodulen gjør dessuten at keramiske kuler gjenvinner sin opprinnelige form etter deformasjon, noe som forlenger levetiden i de mekaniske systemene som bruker dem.

Fullkeramiske silisiumnitridlagre er svært godt egnet for tøffe miljøer, ettersom de kan operere opp til 800 grader Celsius uten å degraderes eller bli ustabile. De har også større motstand mot slitasje, korrosjon og kryping enn andre keramiske typer som zirkoniumoksid eller aluminiumoksid, noe som gjør dem til det perfekte materialvalget for bruksområder som involverer høye hastigheter og presisjonsapplikasjoner, for eksempel innen motorsport, industri eller sykkelkomponenter. For å forbedre ytelsen kan lagrene utstyres med bur laget av materialer som polyimid eller PTFE, slik at varmen spres jevnere samtidig som de forblir stabile i ekstreme temperaturmiljøer og gir utmerket motstand mot kjemikalier som korroderer stållagre.

Elektrisk isolerende bruksområder

Silisiumnitridkeramikk er utmerkede elektriske isolatorer med høy dielektrisk styrke og lav ledningsevne, noe som gjør dem til det ideelle materialet for lagre som brukes i bruksområder der det kan oppstå elektriske lysbuer - inkludert elektriske motorer og industrielt utstyr som høyhastighets tannlegebor. I tillegg motstår de korrosjon i kjemiske prosesseringsmiljøer, slik at nøyaktighet og pålitelighet holdes under kontroll.

Hybridkulelagre er viktige komponenter i industrimaskiner. Bruksområdene for hybridkulelagre spenner fra elektriske motorer og vindturbinegeneratorer, bildeler og romfartskomponenter til verktøy og instrumenter som krever presisjon. Silisiumnitridkeramikk kan redusere friksjon og slitasje i disse lagrene, slik at de fungerer med redusert smøring - noe som fører til lengre levetid og bedre ytelse.

Hybridkeramiske lagre kan fungere under enten tørre eller minimalt smurte forhold, men det er avgjørende at man velger riktig smøremiddel for hver enkelt applikasjon. Silisiumnitridlagre kan sprekke under støtbelastninger eller overbelastning hvis de ikke er utformet på riktig måte. Det kan også være store variasjoner i deres tribologiske oppførsel, avhengig av faktorer som mikrostruktur, kjemi og tilsetningsstoffer i både keramiske materialer og stål.

Kulelagre av silisiumnitrid er lettere enn kulelagre av metall, noe som bidrar til å redusere sentrifugalkraften og vibrasjonene. De glatte overflatene reduserer dessuten friksjonen og behovet for smøring betydelig. Silisiumnitridkeramikk har dessuten eksepsjonell hardhet, varmebestandighet og korrosjonsbestandighet sammenlignet med tilsvarende metallprodukter.