Kullager i kiselnitrid

Kiselnitrid är ett keramiskt material som är känt för sin överlägsna styrka och hållbarhet vid höga temperaturer, även utan smörjning. Tack vare sin låga densitet kan centrifugalkraften minskas för smidig drift samtidigt som behovet av ytterligare smörjmedel elimineras.

Materialet tillverkas genom spraytorkning, kall isostatisk pressning, GPS HIP-sintring och precisionsslipning för att uppnå enhetlig storlek och sfärisk noggrannhet. Omfattande utmattningstester vid rullkontakt har bekräftat materialets motståndskraft mot spjälkning och nedbrytning.

Höghastighetsapplikationer

Keramiska kullagerkomponenter har lägre densitet än stål, vilket hjälper dem att minska centrifugalkrafterna under höghastighetsrotation och hålla precisionen på en optimal nivå och ge längre livslängd under tuffa driftsförhållanden. Även om de kan klara större dynamiska belastningar är de vanligast i hybridkullager där deras styrka och tillförlitlighet ger fördelar.

Dessa keramiska lager kombinerar ett lämpligt burmaterial för att motstå oxidation och korrosion i svåra miljöer. Dessutom klarar de korta perioder av oljelös drift och tål även förorenade smörjmedel utan att försämras.

Keramiska kulor av kiselnitrid har låg densitet på grund av sin lägre vikt och därmed lägre centrifugalbelastning, vilket leder till mindre centrifugalkraft, friktion och slitage. Dessutom är deras termiska expansionshastighet mycket lägre än metalliska material, vilket gör att de förblir mer stabila över en rad olika temperaturer.

Keramiska kullager är idealiska för höghastighetsapplikationer, t.ex. spindlar i CNC-verktygsmaskiner eller tandläkarborrar, medan deras elektriskt isolerande egenskaper skyddar mot elektriska ljusbågar i elmotorer och förlänger deras livslängd, liksom att de kan motstå rigorösa radiella och axiella belastningar som kan förekomma i medicinska maskiner, t.ex. magnetresonanstomografer (MRI).

Tillämpningar för höga temperaturer

Kiselnitrid är ett utmärkt materialval för applikationer där höga temperaturer förekommer, eftersom dess hårdhet förblir stabil upp till temperaturer på cirka 800 grader Celsius medan stål börjar mjukna och utmattas vid cirka 400 grader Celsius.

Kullager av kiselnitrid är också lättare än sina motsvarigheter av stål, vilket minskar centrifugalkrafterna och möjliggör högre hastigheter. Dessutom är dessa keramiska lager mycket motståndskraftiga mot kemikalier och andra korrosiva element samt poleras till en utmärkt ytfinish som minskar vibrationer och buller - för att inte glömma att de är elektriskt isolerande!

Jämfört med andra keramiska material erbjuder varm isostatiskt pressad (HIP) kiselnitrid den optimala kombinationen av egenskaper för högtemperaturtillämpningar. Det är starkt och hållbart med en genomsnittlig kornstorlek på 30 mikrometer och en densitet som är ungefär hälften så stor som stål; dessutom har det låg expansionskoefficient så att dess dimensioner inte ändras vid uppvärmning eller kylning.

Studier av kiselnitridkeramik har främst fokuserat på utmattningstest vid rullande kontakt (RCF) för att undersöka faktorer som feltillstånd och livslängdsförutsägelse [1] Resultaten från RCF-testning visar ett starkt beroende mellan porositet, kemisk sammansättning och ytjämnhet som avgörande faktorer för utmattningsprestanda vid rullande kontakt [2-3]. Långa, sammankopplade korn som finns i HIPed kiselnitridmaterial kan bidra till att undvika sprickutveckling eller kornutdragning under tribologisk stress.

Korrosionsbeständiga applikationer

Kullager i kiselnitrid kan hjälpa till att spara kostnader för användare i olika branscher genom att användas i miljöer som är utsatta för korrosion, t.ex. syra, alkali eller saltlösningar. Deras livslängd under sådana förhållanden är 4-25 gånger längre jämfört med kullager i stål.

Den höga hårdheten hos kiselnitrid gör den idealisk för hybridkeramiska lager. Dessa lager minskar friktionen mellan rullelement och ytor, vilket avsevärt minskar energiförlusterna samtidigt som effektiviteten och tillförlitligheten ökar. Dessutom gör den höga elasticitetsmodulen att keramiska kulor kan återfå sin ursprungliga form efter deformation, vilket förlänger deras livslängd i de mekaniska system där de används.

Fullkeramiska kiselnitridlager är mycket lämpliga för tuffa miljöer, eftersom de kan arbeta i upp till 800 grader Celsius utan att försämras eller bli instabila. De erbjuder också större motståndskraft mot slitage, korrosion och krypning än andra keramiska typer som zirkoniumoxid eller aluminiumoxid, vilket gör dem till det perfekta materialvalet för applikationer som involverar höga hastigheter, precisionsapplikationer som de som finns i motorsport, industri eller cykelkomponenter. För att förbättra prestandan kan lagren utrustas med burar av material som polyimid eller PTFE för att avleda värme jämnare samtidigt som de förblir stabila i extrema temperaturmiljöer och ger utmärkt motståndskraft mot kemikalier som korroderar stållager.

Elektriska isoleringstillämpningar

Kiselnitridkeramer är utmärkta elektriska isolatorer med hög dielektrisk hållfasthet och låg ledningsförmåga, vilket gör dem till det perfekta materialet för lager som används i applikationer där elektriska ljusbågar kan uppstå - inklusive elmotorer och industriell utrustning som höghastighetsborrar för tandvård. Dessutom motstår de korrosion i kemiska processmiljöer, vilket gör att noggrannhet och tillförlitlighet hålls under kontroll.

Hybridkullager är viktiga komponenter i industriella maskiner. Användningsområdena för hybridkullager sträcker sig från elmotorer och vindturbingeneratorer, bildelar och flygkomponenter till verktyg och instrument inom flygindustrin som kräver precision. Kiselnitridkeramik kan minska friktion och slitage i dessa lager så att de fungerar med minskad smörjning - vilket leder till längre livslängd och förbättrad prestanda.

Hybridkeramiska lager kan arbeta i antingen torra eller minimalt smorda förhållanden, men det är viktigt att rätt smörjmedel väljs för varje applikation. Lager av kiselnitrid kan spricka under chockbelastningar eller överbelastningar om de inte utformas på rätt sätt. Det kan också finnas stora variationer i deras tribologiska beteende beroende på faktorer som mikrostruktur, kemi och tillsatser i både keramiska material och stålmaterial.

Kullager av kiselnitrid är lättare än kullager av metall, vilket bidrar till att minska centrifugalkrafter och vibrationer. De släta ytorna minskar dessutom friktionen och behovet av smörjning avsevärt. Dessutom har kiselnitridkeramik exceptionell hårdhet, värmebeständighet och korrosionsbeständighet jämfört med sina motsvarigheter i metall.