Áruházunkat magyarra fordítjuk!
Mivel sok termék van az oldalunkon, ez időbe fog telni. Addig is a termékkatalógusunk angol nyelven lesz elérhető. Megértésüket köszönjük!
Műszaki kerámia a gyakorlatban – Kerámia csavarok, kerámia csapágyak és hibrid csapágyak
A műszaki kerámiák speciális műszaki alkalmazásokban használt kerámiák. Különleges tulajdonságaik, például a magas hőmérsékletekkel és vegyi anyagokkal szembeni ellenállásuk miatt gyakran jobb választást jelentenek bizonyos alkalmazásokban, mint például a fémből készült komponensek. Ez a cikk bemutatja a lehetséges alkalmazásokat, és megvitatja az anyagösszetételt és a műszaki kerámiák gyártását.
Mik azok a műszaki kerámiák?
A műszaki kerámiákat, más néven speciális kerámiákat vagy nagy teljesítményű kerámiákat műszaki alkalmazásokhoz optimalizálják. Ezek eltérnek a hagyományos kerámiáktól, pl. tisztaság, a kemencében végzett eljárások és megengedett szemcseméret alapján.
Műszaki kerámia szabványosítása
A műszaki kerámiákra különböző szabványok vonatkoznak. Például az oxid kerámiákra a következő szabványok vonatkoznak:
- DIN EN 60672: Meghatározza a csoportbesorolást, a feltételeket és a vizsgálati eljárásokat. A tulajdonságokra vonatkozó minimális követelmények, például a hajlító terheléssel szembeni ellenállás szintén meg vannak határozva.
- DIN 40680: Meghatározza a kerámia komponensek általános tűréshatárait az elektrotechnika területén..
- DIN EN 14232: Nagy teljesítményű kerámiákkal foglalkozik, és felsorolja a feltételeket, beleértve a meghatározásokat is.
- ISO 15165: Nagy teljesítményű kerámia besorolási rendszert tartalmaz.
Bizonyos vizsgálati módszerek is standardizáltak. A DIN EN 725 szabvány többek között tartalmazza a szennyezésekre és a sűrűségre vonatkozó specifikációkat a nagy teljesítményű kerámiaporokra vonatkozóan.
Anyagok műszaki kerámiához
A kerámia különböző szervetlen, nem fémes anyagok általános megnevezése. Alapszabály, hogy a nyers vegyületet kerámiapor, szerves kötőanyag és folyadék keverékével állítják elő, amelyet ezután meg kell kötni (pl. magas hőmérsékleten végzett szinterezési folyamat során). A kerámiák három fő kategóriába sorolhatók: kerámia áruk, szinterezett kerámiák és speciális célú kerámiavegyületek. A technikai kerámia egy különleges rendeltetésű kerámiavegyület. A műszaki kerámiák általában oxidált és nem oxidált kerámia típusokba sorolhatók, amelynél az oxidált kerámiákat, például az alumínium-oxidot gyakrabban használják. Az oxidált kerámiák fémoxidokból állnak, és kémiai stabilitás, szilárdság és elektromos szigetelés jellemzi őket. A nem oxidált kerámiák nagy kopásállóságot (kopással szembeni ellenállást), esetleg jobb hővezető képességet és mechanikai terhelési ellenállást mutatnak. Ezek tovább osztályozhatók a következők szerint:
- Nitrid kerámiák: A nitridkerámia nitrogént tartalmaz. A szilícium-nitrid például magas hősokk-ellenállással és magas kopásállósággal rendelkezik. A boritrid jó kenőképességgel rendelkezik.
- Karbid kerámiák: A karbid kerámiák széntartalmúak. Különösen kemények, a bór-karbid az egyik legkeményebb anyag. A szilícium-karbid olvadáspontja magas (kb. 2700 °C), és kémiailag stabil.
- Szilícium-dioxid kerámia: A szilíka kerámiák alapja a szilícium-dioxid. Ilyen például a porcelán és a szteatit. A szteatit jó dielektromos tulajdonságokkal rendelkezik, és gyakran szigetelőanyagként használják az elektrotechnikában.
Az alábbi táblázat a különböző típusú kerámiák besorolását mutatja be:
| Kerámia | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kerámia kőanyag | Kerámia szinterezett anyag | Speciális kerámiavegyületek, pl. magas hőmérsékletű és elektrotechnikai speciális vegyületek | ||||||||
| Építőipari kerámia | Tűzálló kerámia | Vegyes kőanyagok | Kőanyagok | Porcelán | Műszaki kerámiák (szilikát kerámiák / oxid kerámiák / nem oxid kerámiák) | |||||
| Téglák, tetőkockák stb. | Schamoth kövek, magnezit stb. | Kőanyagok | Cserépanyag | Durva kőanyag | Porcelán kőanyag | Kemény porcelán | Puha porcelán | Hagyományos műszaki kerámia | Nagy teljesítményű kerámia | |
| Edények stb. Csempék | Virágcserepek, terrakotta stb. | Klinkertégla, csempék, szennyvízvezetékek stb. | Csempék, edények, higiéniai cikkek, vegyi berendezések stb. | Háztartási és dekoratív edények | Dekoratív műanyagokhoz ajánlott | Kémiai porcelán, tűzálló kerámia, szigetelők | Funkcionális kerámiák | Szerkezeti és műszaki kerámia | ||
| Érzékelő- és védőkerámia, bio- és orvosi kerámia, elektrokerámia, vágókerámia | Mechanikusan betöltött, nagy keménységű és kopásálló alkatrészek, például tömítések, csapágyak, perselyek, szerkezeti elemek |
Műszaki kerámiák gyártási folyamatai
A műszaki kerámiák vonatkozásában számos gyártási folyamat lézetik. A forró izosztatikus préselést (HIP), más néven nagy nyomású szinterezést nagyon nagy sűrűségű és alacsony porozitású kerámiák gyártására használják.
Azonban a műszaki kerámiából készült alkatrészeket közvetlenül nyomtatóval is ki lehet nyomtatni. Az LCM folyamat (litográfiai alapú kerámiagyártás) például UV-érzékeny monomert és kerámiaport használ nyersanyagként. Az LDM folyamat (folyadéklerakódás modellezés) magában foglalja a kerámia nyersanyag nedvesítését és tömörítését, majd az utóbbi réteg rétegenkénti felvitelét egy nyomtató segítségével.
A műszaki kerámiák tulajdonságai
A műszaki kerámiák tulajdonságai az előnyben részesített választássá teszik azokat speciális alkalmazásokban. Magas hőmérséklet-ellenállásuknak köszönhetően alkalmasak magas hőmérsékletű alkalmazásokban, például energiatermelésben való használatra. Melegítéskor nem veszítik el szerkezeti épségüket. A műszaki kerámiák kémiailag is ellenállóbbak, mint más anyagok, mivel kémiailag semleges hatásúak lehetnek.
A kerámia nagy keménységét és sűrűségét azonban a szakadásnál kisebb szilárdság kíséri, amit figyelembe kell venni a tervezés során:
- az éles széleket, sarkokat és hornyokat kerülni kell, vagy legalább minimálisra kell csökkenteni. Ezek repedésekhez és feszültségekhez vezethetnek. Lekerekített élek például használhatók.
- Kerülni kell a túlzottan szoros illeszkedést, mivel ezek repedésekhez is vezethetnek.
- Fúráskor kellően nagy sugarú sugarat kell használni a terhelések elkerülése érdekében.
- A technikai kerámia nagyon hatékonyan szigeteli az elektromos energiát. Előfordulhat, hogy használatukat el kell kerülni, ha ez nem kívánatos.
Az alábbi táblázatok áttekintést nyújtanak a műszaki kerámiák, különösen az alumínium-oxidok különböző tulajdonságairól, valamint összehasonlítják azokat más anyagokkal:
| Anyagok | Szín | Tulajdonságok | ||
|---|---|---|---|---|
| Biztonságos környezeti hőmérséklet (°C) | Térfogat-specifikus ellenállás (Ω * cm) | Hajlítószilárdság Mpa | ||
| Alumínium-oxid 92 / Al2O3 92% | fehér | ~ 1200 | > 1014 | 240~340 |
| Al2O3 / alumínium-oxid 96 / Al2O3 96% | fehér | ~ 1300 | > 1014 | 300 |
| Al2O3 / alumínium-oxid 99 / Al2O3 99.7% | természetes színek | ~ 1500 | > 1015 | 340 |
| Alumínium-oxid 99.5 | fehér | ~ 1200 | < 1014 | 490 |
| Szteatit / SiO 2, MgO | fehér | ~ 1000 | > 1014 | 120 |
| Megmunkálható kerámia / SiO2, MgO | természetes színek | ~ 1000 | > 1016 | 94 |
| Tulajdonságok | Mértékegység | Al2O3 / alumínium-oxid 99.5 |
|---|---|---|
| Vízelnyelési arány | % | |
| Sűrűség | g/cm3 | 3.9 |
| Hőállóság | ℃ | 1000 ~ 1200 |
| Nyomószilárdság | kN/cm2 | 363 |
| Hajlítószilárdság | kN/cm2 | 49 |
| A hőtágulás lineáris együtthatója | - | 8.0 x 10-6 (25~700 ℃) |
| Hővezető képesség | W/(m x ℃) | 31.4 (20 ℃) 16.0 (300 ℃) |
| Fajlagos térfogat-ellenállás | Ω x cm | > 1014 (20 ℃) > 1014 (300℃) |
| Dielektromos állandó | 1 MHz | 9.8 |
| Szigetelési ellenállás | kV/mm | 10 |
| Az Al2O3 fizikai tulajdonságai (reprezentatív referenciaértékek) |
| Rozsdamentes acél 1.4301/X5CrNi18-10 |
Központosító csap (KCF) (rozsdamentes acél 5~10 μm alumínium-oxidból készült bevonat szigetelőrétegként) |
Kerámia Al2O3 | Nejlon | Bakelit (papíralapú) |
Bakelit (szövetalapú) |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Természetes ellenállás (Ω) | 72x10-6 | 2x108 | 1014 | 5x1012 | 1010 | 1012 |
| Átütési feszültség (V) | - | 150 | 104 | 1.9x104 | - | - |
| Szakítószilárdság (MPa) | 520 | 421 | - | 88 | 80 | 100 |
| Tágulás (%) | 40 | 10 | - | 50 | 2 | 2 |
| Hajlítószilárdság (Mpa) | - | - | 350 | 103 | 180 | 160 |
| Vickers-keménység (HV) | 200 | a hegynél 1300 belül 200 |
1400 | - | - | - |
| Szigetelési tulajdonságok | ❌ | jó | kiváló | kiváló | kiváló | kiváló |
| Hőállóság | jó | jó | kiváló | ❌ | megkérdőjelezhető | megkérdőjelezhető |
| Megmunkálhatóság | jó | jó | ❌ | jó | jó | jó |
Műszaki kerámia használata
A műszaki kerámiákat általában speciális követelményekhez használják. A kerámia anyagok általában korrózió- és hőmérsékletállóak, elektromosan szigetelők, ugyanakkor viszonylag könnyűek, nyomásállóak és kopásállóak. Ha figyelembe vesszük a kerámia megnövekedett törékenységét a tervezés során, a nagy teljesítményű kerámiák mechanikai szilárdsága nemcsak súlymegtakarítást és magasabb hőmérsékleten történő használatot tesz lehetővé, hanem alacsonyabb hőtermelést, működési zajcsökkentést és hosszabb élettartamot is biztosít a csapágyakban. Szabványos alkatrészek, például csavarok és alátétek is kaphatók műszaki kerámiából.
Kerámia csapágyak és hibrid csapágyak
A kerámia csapágyak kémiailag ellenállóak, és kenés nélküli száraz futásra alkalmasak. A kerámia görgőtestek kiváló gördülési tulajdonságainak köszönhetően ezek a szerkezetek kiválóan alkalmasak nagy forgási sebességekhez. A teljesen kerámiából készült csapágyak nem rozsdásodnak, és azokra nem hatnak a mágneses mezők, de érzékenyek az ütésekre és a húzófeszültségre. Az alkalmazások közé tartoznak például a tisztítóberendezések, az elektrosebészeti berendezések és a maratóberendezések.
A kerámia csapágyak teljes kerámia és hibrid csapágyak formájában kaphatók. A nagy teljesítményű kerámiából készült gördülő elemeket, valamint a gördülőcsapágy-acélból készült csapágygyűrűket hibrid csapágyakba szerelik be. Ennek eredményeként a hibrid csapágy egyesíti mindkét anyag előnyeit, így javítja a teljesítményt. A hibrid csapágyak nagy fordulatszámon és nehéz kenési körülmények között is használhatók. A kerámia és hibrid csapágyak használatát magas, akár 1000 °C-os hőmérsékleten, korróziót előidéző környezetben, könnyű kivitelben (akár 60%-kal könnyebb, mint az acél csapágyak) és elektromos szigetelés szükségessége esetén is javasoljuk. Kerámia csapágyak használata esetén azonban fontos megjegyezni, hogy ezek kisebb mértékben tágulnak, mint például az acélcsapágyak. Ha a magas hőmérsékleti hatásoknak kitett konstrukciók esetében kerámia csapágyak használatát írják elő, azokat nem lehet egyszerű módon acélcsapágyakkal helyettesíteni.
Kerámia csavarok
A kerámia fent említett tulajdonságain kívül a kerámiacsavarok a következő tulajdonságok miatt is különösen vonzóak: elektromosan szigetelő, nem mágneses és könnyű, amely megkülönbözteti őket a fémcsavaroktól. Használhatók például elektronikus szerelvényekben vagy olyan alkalmazásokban, amelyeknél a mágneses interferencia nem kívánatos (pl. elektronika, orvosi berendezések).
A kerámia csavarok például a következő változatokban érhetők el:
- Cirkónium csavarok: nagyon kemény, kopásálló, hősokkálló
- Alumínium-oxid csavarok: nagyon kemény, hőálló
- Szilícium-nitrid csavarok: különösen könnyű, mivel kis sűrűségű
Telepítési utasítások
A következő megjegyzéseket kell figyelembe venni annak biztosítása érdekében, hogy a kerámia komponens a lehető legjobb módon kerüljön beépítésre a tervezésbe:
- A kerámiából készült komponensek nagyon érzékenyek az ütésre, ezért a telepítés során különös óvatossággal kell eljárni.
- A kerámiacsavarokat mindig nyomatékkal kell meghúzni. Ezek törékenyebbek, mint a fémcsavarok, ezért a nyomatéknak kisebbnek kell lennie, pl. 0,04 az M3, 0,05 az M4, 0,30 az M8 és 0,50 az M10 esetében.
- A jobb teherelosztás érdekében alátétek használata javasolt.
- Az igazítás különösen fontos a görgőscsapágyaknál: Az egyenlőtlen terhelés korai meghibásodáshoz vezethet.