Tłumaczymy nasz sklep na język polski!
Wymaga to jednak czasu, ponieważ w ofercie mamy dużo artykułów, a na nasz sklep składa się wiele stron. Chwilowo nasz katalog produktów dostępny będzie w języku angielskim. Dziękujemy za cierpliwość!
Ceramika techniczna w praktyce – wkręty ceramiczne, łożyska ceramiczne i łożyska hybrydowe
Ceramika techniczna to ceramika stosowana w specjalistycznych zastosowaniach technicznych. Ze względu na ich szczególne właściwości, takie jak odporność na wysokie temperatury i chemikalia, są często lepszym wyborem w niektórych zastosowaniach niż na przykład komponenty wykonane z metalu. W tym artykule przedstawiono niektóre z możliwych zastosowań i omówiono skład materiału i produkcję ceramiki technicznej.
Czym jest ceramika techniczna?
Ceramika techniczna, zwana również ceramiką specjalną lub wysokowydajną, jest zoptymalizowana do zastosowań technicznych. Różnią się one od konwencjonalnej ceramiki, np. czystością, procesami piecowymi i tolerowanymi wielkościami ziarna.
Standaryzacja ceramiki technicznej
Ceramika techniczna podlega różnym standardom. Na przykład istnieją następujące standardy dla ceramiki tlenkowej:
- DIN EN 60672: Definiuje klasyfikację grupy, terminy, procedury testowe. Określono również minimalne wymagania dotyczące właściwości, takich jak odporność na zginanie.
- DIN 40680: Definiuje ogólne tolerancje dla elementów ceramicznych w dziedzinie inżynierii elektrycznej.
- DIN EN 14232: Zajmuje się wysokowydajną ceramiką i wymienia terminy, w tym definicje.
- ISO 15165: Zawiera wysokowydajny ceramiczny system klasyfikacji.
Niektóre metody badań są również standaryzowane. DIN EN 725 zawiera na przykład specyfikacje dotyczące zanieczyszczeń i gęstości, między innymi dla wysokowydajnych proszków ceramicznych.
Materiały do ceramiki technicznej
Ceramika jest ogólnym terminem dla różnych nieorganicznych, niemetalicznych materiałów. Z reguły do wytworzenia surowego związku stosuje się mieszaninę proszku ceramicznego, środka wiążącego i cieczy, które następnie należy utwardzić (np. w procesie spiekania w wysokich temperaturach). Ceramikę można podzielić na trzy główne kategorie: ceramiczne naczynia gliniane, spiekane ceramiki i specjalne związki ceramiczne. Ceramika techniczna jest jednym ze specjalnych związków ceramicznych. Ogólnie rzecz biorąc, ceramikę techniczną można podzielić na ceramikę oksydacyjną i nietlenkową, przy czym ceramika oksydacyjna, taka jak tlenek glinu, jest częściej stosowana. Ceramika oksydacyjna składa się z tlenków metali i charakteryzuje się stabilnością chemiczną, wytrzymałością i zdolnością izolacyjną elektryczną. Ceramika nieoksydacyjna wykazuje wysoką odporność na ścieranie (odporność na ścieranie), prawdopodobnie lepszą przewodność cieplną i mechaniczną odporność na obciążenia. Dalszy podział to:
- Ceramika azotkowa: Ceramika azotkowa zawiera azot. Na przykład azotek krzemu ma wysoką odporność na szok termiczny i wysoką odporność na zużycie. Boritride ma dobrą smarowność.
- Ceramika z węglika spiekanego: Ceramika z węglika spiekanego zawiera węgiel. Jest ona szczególnie twarda, a węglik boru jest jednym z najtwardszych materiałów. Węglik krzemu ma wysoką temperaturę topnienia (około 2700°C) i jest stabilny chemicznie.
- Ceramika krzemionkowa: Ceramika krzemionkowa opiera się na dwutlenku krzemu. Przykłady obejmują porcelanę i steatyt. Steatyt ma dobre właściwości dielektryczne i jest często stosowany jako izolator w elektrotechnice.
Poniższa tabela zawiera przegląd klasyfikacji różnych rodzajów ceramiki:
| Ceramika | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PCeramika kamionkowa | PCeramiczny materiał spiekany | PSpecjalistyczne związki ceramiczne, np. związki wysokotemperaturowe oraz specjalne związki elektrotechniczne | ||||||||
| Ceramika konstrukcyjna | Ceramika ognioodporna | Różne kamionki | Kamionka | Porcelana | Ceramika techniczna (ceramika krzemowa/ceramika tlenkowa/ceramika nietlenkowa) | |||||
| Cegły, płytki dachowe itp. | Kamienie szamotowe, magnezyt itp. | Kamionka | Ceramika | Kamionka gruboziarnista | Kamionka porcelanowa | Twarda porcelana | Miękka porcelana | Tradycyjna ceramika techniczna | Ceramika wysokowydajna | |
| Zastawa stołowa itp. Kafelki | Doniczki do kwiatów, terakota itp. | Klinkier, płytki, rury ściekowe itp. | Kafelki, naczynia, przedmioty sanitarne, sprzęt chemiczny itp. | Naczynia domowe i dekoracyjne | preferowane do dekoracyjnych tworzyw sztucznych | Porcelanowa ceramika chemiczna, ognioodporna; izolatory | Ceramika funkcjonalna | Ceramika konstrukcyjna i inżynieryjna | ||
| Czujniki i ceramika ochronna, ceramika bio oraz medyczna, elektroceramika, ceramika tnąca | Części mechanicznie obciążone o wysokiej twardości i odporności na zużycie, takie jak: uszczelki, łożyska, tuleje, elementy konstrukcyjne | |||||||||
Procesy produkcyjne dla ceramiki technicznej
Występują różne procesy produkcyjne dla ceramiki technicznej. Gorące tłoczenie izostatyczne (HIP), zwane również spiekaniem wysokociśnieniowym, służy do produkcji ceramiki o bardzo wysokiej gęstości i niskiej porowatości.
Możliwe jest jednak również drukowanie komponentów wykonanych z ceramiki technicznej bezpośrednio na drukarce. Proces LCM (wytwarzanie ceramiki na bazie litografii) wykorzystuje na przykład monomer wrażliwy na promieniowanie UV i proszek ceramiczny jako surowiec. Proces LDM (modelowanie osadzania cieczy) obejmuje zwilżanie i zagęszczanie surowca ceramicznego, a następnie nakładanie tej ostatniej warstwy warstwa po warstwie za pomocą drukarki.
Właściwości ceramiki technicznej
Właściwości ceramiki technicznej czynią je preferowanym wyborem w specjalistycznych zastosowaniach. Ze względu na wysoką odporność na temperaturę, nadają się do zastosowań w wysokich temperaturach, takich jak wytwarzanie energii. Nie tracą integralności strukturalnej po podgrzaniu. Ceramika techniczna jest również chemicznie bardziej odporna niż inne materiały, ponieważ może być chemicznie obojętna.
Jednak wysokiej twardości i gęstości ceramiki towarzyszy zmniejszona wytrzymałość przy zerwaniu, które należy wziąć pod uwagę w projekcie:
- należy unikać ostrych krawędzi, narożników i nacięć lub przynajmniej je minimalizować. Mogą one prowadzić do pęknięć i naprężeń. Zaokrąglone krawędzie mogą być na przykład używane zamiast.
- Należy unikać zbyt ciasnych napięć, ponieważ prowadzą one również do pęknięć.
- Podczas wiercenia należy zastosować wystarczająco duży promień, aby uniknąć naprężeń.
- Ceramika techniczna bardzo skutecznie izoluje energię elektryczną. Ich stosowanie może być konieczne, jeśli nie jest to pożądane.
Poniższe tabele zawierają przegląd różnych właściwości ceramiki technicznej, w szczególności tlenków glinu, wraz z porównaniem do innych materiałów:
| Materiały | Kolor | Właściwości | ||
|---|---|---|---|---|
| Bezpieczna temperatura otoczenia (°C) | Rezystywność właściwa (Ω * cm) | Wytrzymałość na zginanie Mpa | ||
| Tlenek glinu 92 / Al2O3 92% | biały | ~ 1200 | > 1014 | 240~340 |
| Al2O3 / tlenek glinu 96 / Al2O3 96% | biały | ~ 1300 | > 1014 | 300 |
| Al2O3 / tlenek glinu 99 / Al2O3 99.7% | naturalne kolory | ~ 1500 | > 1015 | 340 |
| Tlenek glinu 99.5 | biały | ~ 1200 | < 1014 | 490 |
| Steatit / SiO 2, MgO | biały | ~ 1000 | > 1014 | 120 |
| Ceramika skrawalna / SiO2, MgO | naturalne kolory | ~ 1000 | > 1016 | 94 |
| Właściwości | Jednostka | Al2O3 / tlenek glinu 99.5 |
|---|---|---|
| Wskaźnik absorpcji wody | % | |
| Gęstość | g/cm3 | 3.9 |
| Wytrzymałość cieplna | ℃ | 1000 ~ 1200 |
| Wytrzymałość na ściskanie | kN/cm2 | 363 |
| Wytrzymałość na zginanie | kN/cm2 | 49 |
| Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej | - | 8.0x10-6 (25~700 ℃) |
| Przewodnictwo cieplne | W/(m x ℃) | 31.4 (20 ℃) 16.0 (300 ℃) |
| Określona rezystancja objętościowa | Ω x cm | > 1014 (20 ℃) > 1014 (300℃) |
| Stała dielektryczna | 1 MHz | 9.8 |
| Rezystancja izolacji | kV/mm | 10 |
| Właściwości fizyczne Al2O3 (reprezentatywne wartości referencyjne) |
| Stal nierdzewna 1.4301/X5CrNi18-10 |
Kołek centrujący (KCF) (stal nierdzewna 5~10μm powłoka wykonana z tlenku glinu jako warstwa izolacyjna) |
Ceramiczne Al2O3 | Nylon | Bakelit (na papierze) |
Bakelit (na tkaninie) |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rezystancja naturalna (Ω) | 72x10-6 | 2x108 | 1014 | 5x1012 | 1010 | 1012 |
| Napięcie przebicia (V) | - | 150 | 104 | 1.9x104 | - | - |
| Wytrzymałość na rozdarcie (MPa) | 520 | 421 | - | 88 | 80 | 100 |
| Rozszerzalność (%) | 40 | 10 | - | 50 | 2 | 2 |
| Wytrzymałość na zginanie (MPa) | - | - | 350 | 103 | 180 | 160 |
| Twardość Vickersa [HV] | 200 | na końcówce 1300 wewnątrz 200 |
1400 | - | - | - |
| Właściwości izolacyjne | ❌ | dobre | doskonałe | doskonałe | doskonałe | doskonałe |
| Wytrzymałość cieplna | dobra | dobra | doskonała | ❌ | wątpliwa | wątpliwa |
| Obrabialność | dobra | dobra | ❌ | dobra | dobra | dobra |
Zastosowanie ceramiki technicznej
Ceramika techniczna jest zwykle używana do specjalistycznych wymagań. Z reguły materiały ceramiczne są odporne na korozję i temperaturę, izolujące elektrycznie, a jednocześnie stosunkowo lekkie, odporne na ściskanie i zużycie. Jeśli w projekcie weźmie się pod uwagę zwiększoną kruchość ceramiki, wytrzymałość mechaniczna wysokowydajnej ceramiki pozwala nie tylko na oszczędność masy i użycie w wyższych temperaturach, ale także na niższe wytwarzanie ciepła, redukcję hałasu i dłuższą żywotność łożysk. Standardowe części, takie jak śruby i podkładki, są również dostępne w technice ceramicznej.
Łożyska ceramiczne i hybrydowe
Łożyska ceramiczne są odporne chemicznie i nadają się do pracy na sucho bez smarowania. Dzięki doskonałym właściwościom toczenia ceramicznych korpusów rolkowych są one wyjątkowo odpowiednie do wysokich prędkości obrotowych. Łożyska w pełni ceramiczne nie rdzewieją i nie mogą być pod wpływem pól magnetycznych, ale są podatne na wstrząsy i naprężenia rozciągające. Zastosowania obejmują na przykład sprzęt czyszczący, sprzęt galwaniczny i sprzęt do trawienia.
Łożyska ceramiczne są dostępne jako łożyska w pełni ceramiczne i hybrydowe. Elementy toczne wykonane z wysokosprawnej ceramiki, a także pierścienie łożyskowe wykonane ze stali łożysk tocznych są instalowane w łożyskach hybrydowych. W rezultacie łożysko hybrydowe łączy zalety obu materiałów, poprawiając w ten sposób wydajność. Łożyska hybrydowe nadają się do stosowania przy dużych prędkościach obrotowych i w trudnych warunkach smarowania. Łożyska ceramiczne i hybrydowe są również zalecane w wysokich temperaturach do 1000°C, w środowiskach wywołujących korozję, w lekkiej konstrukcji (do 60% lżejszej niż łożyska stalowe) oraz gdy wymagana jest izolacja elektryczna. Jednak w przypadku stosowania łożysk ceramicznych ważne jest, aby pamiętać, że rozszerzają się one w mniejszym stopniu niż na przykład łożyska stalowe. Jeśli konstrukcje narażone na działanie wysokich temperatur są przeznaczone do stosowania w łożyskach ceramicznych, nie można ich łatwo zastąpić łożyskami stalowymi.
Śruby ceramiczne
Oprócz wyżej wymienionych właściwości dla ceramiki w ogóle, wkręty ceramiczne są również szczególnie atrakcyjne ze względu na następujące właściwości: izolujące elektrycznie, niemagnetyczne i lekkie, co odróżnia je od wkrętów metalowych. Mogą być stosowane na przykład w zespołach elektronicznych lub w zastosowaniach, w których zakłócenia magnetyczne są niepożądane (np. także elektronika, sprzęt medyczny).
Wkręty ceramiczne są dostępne, na przykład, w następujących wariantach:
- Śruby z tlenku cyrkonu: bardzo twarde, odporne na zużycie, odporne na szok termiczny
- Śruby tlenku glinu: bardzo twarde, odporne na temperaturę
- Śruby azotku krzemu: szczególnie lekkie ze względu na niską gęstość
Instrukcje instalacji
Należy przestrzegać następujących uwag, aby zapewnić, że składnik ceramiczny jest włączony do projektu tak, jak to możliwe:
- Elementy wykonane z ceramiki są bardzo podatne na wstrząsy; dlatego podczas instalacji należy zachować szczególną ostrożność.
- Śruby ceramiczne należy zawsze dokręcać momentem. Są one bardziej kruche niż śruby metalowe, więc moment obrotowy powinien być niższy, np. 0,04 dla M3, 0,05 dla M4, 0,30 dla M8 i 0,50 dla M10.
- Podkładki są zalecane w celu lepszego rozłożenia obciążenia.
- Wyrównanie jest szczególnie ważne w przypadku łożysk wałeczkowych: Nierównomierne obciążenia mogą prowadzić do przedwczesnej awarii.