Ceramică tehnică în practică – Șuruburi ceramice, rulmenți ceramici și rulmenți hibrizi

Ceramica tehnică este ceramica utilizată în aplicații tehnice specializate. Datorită proprietăților lor speciale, cum ar fi rezistența la temperaturi ridicate și la substanțe chimice, acestea reprezintă adesea alegerea mai bună în anumite aplicații decât componentele fabricate din metal, de exemplu. Acest articol prezintă o parte dintre aplicațiile posibile și discută compoziția materialelor și producția de ceramică tehnică.

Ce este ceramica tehnică?

Ceramica tehnică, denumită și ceramică de specialitate sau ceramică de înaltă performanță, este optimizată pentru aplicații tehnice. Acestea diferă de ceramica convențională, de ex., prin puritate, procese de ardere în cuptor și dimensiunea tolerată a granulației.

Standardizarea ceramicii tehnice

Ceramica tehnică face obiectul unor standarde diferite. De exemplu, pentru ceramica cu oxizi există următoarele standarde:

• DIN EN 60672: Definește clasificarea grupului, termenii, procedurile de testare. Cerințele minime pentru proprietăți, cum ar fi rezistența la îndoire, sunt specificate, de asemenea.
• DIN 40680: Definește toleranțele generale pentru componentele ceramice din domeniul ingineriei electrice.
• DIN EN 14232: Se ocupă de ceramică de înaltă performanță și enumeră termeni, inclusiv definiții.
• ISO 15165: Conține un sistem de clasificare ceramică de înaltă performanță.

Sunt standardizate și anumite metode de testare. DIN EN 725 conține, de exemplu, specificații pentru impurități și densitate, printre altele, pentru pulberi ceramice de înaltă performanță.

Materiale pentru ceramică tehnică

Ceramică reprezintă un termen generic pentru diverse materiale anorganice, nemetalice. De regulă, un amestec de pulbere ceramică, liant organic și lichid este utilizat pentru a genera un compus brut, care trebuie apoi uscat (de exemplu, într-un proces de sinterizare la temperaturi ridicate). Ceramica se poate împărți în trei categorii principale: ceramică din lut, ceramică sinterizată și compuși ceramici de uz special. Ceramica tehnică este unul dintre compușii ceramici de uz special. În general, ceramica tehnică poate fi subdivizată în ceramică cu oxizi și fără oxizi, unde ceramica cu oxizi, precum oxidul de aluminiu, este utilizată mai frecvent. Ceramica cu oxizi constă din oxizi de metal și se caracterizează prin stabilitate chimică, rezistență și capacitate de izolare electrică. Ceramica fără oxizi prezintă o rezistență ridicată la uzură (rezistență la abraziune), o conductivitate termică posibil mai bună și o rezistență mecanică la sarcină. Acestea sunt împărțite în continuare în:

• Ceramică din nitrură: Ceramica din nitrură conține azot. De exemplu, nitrura de siliciu are o rezistență ridicată la șoc termic și o rezistență ridicată la uzură. Boritrida are o bună lubricitate.
• Ceramică din carbură: Ceramica din carbură conține carbon. Aceasta este deosebit de dură, carbura de bor fiind unul dintre cele mai dure materiale. Carbura de siliciu are un punct de topire ridicat (aprox. 2700 °C) și este stabilă chimic.
• Ceramică din siliciu: Ceramica de siliciu are la bază dioxidul de siliciu. Exemplele includ porțelan și steatită. Steatita are proprietăți dielectrice bune și este adesea utilizată ca izolator în ingineria electrică.

Tabelul următor oferă o prezentare generală a clasificării diferitelor tipuri de ceramică:

Procese de fabricație pentru ceramică tehnică

Există diverse procese de fabricație pentru ceramica tehnică. Presarea izostatică la cald (HIP), denumită și sinterizare la înaltă presiune, este utilizată pentru a produce ceramică cu densitate foarte ridicată și porozitate scăzută.

Cu toate acestea, este posibilă și imprimarea componentelor realizate din ceramică tehnică direct pe o imprimantă. Procesul LCM (producția ceramică pe bază de litografie) utilizează, de exemplu, un monomer sensibil la UV și o pulbere ceramică ca materie primă. Procesul LDM (modelarea prin depunere lichidă) implică umezirea și compactarea materiei prime ceramice, urmată de aplicarea stratului din urmă prin utilizarea unei imprimante.

Proprietățile ceramicii tehnice

Proprietățile ceramicii tehnice o face să fier alegerea preferată în aplicații specializate. Datorită rezistenței sale ridicate la temperatură, aceasta este potrivită pentru utilizare în aplicații la temperaturi ridicate, cum ar fi generarea de energie. Nu își pierde integritatea structurală când este încălzită. Ceramica tehnică este, de asemenea, mai rezistentă din punct de vedere chimic decât alte materiale, deoarece poate fi inertă chimic.

Totuși, duritatea și densitatea ridicate ale ceramicii sunt însoțite de o rezistență redusă la rupere, care trebuie luată în considerare la proiectare:

• marginile ascuțite, colțurile și canelurile trebuie evitate sau cel puțin minimizate. Acestea pot duce la fisuri și tensiuni. Se pot utiliza, de exemplu, marginile rotunjite.
• Trebuie evitate fixările în spații excesiv de strânse, deoarece duc și la fisuri.
• În timpul perforării, trebuie utilizată o rază suficient de mare pentru a evita solicitările.
• Ceramica tehnică izolează foarte eficient energia electrică. Este posibil să fie necesară evitarea utilizării acestora dacă nu se dorește acest lucru.

Următoarele tabele oferă o prezentare generală a diferitelor proprietăți ale ceramicii tehnice, în special ale oxizilor de aluminiu, împreună cu o comparație cu alte materiale:

Utilizarea ceramicii tehnice

Ceramica tehnică este utilizată de obicei pentru cerințe specializate. De regulă, materialele ceramice sunt rezistente la coroziune și temperatură, izolații electrice și, în același timp, relativ ușoare, rezistente la compresie și la uzură. Dacă se ia în considerare fragilitatea sporită a ceramicii în proiectare, rezistența mecanică a ceramicii de înaltă performanță permite nu numai reducerea greutății și utilizarea la temperaturi mai ridicate, ci și o generare mai scăzută de căldură, reducerea zgomotului de funcționare și o durată de viață mai lungă a lagărelor. Piesele standard, cum ar fi șuruburile și șaibele, sunt disponibile și în materialele ceramice tehnice.

Lagăre ceramice și lagăre hibride

Lagărele ceramice sunt rezistente la substanțe chimice și sunt adecvate pentru aplicații de rulare uscată fără lubrifiere. Datorită proprietăților excelente de rulare ale corpurilor de role ceramice, acestea sunt extrem de potrivite pentru viteze mari de rotație. Lagărele complet ceramice nu ruginesc și nu pot fi influențate de câmpurile magnetice, dar sunt susceptibile la șocuri și solicitări de tracțiune. Aplicațiile includ, de exemplu, echipamente de curățare, echipamente de electroplacare și echipamente de gravare.

Lagărele ceramice sunt disponibile sub formă de lagăre complet ceramice și hibride. Elementele rulante realizate din ceramică de înaltă performanță și inelele lagărelor realizate din oțel pentru lagăre rulante sunt instalate în lagărele hibride. Drept urmare, un lagăr hibrid combină beneficiile ambelor materiale, îmbunătățind astfel performanța. Lagărele hibride sunt potrivite pentru utilizarea la viteze mari de rotație și în condiții dificile de lubrifiere. Lagărele ceramice și hibride sunt, de asemenea, recomandate la temperaturi ridicate de până la 1000 °C, în medii de producere a coroziunii, în construcții ușoare (cu până la 60% mai ușoare decât lagărele din oțel) și atunci când este necesară izolația electrică. Cu toate acestea, atunci când se utilizează lagăre ceramice, este important să rețineți că acestea se extind într-o măsură mai mică decât, de exemplu, lagărele din oțel. Dacă pentru utilizarea lagărelor din ceramică sunt specificate modele expuse la influențe de temperatură ridicată, acestea nu pot fi înlocuite imediat cu lagăre din oțel.

Șuruburi ceramice

Pe lângă proprietățile menționate mai sus pentru ceramică în general, șuruburile ceramice sunt, de asemenea, deosebit de convingătoare datorită următoarelor proprietăți: izolație electrică, non-magnetice și greutatea redusă, care le diferențiază de șuruburile metalice. Acestea pot fi utilizate, de exemplu, în ansambluri electronice sau în aplicații pentru care nu se dorește interferența magnetică (de exemplu, și echipamente electronice, echipamente medicale).

Șuruburile ceramice sunt, de exemplu, disponibile în următoarele variante:

• Șuruburi din zirconiu: foarte dure, rezistente la uzură, rezistente la șocuri termice
• Șuruburi din oxid de aluminiu: foarte dure, rezistente la temperatură
• Șuruburi din nitrură de siliciu: ușoare în special din cauza densității scăzute

Instrucțiuni de instalare

Următoarele note trebuie respectate pentru a garanta faptul că componenta ceramică este încorporată cât mai bine posibil în design:

• Componentele fabricate din ceramică sunt foarte susceptibile la șoc; prin urmare, trebuie acordată o atenție specială în timpul instalării.
• Șuruburile ceramice trebuie strânse întotdeauna cu o forță de cuplu. Acestea sunt mai fragile decât șuruburile metalice, astfel încât cuplul trebuie să fie mai mic, de ex., 0,04 pentru M3, 0,05 pentru M4, 0,30 pentru M8 și 0,50 pentru M10.
• Se recomandă șaibe pentru o mai bună distribuție a încărcăturii.
• Alinierea este deosebit de importantă pentru lagărele cu role: Sarcinile inegale pot duce la defectarea prematură.