¿Por qué la cerámica de nitruro de silicio es adecuada para el rodamiento?
2023-07-03
Con el desarrollo de la fabricación de maquinaria hacia la lámina de cerámica de alúmina alta precisión y alta velocidad, el alcance de la aplicación de los rodamientos se está volviendo más y más amplio, y los requisitos para el rendimiento de los rodamientos se están volviendo cada vez más altos. Especialmente en algunos entornos de trabajo especiales, los rodamientos de metal no pueden satisfacer las necesidades, o incluso trabajar por completo. Los materiales de cerámica se han convertido en los materiales ideales para los rodamientos de precisión de fabricación de alta velocidad debido a su baja densidad, módulo de alta elástico, coeficiente de expansión lineal pequeño, resistencia al desgaste, resistencia a la alta temperatura, resistencia a la corrosión y otras propiedades excelentes.
1. Ventajas y características de la cerámica de nitruro de silicio
Aunque el nitruro de silicio no es el más duro y el más duro en la cerámica industrial, se considera que tiene las mejores propiedades mecánicas y físicas en aplicaciones de rodamiento que requieren alto rendimiento. Ahora veamos las ventajas del nitruro de silicio en comparación con otros materiales de rodamiento.
Comparación de rendimiento de cinco materiales de barra de cerámica de alúmina
Resistencia al calor
En general, cuando la temperatura de servicio de los rodamientos de acero excede los 120 ℃, la dureza y la vida útil disminuirán. El nitruro de silicio tiene buenas características de temperatura, especialmente adecuadas para un entorno de alta temperatura.
fuerza centrífuga
La densidad del nitruro de silicio es de aproximadamente 3.24 × 103 kg/m3, mientras que la densidad del acero del rodamiento es de aproximadamente 7.8 × 103 kg/m3, que es solo aproximadamente el 40% de la densidad del acero del rodamiento, por lo que cuando el elemento rodante usa el rodamiento, El rodamiento puede restringir el aumento de la carga del elemento rodante causado por la fuerza centrífuga cuando gira a alta velocidad.
Coeficiente de expansión lineal
El coeficiente de expansión lineal del nitruro de silicio es aproximadamente 1/4 del acero de rodamiento, por lo que el cambio de tamaño con la temperatura es pequeño, por lo que es beneficioso usar en el medio ambiente con un gran cambio de temperatura.
Dureza, coeficiente de elasticidad, relación de Poisson
Debido a que el coeficiente elástico del nitruro de silicio es aproximadamente 1.5 veces el de acero de rodamiento, la deformación elástica de la carga relativa es pequeña y la rigidez de la carga relativa es alta.
Resistencia a la corrosión, no magnético, aislamiento
Cuando los rodamientos de acero se utilizan para maquinaria utilizada en equipos de maquinaria química, alimentos, marinos y otros departamentos, la corrosión es un problema. En un entorno magnético fuerte, cuando se usan los cojinetes de acero, el polvo fino que se usa del rodamiento en sí se adsorbe entre el elemento rodante y la superficie de rodadura, lo que se convertirá en la razón principal del daño de espalda de rodamiento prematuro y un aumento del ruido.
2. Preparación de rodamiento de cerámica de nitruro de silicio
Proceso de preparación de nitruro de silicio Alúmina cerámica con rodamiento de émbolo de cerámica
Preparación de polvo de cerámica de nitruro de silicio
El polvo de nitruro de silicio para las partes del rodamiento debe tener las siguientes características importantes: alta pureza; Partículas altamente uniformes y finas; α Alto contenido de fase. El método más adecuado para preparar el polvo de nitruro de silicio es el método de nitridación de reducción de carbotérmica, con la fórmula de reacción de 3SiO2+6C+2N2 = Si3N4+6CO. El polvo obtenido por este método tiene menos impurezas metálicas, alta pureza y partículas finas, contenido de fase alta α, que cumple con los requisitos de los materiales para las piezas de rodamiento.
Formación de piezas relacionadas con el rodamiento de cerámica de nitruro de silicio
Existen muchos métodos de preparación de piezas relacionadas con el rodamiento de cerámica de nitruro de silicio, como sinterización de reacción, sinterización de presión caliente, sinterización sin presión y sinterización de reacción secundaria. Para obtener material de nitruro de silicio completamente denso, el método de prensado isostático en caliente es ideal.
Mecanizado de piezas relacionadas con el cojinete de cerámica de nitruro de silicio
El mecanizado de piezas relacionadas con el cojinete de cerámica de nitruro de silicio es básicamente similar al de las partes de acero del rodamiento, y el mecanismo de molienda es básicamente el mismo. Sin embargo, debido a las grandes diferencias entre varias propiedades del nitruro de silicio y el acero, existen diferencias considerables en las herramientas de molienda, factores de procesamiento, mezclas de molienda, etc. en el procesamiento mecánico y los requisitos de la cerámica de circonio cada proceso para el tamaño de partícula, tipo , forma, cantidad, resistencia, características de trituración, características de desgaste, etc. de abrasivos son diferentes. En la actualidad, los abrasivos utilizados incluyen principalmente carburo de silicio, carburo de boro, polvo de diamante, etc.
Asamblea de rodamiento de cerámica de nitruro de silicio
En general, los cojinetes rodantes están compuestos por cuatro partes principales, a saber, el anillo exterior, el anillo interno, el elemento rodante y la jaula. Como hay diez categorías de rodamientos de rodamientos, diferentes tipos de rodamientos adoptan diferentes formas de jaula, por lo que los métodos de ensamblaje de rodamientos también son diferentes.
El rodamiento de cerámica de nitruro de silicio, como un componente básico mecánico importante, lidera el camino en el nuevo mundo material debido a sus excelentes características que otros rodamientos no pueden igualar. En los últimos años, en los campos de aeroespacial, navegación, industria nuclear, petróleo, industria química, industria textil ligera, maquinaria, metalurgia, energía eléctrica, alimentos, locomotoras, metro, máquinas herramienta de alta velocidad, investigación científica, defensa y tecnología militar , etc., los cojinetes cerámicos de nitruro de silicio se reconocen cada vez más como sustitutos indispensables en condiciones de trabajo especiales como alta temperatura, alta velocidad, frío profundo, inflamable, explosivo, corrosión fuerte, vacío, aislamiento eléctrico, no magnético, fricción seca, etc.
Características del sustrato cerámico de nitruro de silicio:
Con la miniaturización de equipos electrónicos de alto rendimiento y sus componentes, la disipación de calor se ha convertido en un factor clave que afecta el rendimiento y la confiabilidad. Debido a que el alto flujo de calor conducirá a la degradación del rendimiento y la vida útil acortada, entre varias tecnologías de disipación de calor, el sistema de radiador son piezas cerámicas de circonio útiles y convenientes para la miniaturización, ya que puede convertirse en parte del sistema de envasado microelectrónico.
Sustrato de cerámica LED
Como todos sabemos, el calor generado durante la operación de dispositivos semiconductores es el factor clave que causa la falla de los dispositivos semiconductores, y la conductividad térmica del sustrato aislante eléctrico es la clave para la disipación de calor de todos los dispositivos semiconductores. El radiador está compuesto por una capa de circuito de metal y un sustrato de cerámica, como nitruro de aluminio, nitruro de silicio, carburo de silicio y óxido de aluminio. Entre estos sustratos cerámicos, el nitruro de silicio se considera prometedor debido a su excelente conductividad térmica (60-90W/mk), alta resistencia mecánica (650-850 MPa) y un bajo coeficiente de expansión. De hecho, el sustrato de cerámica de nitruro de silicio generalmente se deposita en el sustrato a través de procesos de cobre de unión directa (DBC) y recubrimiento de cobre directo (DPC). DBC logra una adhesión mejorada por enclavamiento mecánico entre la película de metal depositada a alta temperatura y el sustrato, mientras que DPC logra una adhesión mejorada al formar una capa de semilla por deposición de vacío.
Además, debido al entorno mecánico complejo, como la turbulencia y la vibración, también se requieren materiales de sustrato con cierta confiabilidad mecánica. El sustrato de cerámica de nitruro de silicio está relativamente equilibrado en todos los aspectos y es el material de cerámica estructural con el mejor rendimiento integral. Por lo tanto, el nitruro de silicio tiene una fuerte competitividad en el campo de la fabricación de sustratos de cerámica para dispositivos electrónicos.
Sustrato de cerámica de nitruro de aluminio
En el pasado, los sustratos de circuito eran materiales planos compuestos por componentes discretos o circuitos integrados y componentes discretos para cumplir con los requisitos funcionales del circuito general. Solo requiere aislamiento eléctrico y conductividad. Después de ingresar la edad de información inteligente, también se requiere que el equipo electrónico de potencia pueda convertir y controlar la energía eléctrica, lo que mejora enormemente los requisitos de rendimiento de control eléctrico y conversión de energía del equipo, así como el consumo de energía operativa. En consecuencia, el sustrato común ya no puede cumplir con los altos requisitos para reducir la resistencia térmica de los dispositivos de potencia complejos, controlar la temperatura de trabajo y garantizar la confiabilidad, y el sustrato cerámico con un mejor rendimiento debe ser reemplazado.
De acuerdo con los requisitos de rendimiento de los dispositivos electrónicos en sustrato de cerámica, los materiales del sustrato tendrán las siguientes propiedades:
1. Buen aislamiento y descomposición eléctrica Resistencia a la brida de cerámica;
2. Alta conductividad térmica: la conductividad térmica afecta directamente las condiciones de trabajo y la vida útil de los semiconductores. El campo de temperatura desigual causado por una mala disipación de calor también aumentará en gran medida el ruido de los dispositivos electrónicos;
3. El coeficiente de expansión térmica coincide con otros materiales utilizados en el paquete;
4. Características de alta frecuencia, baja constante dieléctrica, baja pérdida dieléctrica;
5. La superficie es lisa y el grosor es uniforme, lo cual es conveniente para imprimir el circuito en la superficie del sustrato y asegura el grosor uniforme del circuito impreso;
Sustrato de cerámica
En la actualidad, los materiales de sustrato de cerámica más utilizados son principalmente óxido de aluminio y nitruro de aluminio. ¿Cómo se compara el nitruro de silicio con su rendimiento? La siguiente tabla muestra que los tres materiales de sustrato de cerámica tienen ventajas obvias, especialmente la alta resistencia a la temperatura de los materiales de sustrato cerámico de nitruro de silicio en condiciones de alta temperatura, inercia química a metales, dureza ultra alta, resistencia a la fractura y otras propiedades mecánicas.
Dado que el nitruro de silicio es tan excelente, ¿por qué rara vez se usa en el mercado? ¿Dónde está su oportunidad de desarrollo?
De hecho, cada uno de los tres materiales tiene sus ventajas y desventajas. Por ejemplo, aunque la conductividad térmica del óxido de aluminio es pobre y no puede mantenerse al día con la tendencia de desarrollo del semiconductor de alta potencia, su proceso de fabricación es maduro y el costo es bajo, por lo que todavía hay una gran demanda en el campo de bajo nivel . La conductividad térmica del nitruro de aluminio se combina mejor con la de los materiales semiconductores. Se puede usar en industrias de alta gama, pero su rendimiento mecánico es deficiente, lo que afecta la vida de los dispositivos semiconductores, y su costo de uso es alto. El nitruro de silicio es el mejor en un rendimiento integral, pero el umbral de entrada es alto.
En la actualidad, muchos institutos y empresas de investigación científica nacional están estudiando, pero la tecnología es difícil, el costo de producción es alto, el mercado es pequeño y la aplicación a gran escala aún no ha aparecido. Esta es también la razón por la cual muchas empresas todavía están esperando ver y no han decidido aumentar la inversión. Pero ahora la situación es diferente, porque el mundo ha entrado en un período crítico para el desarrollo del semiconductor de tercera generación. Los sustratos de cerámica de nitruro de silicio tienen productos maduros en los Estados Unidos y Japón. China tiene un largo camino por recorrer en este sentido.
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