Por que a cerâmica de nitreto de silício é adequada para o rolamento?
2023-07-03
Com o desenvolvimento da fabricação de máquinas para a folha de cerâmica de alumina alta precisão e alta velocidade, o escopo da aplicação dos rolamentos está se tornando mais amplo e os requisitos para o desempenho dos rolamentos estão cada vez mais altos. Especialmente em alguns ambientes de trabalho especiais, os rolamentos de metal não podem atender às necessidades, ou mesmo funcionarem completamente. Os materiais de cerâmica tornaram-se os materiais ideais para rolamentos de precisão de fabricação de alta velocidade devido ao seu módulo elástico de baixa densidade, alta e elástico, coeficiente de expansão linear pequeno, resistência ao desgaste, resistência à alta temperatura, resistência à corrosão e outras excelentes propriedades.
1. Vantagens e características da cerâmica de nitreto de silício
Embora o nitreto de silício não seja o mais difícil e o mais difícil da cerâmica industrial, considera -se que possui as melhores propriedades mecânicas e físicas em aplicações de composição que requerem alto desempenho. Agora, vejamos as vantagens do nitreto de silício em comparação com outros materiais de rolamento.
Comparação de desempenho de cinco materiais de barra de cerâmica de alumina rolantes
Resistência ao calor
Geralmente, quando a temperatura de serviço dos rolamentos de aço excede 120 ℃, a dureza e a vida útil diminuem. O nitreto de silício tem boas características de temperatura, especialmente adequadas para o ambiente de alta temperatura.
força centrífuga
A densidade do nitreto de silício é de cerca de 3,24 × 103kg/m3, enquanto a densidade do aço do rolamento é de cerca de 7,8 × 103 kg/m3, que é apenas cerca de 40% da densidade do aço do rolamento; portanto, quando o elemento rolante usa o rolamento, O rolamento pode restringir o aumento da carga do elemento de rolamento causada pela força centrífuga ao girar em alta velocidade.
Coeficiente de expansão linear
O coeficiente de expansão linear do nitreto de silício é de cerca de 1/4 do aço do rolamento, portanto a mudança de tamanho com a temperatura é pequena, por isso é benéfico usar no ambiente com grande mudança de temperatura.
Dureza, coeficiente de elasticidade, proporção de Poisson
Como o coeficiente elástico de nitreto de silício é cerca de 1,5 vezes o do aço do rolamento, a deformação elástica da carga relativa é pequena e a rigidez da carga relativa é alta.
Resistência à corrosão, não magnética, isolamento
Quando os rolamentos de aço são usados para máquinas usadas em equipamentos de máquinas químicas, alimentos, marinhos e outros departamentos, a corrosão é um problema. Em um ambiente magnético forte, quando os rolamentos de aço são usados, o pó fino desgastado do rolamento em si é adsorvido entre o elemento rolante e a superfície do rolamento, que se tornará o principal motivo para danos prematuros ao mancal e aumento do ruído.
2. Preparação de rolamento de cerâmica de nitreto de silício
Processo de preparação do rolamento de cerâmica de cerâmica de nitreto de silício
Preparação de pó de cerâmica de nitreto de silício
O pó de nitreto de silício para peças de rolamento deve ter as seguintes características importantes: alta pureza; Partículas altamente uniformes e finas; α alto teor de fase. O método mais adequado para a preparação do pó de nitreto de silício é o método de nitridação de redução carbotérmica, com a fórmula de reação de 3SIO2+6c+2N2 = Si3N4+6CO. O pó obtido por esse método possui menos impurezas metálicas, alta pureza e partículas finas, conteúdo de fase α alto, atendendo aos requisitos dos materiais para peças de rolamento.
Formação de peças relacionadas ao rolamento de cerâmica de nitreto de silício
Existem muitos métodos de preparação de peças relacionadas ao rolamento de cerâmica de nitreto de silício, como sinterização da reação, sinterização a quente, sinterização sem pressionamento e sinterização secundária da reação. Para obter material de nitreto de silício totalmente denso, o método de prensagem isostática quente é ideal.
Usinagem de peças relacionadas ao rolamento de cerâmica de nitreto de silício
A usinagem de peças relacionadas ao rolamento de cerâmica de nitreto de silício é basicamente semelhante à das peças de aço do rolamento, e o mecanismo de moagem é basicamente o mesmo. No entanto, devido às grandes diferenças entre várias propriedades de nitreto de silício e aço, existem diferenças consideráveis nas ferramentas de moagem, fatores de processamento, misturas de moagem, etc. no processamento mecânico e os requisitos da cerâmica de zircônia cada processo para o tamanho de partícula, tipo , forma, quantidade, força, características de esmagamento, características de desgaste, etc. de abrasivos são diferentes. Atualmente, os abrasivos usados principalmente incluem carboneto de silício, carboneto de boro, pó de diamante, etc.
Montagem de rolamento de cerâmica de nitreto de silício
Geralmente, os rolamentos rolantes são compostos por quatro partes principais, a saber, anel externo, anel interno, elemento rolante e gaiola. Como existem dez categorias de rolamentos, diferentes tipos de rolamentos adotam diferentes formas de gaiola, os métodos de montagem de rolamentos também são diferentes.
O rolamento de cerâmica de nitreto de silício, como um importante componente básico mecânico, está liderando o caminho no novo mundo material devido às suas excelentes características que outros rolamentos não podem corresponder. Nos últimos anos, nas áreas aeroespaciais, navegação, indústria nuclear, petróleo, indústria química, indústria têxtil leve, máquinas, metalurgia, energia elétrica, alimentos, locomotivas, metrô, máquinas-ferramentas de alta velocidade, pesquisa científica, defesa e tecnologia militar , etc., os rolamentos de cerâmica de nitreto de silício são cada vez mais reconhecidos como substitutos indispensáveis em condições de trabalho especiais, como alta temperatura, alta velocidade, frio, frio, inflamável, explosivo, forte corrosão, vácuo, isolamento elétrico, não magnético, atrito seco, etc.
Características do substrato cerâmico de nitreto de silício:
Com a miniaturização de equipamentos eletrônicos de alto desempenho e seus componentes, a dissipação de calor tornou-se um fator-chave que afeta o desempenho e a confiabilidade. Como o alto fluxo de calor levará à degradação do desempenho e à vida reduzida, entre várias tecnologias de dissipação de calor, o sistema de radiador é de peças de cerâmica de zircônia úteis e convenientes para a miniaturização, porque pode se tornar parte do sistema de embalagem microeletrônica.
LED substrato cerâmico
Como todos sabemos, o calor gerado durante a operação de dispositivos semicondutores é o fator -chave que causa a falha dos dispositivos semicondutores, e a condutividade térmica do substrato isolante elétrico é a chave para a dissipação de calor de todos os dispositivos semicondutores. O radiador é composto por uma camada de circuito metálico e um substrato de cerâmica, como nitreto de alumínio, nitreto de silício, carboneto de silício e óxido de alumínio. Entre esses substratos cerâmicos, o nitreto de silício é considerado promissor devido à sua excelente condutividade térmica (60-90W/MK), alta resistência mecânica (650-850 MPa) e baixo coeficiente de expansão. De fato, o substrato cerâmico de nitreto de silício é geralmente depositado no substrato através de processos de cobre de ligação direta (DBC) e revestimento direto de cobre (DPC). O DBC alcança a adesão aumentada por intertravamento mecânico entre o filme de metal depositado em alta temperatura e o substrato, enquanto o DPC alcança a adesão aprimorada, formando uma camada de semente por deposição de vácuo.
Além disso, devido ao complexo ambiente mecânico, como turbulência e vibração, também são necessários materiais de substrato com certa confiabilidade mecânica. O substrato cerâmico de nitreto de silício é relativamente equilibrado em todos os aspectos e é o material de cerâmica estrutural com o melhor desempenho abrangente. Portanto, o nitreto de silício tem forte competitividade no campo da fabricação de substratos cerâmicos para dispositivos eletrônicos.
Substrato cerâmico de nitreto de alumínio
No passado, os substratos de circuito eram materiais planares compostos por componentes discretos ou circuitos integrados e componentes discretos para atender aos requisitos funcionais do circuito geral. Requer apenas isolamento elétrico e condutividade. Depois de entrar na idade de informações inteligentes, também é necessário que o equipamento eletrônico de energia seja capaz de converter e controlar a energia elétrica, o que melhora bastante os requisitos de controle de controle elétrico e conversão de energia do equipamento, bem como o consumo de energia operacional. Consequentemente, o substrato comum não pode mais atender aos altos requisitos para reduzir a resistência térmica de dispositivos de energia complexos, controlar a temperatura de trabalho e garantir a confiabilidade, e o substrato cerâmico com melhor desempenho deve ser substituído.
De acordo com os requisitos de desempenho dos dispositivos eletrônicos em substrato de cerâmica, os materiais do substrato devem ter as seguintes propriedades:
1. Bom isolamento e resistência ao flange cerâmica de quebra elétrica;
2. Alta condutividade térmica: A condutividade térmica afeta diretamente as condições de trabalho e a vida útil dos semicondutores. O campo de temperatura desigual causado por baixa dissipação de calor também aumentará bastante o ruído dos dispositivos eletrônicos;
3. O coeficiente de expansão térmica corresponde a outros materiais usados no pacote;
4. Características de alta frequência, baixa constante dielétrica, baixa perda dielétrica;
5. A superfície é lisa e a espessura é uniforme, o que é conveniente para imprimir o circuito na superfície do substrato e garante a espessura uniforme do circuito impresso;
Substrato de cerâmica
Atualmente, os materiais de substrato cerâmico mais amplamente utilizados são principalmente óxido de alumínio e nitreto de alumínio. Como o nitreto de silício se compara ao seu desempenho? A tabela a seguir mostra que os três materiais de substrato cerâmica têm vantagens óbvias, especialmente a resistência à alta temperatura dos materiais de substrato cerâmica de nitreto de silício sob condições de alta temperatura, inércia química a metais, dureza ultra-alta, tenacidade à fratura e outras propriedades mecânicas.
Como o nitreto de silício é tão excelente, por que ainda é raramente usado no mercado? Onde está sua oportunidade de desenvolvimento?
De fato, cada um dos três materiais tem suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, embora a condutividade térmica do óxido de alumínio seja ruim e não possa acompanhar a tendência de desenvolvimento do semicondutor de alta potência, seu processo de fabricação é maduro e o custo é baixo, portanto ainda há uma grande demanda no campo de baixo custo . A condutividade térmica do nitreto de alumínio é melhor combinada com a dos materiais semicondutores. Pode ser usado em indústrias de ponta, mas seu desempenho mecânico é ruim, afetando a vida dos dispositivos semicondutores, e seu custo de uso é alto. O nitreto de silício é o melhor em desempenho abrangente, mas o limite de entrada é alto.
Atualmente, muitos institutos e empresas de pesquisa científica doméstica estão estudando, mas a tecnologia é difícil, o custo de produção é alto, o mercado é pequeno e a aplicação em larga escala ainda não apareceu. Essa também é a razão pela qual muitas empresas ainda estão esperando para ver e não se decidiram para aumentar o investimento. Mas agora a situação é diferente, porque o mundo entrou em um período crítico para o desenvolvimento do semicondutor de terceira geração. Os substratos cerâmicos de nitreto de silício têm produtos maduros nos Estados Unidos e no Japão. A China tem um longo caminho a percorrer nesse sentido.
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