Керамические и гибридные подшипники

Что такое керамические материалы

Неорганические материалы с добавками, прошедшие для получения готовых изделий формование и спекание, называют керамикой. Это один из наиболее древних материалов, используемых человеком. Не теряет значения керамика в настоящее время. Современные керамические композиции на основе кремниевых нитридов или карбидов, оксидов циркония либо алюминия обладают уникальными свойствами:

• чрезвычайной твердостью;
• сниженным коэффициентом трения;
• жесткостью;
• немагнитностью;
• износостойкостью;
• не проводят ток;
• малым весом.

Новейшие технологии позволяют получать высокоточные керамические детали. Но ключевые недостатки керамики в сравнении со сталью (хрупкость, меньшая прочность, повышенная стоимость) пока остаются непреодолимыми. Однако преимущества керамики позволяют эффективно использовать ее для подшипников качения и скольжения.

Керамика – удивительное сочетание свойств

На иллюстрации керамический шарикоподшипник 6803.

Керамический подшипник качения

Обычный подшипник качения включает верхнее, нижнее кольца, находящиеся между ними тела качения и сепаратор, равномерно организующий тела качения.

Керамика может использоваться как для колец и тел качения, так и только для шариков, либо роликов при металлических кольцах. В гибридных подшипниках керамика используется только для тел качения.

Сепараторы подшипников керамических обычно выполняют из высокопрочного, износостойкого пластика. Но некоторые производители, например китайские, используют и металлические сепараторы.

Полностью керамический подшипник качения с сепаратором из пластика обладает рядом исключительных преимуществ:

• электроизоляционные свойства;
• стабильность размеров при изменениях температуры;
• немагнитность;
• сниженное трение;
• небольшой нагрев;
• работоспособность в расширенном температурном диапазоне от -85 и до 900 градусов при соответствующем сепараторе;
• сниженный шум;
• малая инертность;
• уменьшенная необходимость в смазке, а в некоторых условиях даже возможность работы без смазки;
• допустимость к контакту с пищей;
• чрезвычайная стойкость к наиболее агрессивным веществам;
• малый вес;
• возможность нормальной работы при оборотах до 12000 1/мин;
• долговечность.

Твердость шариков или роликов из керамики превышает показатели стали, что повышает ресурс подшипников. Чрезвычайно высокая чистота поверхности колец, тел качения из керамики значительно уменьшает трение, тепловыделение. Керамика также обладает размерной стабильностью, малой теплопроводностью в пять раз ниже стали, электроизоляционными свойствами, обеспечивает снижение веса на сорок процентов.

 

Исключая химическую стойкость, немагнитность, эти преимущества относятся к гибридным подшипникам.

Главный недостаток керамических подшипников – меньшая номенклатура, не покрывающая все возможные позиции. Но производство керамических подшипников и их разнообразие быстро расширяются. Поэтому значимость этого недостатка со временем снижается.

Керамический подшипник также является более хрупким и менее прочным, чем металлический. Большей является и его цена. Снизить стоимость можно, применяя подшипники гибридного типа.

Особые свойства определяют применимость цельнокерамических подшипников:

• ванны электролизные;
• машины и приборы пищевых производств;
• оборудование для медицины;
• вакуумная техника;
• разнообразные насосы;
• химическое машиностроение;
• различные турбины;
• электромоторы и генераторы;
• транспортные средства;
• оборудование чистых комнат.

Номенклатура современных цельнокерамических подшипников включает:

• шарикоподшипники радиальные открытые и защищенные, радиально-упорные, сферические самоустанавливающиеся, упорные;
• роликоподшипники;
• шарики из керамики.

Производители подшипников

Среди основных производителей подшипников из керамики Boca Bearing США, SKF, VKE, FYH, Koyo. Японская компания FYH изготавливает высокотемпературные гибридные подшипники. Американский производитель Boca Bearing предлагает широкую номенклатуру полностью керамических шарико и роликоподшипников.

Они изготавливаются из оксидов циркония, алюминия, кремниевых карбидов, нитридов.

Выпускаются также гибридные подшипники. Легкие, миниатюрные, скоростные подшипники Ceramic Orange Seal ABEC 7 позволяют избегать вибраций, облегчают вращение катушки мультипликаторной спининга.

Boca Bearing предлагает также специализированные линейки подшипников керамических для упаковочной техники и гибридных для оборудования водоочистных сооружений.

 

Производственная линейка SKF включает:

• гибридные шарикоподшипники радиальные однорядные обычные и с уплотнениями;
• однорядные гибридные роликоподшипники с роликами цилиндрическими;
• радиально-упорные гибридные шарикоподшипники;
• гибридные шарикоподшипники с нержавеющими обоймами;
• прецезионные гибридные роликоподшипники цилиндрические;
• радиально-упорные прецезионные гибридные шарикоподшипники.

Многочисленную номенклатуру гибридных и цельнокерамических подшипников выпускает компания Koyo из Японии.

Радиальные гибридные однорядные высокотемпературные шарикоподшипники серии 3NC…HT4 GF

Они сохраняют работоспособность в диапазоне -100…+500 градусов. Их кольца выполнены из высокопрочной стали, сепаратор сделан из графита, а шарики – из нитрида кремния. Размерный ряд рассчитан на валы диаметрами 6…40 мм. Обозначение шарикоподшипника 40х68х15 – 3NC6008HT4C4 GF.

Полнокерамические радиально-упорные шарикоподшипники типа NC…V с диаметрами 4…40 мм

Эти подшипники выполнены из нитрида кремния. Допустимые температуры -200…+800 градусов. Пример обозначения подшипника 15х35х11 – NC7202V.

Гибридные коррозионностойкие шарикоподшипники 3NC…ZZMD4 FA

Такие модели работоспособны от -100 до +200 градусов и в вакууме. Кольца подшипников сделаны из нержавеющей стали, шарики из нитрида кремния, сепаратор из фторуглеродного пластика. Модельный ряд включает диаметры 4…40 мм. Для подшипника 12х32х10 обозначение по каталогу 3NC6001ZZMD4 FA.

Керамические подшипники серии NC…FA с диаметрами 4…40 мм

Они допускают рабочие температуры -100…+200 градусов. Кольца и шарики изготовлены из нитрида кремния, а сепаратор из фторуглерода. Обозначение подшипника 4х13х5 – NC624FA.

Для работы в агрессивных средах используется серия подшипников NCT…FA.

Еще большую коррозионную стойкость имеет серия шарикоподшипников NCZ…FA.

Гибридные немагнитные подшипники серии 3NC…YH4 FA

Оснащаются кольцами из немагнитной стали, керамическими шариками, фторуглеродным сепаратором. Обозначение подшипника 30х55х13 – 3NC6006YH4 FA.

Гибридные высокооборотные шарикоподшипники типа 3NC…ZZ FG с защитными шайбами

Допускают при консистентной смазке обороты от 63000 1/мин для модели 3NC604ZZC3 FG (4х12х4) до 9900 1/мин для модели 3NC6208ZZC3 (40х80х18). Кольца подшипников выполнены из высокоуглеродистой хромистой стали, сепаратор из полиамида, шарики из нитрида кремния. Допустимые рабочие температуры порядка -30…120 градусов.

Гибридные подшипники K серии используются для промышленных роботов.

Немецкая компания ZEN производит гибридные и полностью керамические подшипники с кольцами, шариками из оксида циркония, нитрида кремния.

Области применения и номенклатура гибридных и цельнокерамических подшипников постоянно расширяются.

Керамический подшипник скольжения

Широко распространенные металлокерамические втулки состоят из порошковой бронзы, стали либо железа с добавкой графита. Их прессуют при большом давлении, а затем спекают при довольно высокой температуре. Пористая структура впитывает и удерживает смазку. Заметно уменьшает коэффициент трения добавка графита.

Состав и характеристики материалов втулок бронзографитовых регламентируются ГОСТ 26719-85. Для подшипников скольжения небольших редукторов, пищевого, текстильного, бытового оборудования используется порошок антифрикционный ПА-БрО. В его составе кроме порошка меди, 9,5…10,5% олова и четверть процента углерода. При пористости после спекания 18…27% гарантируется твердость 350 НВ. С нормальной смазкой такой материал выдерживает нагрузку до пяти МПа и скорости скольжения 5 м/с. Для условий самосмазывания или ограничения количества смазки его допустимая нагрузка снижается до 1,5 Мпа, а скорость падает до полутора м/с.

Бесшумную работу с малым износом в электродвигателях, автомобилях, сельхозтехнике обеспечит порошковая композиция ПА-БрОГр2, содержащая медь, 9…11% олова, 1,5…2,5% графита. Такие втулки с пористостью порядка 15…25%, твердостью 250 HB хорошо работают в условиях масляной смазки при скоростях до двух м/с и давлении не выше шести МПа.

Вкладыши на основе ПА-БрОХН из меди, 4,5…5,5% олова, 9,5…10,5% хрома, 6,5…7,5% никеля имеют значительную твердость 900 HB при пористости 4…20%. Такой материал требует смазки, но выдерживает усилия порядка 7…10 МПа на скоростях до метра в секунду. Благодаря закалке и старению можно поднять прочность деталей. Коэффициент трения со смазкой до 0,1. Используются в механизмах кораблей, автомашинах, станках, приборах.

Возможность работы без смазки предоставляет композиция ПА-ДГр10 из меди с десятью процентами графита. Твердость таких втулок 200 HB, пористость 2…9%. Они часто применяются в насосах, приборах и работают на скоростях до 50 м/с.

Керамический подшипник скольжения железографитный регламентируется ГОСТ 26802-86. Примером может служить, используемая в сельхозтехнике, автомашинах, станках порошковая композиция ПА-ЖГр2, содержащая железо и 1,4…2% углерода. Втулки этого состава с пористостью в пределах 15…25%, твердостью 500 HB выдерживают 4…10 МПа на скоростях до 3 м/с, обеспечивая со смазкой трение 0,035…0,125.

Размеры металлокерамических втулок опор скольжения определяются ГОСТ ИСО 2795-2001.

Опоры скольжения металлокерамические обеспечивают:

• работоспособность в большом диапазоне оборотов вала, нагрузок и температур;
• сниженный шум;
• уменьшение пускового и рабочего моментов вращения;
• стойкость к коррозии;
• долговечность и хорошие эксплуатационные характеристики.