Vi håller på att översätta vår butik till svenska!
Men eftersom vi har många produkter och sidor tar det tid. Under tiden finns vår produktkatalog på engelska. Tack för ditt tålamod!
Teknisk keramik i praktiken – keramiska skruvar, keramiska lager och hybridlager
Teknisk keramik är keramik som används i specialiserade tekniska tillämpningar. På grund av deras speciella egenskaper, såsom motståndskraft mot höga temperaturer och kemikalier, är de ofta det bättre valet i vissa applikationer än exempelvis komponenter tillverkade av metall. Den här artikeln visar några av de möjliga tillämpningarna och diskuterar materialsammansättningen och produktionen av teknisk keramik.
Vad är teknisk keramik?
Teknisk keramik, även kallad specialkeramik eller högpresterande keramik, är optimerad för tekniska tillämpningar. De skiljer sig från konventionell keramik, t.ex. genom renhet, ugnsbearbetning och tolererad kornstorlek.
Standardisering av teknisk keramik
Teknisk keramik är föremål för olika standarder. Till exempel finns följande standarder för oxidkeramik:
- DIN EN 60672: Definierar gruppklassificering, termer, testprocedurer. Minimikrav för egenskaper, såsom motstånd mot böjning, specificeras också.
- DIN 40680: Definierar allmänna toleranser för keramiska komponenter inom elteknikområdet.
- DIN EN 14232: Hanterar högpresterande keramik och listar termer, inkl. definitioner.
- ISO 15165: Innehåller ett högpresterande keramiskt klassificeringssystem.
Vissa testmetoder är också standardiserade. DIN EN 725 innehåller till exempel specifikationer för föroreningar och densitet, bland annat för högpresterande keramiska pulver.
Material för teknisk keramik
Keramik är en generisk term för olika oorganiska, icke-metalliska material. Som regel används en blandning av keramiskt pulver, organiskt bindemedel och vätska för att generera en rå förening, som sedan måste härdas (t.ex. i en sintringsprocess vid höga temperaturer). Keramik kan delas in i tre huvudkategorier: keramisk lergods, sintrad keramik och speciella keramiska föreningar. Teknisk keramik är en av de speciella keramiska föreningarna. I allmänhet kan teknisk keramik delas in i oxiderande och icke-oxidiska keramik, där oxiderande keramik såsom aluminiumoxid används oftare. Oxidisk keramik består av metalloxider och kännetecknas av kemisk stabilitet, styrka och elektrisk isoleringsförmåga. Icke-oxidisk keramik uppvisar hög slitstyrka (motstånd mot nötning), möjligen bättre värmeledningsförmåga och mekanisk belastningsbeständighet. De är vidare indelade i:
- Nitridkeramik: Nitridkeramik innehåller kväve. Kiselnitrid, till exempel, har hög termisk stöttålighet och hög slitstyrka. Boritrid har bra smörjförmåga.
- Karbidkeramik: Karbidkeramik innehåller kol. De är särskilt hårda, med borkarbid som ett av de hårdaste materialen. Kiselkarbid har en hög smältpunkt (ca 2 700 °C) och är kemiskt stabil.
- Kiselkeramik: Kiselkeramik är baserad på kiseldioxid. Exempel är porslin och steatit. Steatit har goda dielektriska egenskaper och används ofta som isolator i elektroteknik.
Följande tabell ger en översikt över klassificeringen av de olika typerna av keramik:
| Keramik | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Keramiskt stengods | Keramiskt sintrat material | Specialkeramikföreningar, t.ex. högtemperatur- och elektrotekniska specialföreningar | ||||||||
| Byggkeramik | Brandsäker keramik | Diverse stengods | Stengods | Porslin | Teknisk keramik (kiselkeramik/oxidkeramik/icke-oxidkeramik) | |||||
| Tegel, takplattor osv. | Chamottstenar, magnesit, etc. | Stengods | Krukor | Grovt stengods | Porslin stengods | Hårt porslin | Mjukt porslin | Traditionell teknisk keramik | Högpresterande keramik | |
| Bordsartiklar osv. Klinkers | Blomkrukor, terrakotta osv. | Klinkers, kakel, avloppsrör, etc. | Kakel, tallrikar, sanitetsartiklar, kemisk utrustning osv. | Hushålls- och dekorativa tallrikar | föredras för dekorativa plaster | Kemiskt porslin, brandbeständig keramik, isolatorer | Funktionell keramik | Strukturell och teknisk keramik | ||
| Sensor- och skyddskeramik, bio- och medicinsk keramik, elektrokeramik, skärkeramik | Mekaniskt belastade delar med hög hårdhet och slitstyrka såsom: tätningar, lager, bussningar, strukturella komponenter | |||||||||
Tillverkningsprocesser för teknisk keramik
Det finns flera tillverkningsprocesser för teknisk keramik. Varm isostatisk pressning (HIP), även kallad högtryckssintring, används för att tillverka keramik med mycket hög densitet och låg porositet.
Det är dock också möjligt att skriva ut komponenter tillverkade av teknisk keramik direkt på en skrivare. LCM-processen (litografibaserad keramisk tillverkning) använder till exempel en UV-känslig monomer och ett keramiskt pulver som råmaterial. LDM-processen (vätskeavlagringsmodellering) innebär att man fuktar och komprimerar keramiska råmaterial, följt av att man applicerar det senare lagret efter lager med hjälp av en skrivare.
Egenskaper hos teknisk keramik
Egenskaperna hos teknisk keramik gör dem till det föredragna valet i specialiserade applikationer. På grund av deras höga temperaturbeständighet är de lämpliga för användning i högtemperaturapplikationer, såsom kraftgenerering. De förlorar inte sin strukturella integritet när de värms upp. Teknisk keramik är också kemiskt mer resistent än andra material, eftersom de kan vara kemiskt inerta.
Keramikens höga hårdhet och densitet åtföljs dock av minskad styrka vid ruptur, vilket måste beaktas i design:
- skarpa kanter, hörn och hack ska undvikas eller åtminstone minimeras. Dessa kan leda till sprickor och påfrestningar. Rundade kanter kan till exempel användas istället.
- Överdrivet täta passningar bör undvikas, eftersom de också leder till sprickor.
- Vid borrning måste en tillräckligt stor radie användas för att undvika påfrestningar.
- Teknisk keramik isolerar elektrisk energi mycket effektivt. Användningen av dem kan behöva undvikas om detta inte önskas.
Följande tabeller ger en översikt över olika egenskaper hos teknisk keramik, särskilt aluminiumoxider, tillsammans med en jämförelse med andra material:
| Material | Färg | Egenskaper | ||
|---|---|---|---|---|
| Säker omgivningstemperatur (°C) | Volymspecifikt motstånd(Ω * cm) | Böjstyrka Mpa | ||
| Aluminiumoxid 92/ Al2O3 92 % | vit | ~ 1 200 | > 1014 | 240~340 |
| Al2O3 / aluminiumoxid 96 / Al2O3 96 % | vit | ~ 1 300 | > 1014 | 300 |
| Al2O3 / aluminiumoxid 99 / Al2O3 99.7 % | naturliga färger | ~ 1 500 | > 1015 | 340 |
| Aluminiumoxid 99.5 | vit | ~ 1 200 | < 1014 | 490 |
| Steatit/ SiO 2, MgO | vit | ~ 1 000 | > 1014 | 120 |
| Bearbetningsbar keramik / SiO2, MgO | naturliga färger | ~ 1 000 | > 1016 | 94 |
| Egenskaper | Enhet | Al2O3 / aluminiumoxid 99.5 |
|---|---|---|
| Vattenabsorptionsförhållande | % | |
| Densitet | g/cm3 | 3.9 |
| Värmebeständighet | ℃ | 1 000 ~ 1 200 |
| Kompressiv styrka | kN/cm2 | 363 |
| Böjstyrka | kN/cm2 | 49 |
| Linjär koefficient för termisk expansion | - | 8.0x10-6 (25~700 ℃) |
| Termisk konduktivitet | W/(m x ℃) | 31.4 (20 ℃) 16.0 (300 ℃) |
| Specifikt volymmotstånd | Ω x cm | > 1014 (20 ℃) > 1014 (300℃) |
| Dielektrisk konstant | 1 MHz | 9.8 |
| Isoleringsmotstånd | kV/mm | 10 |
| Fysiska egenskaper hos Al2O3 (representativa referensvärden) |
| Rostfritt stål 1.4301/X5CrNi18-10 |
Centreringsstift (KCF) (rostfritt stål med 5~10 μm beläggning gjord av aluminiumoxid som ett isolerande skikt) |
Keramik Al2O3 | Nylon | Bakelit (pappersbaserad) |
Bakelit (textilbaserad) |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Naturligt motstånd (Ω) | 72 x 10-6 | 2 x 108 | 1014 | 5 x 1012 | 1010 | 1012 |
| Nedbrytningsspänning (V) | - | 150 | 104 | 1.9 x 104 | - | - |
| Tålighet (MPa) | 520 | 421 | - | 88 | 80 | 100 |
| Expansion (%) | 40 | 10 | - | 50 | 2 | 2 |
| Flexibilitetsstyrka (MPa) | - | - | 350 | 103 | 180 | 160 |
| Vickers hårdhet (HV) | 200 | vid spetsen 1 300 inom 200 |
1400 | - | - | - |
| Isolerande egenskaper | ❌ | bra | utmärkt | utmärkt | utmärkt | utmärkt |
| Värmebeständighet | bra | bra | utmärkt | ❌ | tvivelaktig | tvivelaktig |
| Bearbetningsbarhet | bra | bra | ❌ | bra | bra | bra |
Användning av teknisk keramik
Teknisk keramik används vanligtvis för specialiserade krav. Som regel är keramiska material korrosions- och temperaturbeständiga, elektriskt isolerande och samtidigt relativt lätta, kompressionsbeständiga och slitstarka. Om den ökade skörheten i keramiken beaktas i konstruktionen, möjliggör den mekaniska styrkan hos högpresterande keramik inte bara viktbesparingar och användning vid högre temperaturer, men också lägre värmegenerering, bullerreducering och längre livslängd i lager. Standarddelar som skruvar och brickor finns också i teknisk keramik.
Keramiska lager och hybridlager
Keramiska lager är kemiskt resistenta och är lämpade för torrkörningsapplikationer utan smörjning. Tack vare de utmärkta rullegenskaperna hos keramiska rullkroppar är de mycket lämpade för höga rotationshastigheter. Helkeramiska lager rostar inte och kan inte påverkas av magnetfält, men är känsliga för stötar och dragspänningar. Tillämpningar inkluderar till exempel rengöringsutrustning, elektropläteringsutrustning och etsningsutrustning.
Keramiska lager finns som helkeramiska lager och hybridlager. Rullande element tillverkade av högpresterande keramik och även lagerringar tillverkade av rullningslagerstål installeras i hybridlager. Som ett resultat kombinerar ett hybridlager fördelarna med båda materialen och förbättrar därmed prestandan. Hybridlager är lämpliga för användning vid höga rotationshastigheter och under svåra smörjningsförhållanden. Keramik- och hybridlager rekommenderas också vid höga temperaturer på upp till 1 000 °C, i korrosionsinducerande miljöer, i lätt konstruktion (upp till 60 % lättare än stållager) och när elektrisk isolering krävs. Men när keramiska lager används är det viktigt att notera att dessa expanderar i mindre utsträckning än till exempel stållager. Om konstruktioner som utsätts för högtemperaturpåverkan specificeras för användning av keramiska lager, kan dessa inte lätt ersättas av stållager.
Keramiska skruvar
Förutom de ovan nämnda egenskaperna för keramik i allmänhet är keramiska skruvar också särskilt övertygande på grund av följande egenskaper: elektriskt isolerande, icke-magnetiska och lätta, vilket skiljer dem från metallskruvar. De kan till exempel användas i elektroniska enheter eller i tillämpningar för vilka magnetiska störningar är oönskade (t.ex. även elektronik, medicinsk utrustning).
Keramiska skruvar finns t.ex. i följande varianter:
- Zirkoniumskruvar: mycket hårda, slitstarka, termiska stöttåliga
- Aluminiumoxidskruvar: mycket hårda, temperaturbeständiga
- Silikonnitridskruvar: särskilt lätta på grund av låg densitet
Installationsanvisningar
Följande anmärkningar bör iakttas för att säkerställa att den keramiska komponenten införlivas som den bästa möjliga i konstruktionen:
- Komponenter av keramik är mycket känsliga för stötar. Särskild försiktighet bör därför iakttas under installationen.
- Keramiska skruvar ska alltid dras åt med vridmoment. De är ömtåligare än metallskruvar, så vridmomentet ska vara lägre, t.ex. 0,04 för M3, 0,05 för M4, 0,30 för M8 och 0,50 för M10.
- Brickor rekommenderas för bättre lastfördelning.
- Inriktning är särskilt viktigt för rullager: Ojämlika belastningar kan leda till för tidigt fel.