シリコン硝化セラミックがベアリングに適しているのはなぜですか？
2023-07-03
アルミナセラミックシートの高精度と高速に向けた機械製造の開発により、ベアリングのアプリケーション範囲はより広く、より広くなり、ベアリングのパフォーマンスの要件はますます高くなっています。特に特別な作業環境では、金属ベアリングはニーズを満たすことも、完全に機能することもできません。セラミック材料は、低密度、高弾性弾性率、小さな線形膨張係数、耐摩耗性、高温抵抗、耐食性、その他の優れた特性のために、高速製造精度ベアリングに理想的な材料となっています。
1.窒化シリコンセラミックの長所と特性
窒化シリコンは産業用セラミックで最も困難で最も難しいものではありませんが、高性能を必要とするベアリングアプリケーションに最適な機械的および物理的特性を持っていると考えられています。それでは、他のベアリング材料と比較して、窒化シリコンの利点を見てみましょう。
5つのベアリングアルミナセラミックバー材料のパフォーマンス比較
耐熱性
一般に、鋼軸受のサービス温度が120°を超えると、硬度とローリングライフが減少します。窒化シリコンは、特に高温環境に適した良好な温度特性を持っています。
遠心力
窒化シリコンの密度は約3.24×103kg/m3ですが、ベアリング鋼の密度は約7.8×103 kg/m3であり、ベアリング鋼の密度の約40％に過ぎないため、ローリング要素がベアリングを使用する場合、ベアリングは、高速で回転するときに遠心力によって引き起こされる回転要素負荷の増加を抑制することができます。
線形膨張係数
窒化シリコンの線形膨張係数はベアリング鋼の約1/4であるため、温度のサイズの変化は小さくなるため、温度変化が大きい環境で使用することが有益です。
硬度、弾性係数、ポアソン比
窒化シリコンの弾性係数はベアリング鋼の弾性係数の約1.5倍であるため、相対負荷の弾性変形は小さく、相対負荷の剛性が高くなります。
腐食抵抗、非磁性、絶縁
化学機械装置、食品、海洋およびその他の部門で使用される機械に鋼ベアリングが使用される場合、腐食が問題です。強力な磁気環境では、鋼製のベアリングを使用すると、ベアリング自体から摩耗した微粉末は、ローリング要素とローリング表面の間に吸着されます。
2.窒化シリコンセラミックベアリングの調製
窒化シリコンセラミックアルミナセラミックプランジャーベアリングの準備プロセス
窒化シリコンセラミックパウダーの調製
ベアリングパーツ用の窒化シリコンパウダーには、次の重要な特性があります。非常に均一で細かい粒子。 α高位相含有量。窒化シリコン粉末を調製するための最も適切な方法は、3SIO2+6C+2N2 = SI3N4+6COの反応式を備えた炭素剤還元窒化法です。この方法で得られた粉末は、金属の不純物が少なく、純度が高く、微粒子が高く、αの高い位相含有量があり、携帯部品の材料の要件を満たしています。
窒化シリコンセラミックベアリング関連部品の形成
反応焼結、高温の焼結、圧力のない焼結、二次反応焼結など、窒化シリコンセラミックベアリング関連部分の多くの調製方法があります。完全に密な窒化シリコン材料を取得するために、熱い等吸着プレス法が理想的です。
窒化シリコンセラミックベアリング関連部品の機械加工
窒化シリコンセラミックベアリングに関連する部分の加工は、基本的にベアリングスチール部分の加工と類似しており、研削メカニズムは基本的に同じです。ただし、窒化シリコンと鋼のさまざまな特性の間に大きな違いがあるため、粉砕ツール、処理因子、粉砕混合物などにはかなりの違いがあり、機械的処理における粉砕係数、および粒子サイズ、タイプの各プロセスの各プロセスの要件があります。 、形状、量、強度、粉砕特性、摩耗特性など。現在、使用されている研磨剤には、主に炭化シリコン、炭化ホウ素、ダイヤモンドパウダーなどが含まれます。
窒化シリコンセラミックベアリングのアセンブリ
一般的に、ローリングベアリングは、4つの主要な部分、すなわち外側のリング、内側のリング、ローリング要素、ケージで構成されています。ローリングベアリングには10のカテゴリがあるため、さまざまな種類のベアリングが異なるケージ形式を採用するため、ベアリングのアセンブリ方法も異なります。
重要な機械的基本コンポーネントとしての窒化シリコンセラミックベアリングは、他のベアリングが一致できない優れた特性のために、新しい材料の世界で先導しています。近年、航空宇宙、ナビゲーション、原子力産業、石油、化学産業、光繊維産業、機械、冶金、電力、食品、機関車、地下鉄、高速工作機械、科学研究、防衛、軍事技術の分野でなど、窒化シリコンセラミックベアリングは、高温、高速、濃い寒さ、可燃性、爆発性、強い腐食、真空、電気断熱、非磁気、乾燥摩擦摩擦などの特別な労働条件の下で、不可欠な代替としてますます認識されています。
窒化シリコンセラミック基板の特性：
高性能の電子機器とそのコンポーネントの小型化により、熱散逸はパフォーマンスと信頼性に影響を与える重要な要因になりました。高熱流束は、さまざまな熱散逸技術の中で、パフォーマンスの劣化と寿命の短縮につながるため、ラジエーターシステムは、ミクロエレクトロニックパッケージングシステムの一部になる可能性があるため、小型化に便利なジルコニアセラミック部品です。
LEDセラミック基板
私たち全員が知っているように、半導体デバイスの動作中に発生した熱は、半導体デバイスの故障を引き起こす重要な要因であり、電気絶縁基板の熱伝導率は、半導体デバイス全体の熱放散の鍵です。ラジエーターは、金属回路層と窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化アルミニウムなどのセラミック基板で構成されています。これらのセラミック基質の中で、窒化シリコンは、その優れた熱伝導率（60-90W/mk）、高機械強度（650-850 MPa）、低膨張係数のために有望であると考えられています。実際、窒化シリコンセラミック基質は通常、直接結合銅（DBC）および直接銅メッキ（DPC）プロセスを介して基板に堆積します。 DBCは、高温で堆積した金属膜間の機械的インターロッキングにより、接着が強化され、DPCは真空堆積によって種層を形成することにより強化された接着を達成します。
さらに、乱流や振動などの複雑な機械的環境のため、特定の機械的信頼性を持つ基質材料も必要です。窒化シリコンセラミック基質は、あらゆる面で比較的バランスが取れており、最も包括的なパフォーマンスを備えた構造セラミック材料です。したがって、窒化シリコンは、電子デバイス用のセラミック基板を製造する分野で強い競争力を持っています。
窒化アルミニウムセラミック基板
過去には、回路基板は、回路全体の機能要件を満たすために、離散成分または統合回路と離散成分で構成される平面材料でした。電気断熱性と導電率のみが必要です。インテリジェントな情報年齢を入力した後、電子機器は電気エネルギーを変換および制御できるようにするためにも必要です。これにより、機器の電気制御と電力変換のパフォーマンス要件が大幅に改善され、動作電力が大幅に向上します。したがって、共通の基質は、複雑な電力デバイスの熱抵抗を減らし、作業温度を制御し、信頼性を確保するという高い要件を満たすことができなくなり、パフォーマンスを向上させるセラミック基板を交換する必要があります。
セラミック基板上の電子デバイスのパフォーマンス要件によると、基板材料には次の特性があります。
1.良好な断熱と電気分解セラミックフランジ抵抗。
2.高い熱伝導率：熱伝導率は、半導体の労働条件とサービス寿命に直接影響します。熱散逸の低下によって引き起こされる不均一な温度フィールドも、電子機器のノイズを大幅に増加させます。
3.熱膨張係数は、パッケージで使用される他の材料と一致します。
4.高周波特性、低誘電率、低誘電損失。
5.表面は滑らかで、厚さは均一であり、基板の表面に回路を印刷するのに便利で、印刷回路の均一な厚さが保証されます。
セラミック基板
現在、最も広く使用されているセラミック基質材料は、主に酸化アルミニウムと窒化アルミニウムです。窒化シリコンはそのパフォーマンスとどのように比較されますか？次の表は、3つのセラミック基板材料が明らかな利点を持っていること、特に高温条件下での窒化シリコンセラミック基質材料の高温抵抗、金属に対する化学的不活性、超高硬度、骨折靭性、およびその他の機械的特性があることを示しています。
窒化シリコンは非常に優れているので、なぜそれがまだ市場でめったに使用されないのですか？その開発の機会はどこにありますか？
実際、3つの資料のそれぞれには、その利点と短所があります。たとえば、酸化アルミニウムの熱伝導率は貧弱で、高出力半導体の開発動向に追いつくことができませんが、その製造プロセスは成熟しており、コストが低いため、ローエンド分野ではまだ大きな需要があります。 。窒化アルミニウムの熱伝導率は、半導体材料の熱伝導率と最もよく合っています。ハイエンド業界では使用できますが、その機械的性能は貧弱で、半導体デバイスの寿命に影響を与え、その使用コストが高くなります。窒化シリコンは包括的なパフォーマンスに最適ですが、エントリのしきい値は高いです。
現在、多くの国内科学研究機関と企業が研究していますが、技術は困難であり、生産コストが高く、市場は小さく、大規模なアプリケーションはまだ登場していません。これは、多くの企業がまだ投資を増やすために彼らの心を補っていないのをまだ待っている理由でもあります。しかし、今では状況は異なります。なぜなら、世界は第3世代の半導体の開発のために重要な時期に入ったからです。窒化シリコンセラミック基質は、米国と日本で成熟した製品を持っています。この点で中国は長い道のりを歩んでいます。
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