Technická keramika v praxi – keramické šrouby, keramická ložiska a hybridní ložiska

Technická keramika je keramika používaná ve specializovaných technických aplikacích. Díky svým speciálním vlastnostem, jako je odolnost proti vysokým teplotám a chemikáliím, jsou často lepší volbou v určitých aplikacích než například kovové komponenty. Tento článek ukazuje některá možná použití a probírá složení materiálu a výrobu technické keramiky.

Co je technická keramika?

Technická keramika, nazývaná také speciální keramika nebo vysoce funkční keramika, je optimalizována pro technické aplikace. Od běžné keramiky se liší např. podle čistostí, postupy vypalování a tolerovanou velikostí zrn.

Standardizace technické keramiky

Technická keramika podléhá různým normám. Například pro oxidovou keramiku existují následující normy:

• DIN EN 60672: Definuje klasifikaci skupiny, termíny, testovací postupy. Jsou také specifikovány minimální požadavky na vlastnosti, jako je odolnost proti ohýbání.
• DIN 40680: Definuje obecné tolerance keramických komponent v oblasti elektroinženýrství.
• DIN EN 14232: Jedná s vysoce výkonnou keramiku a uvádí termíny, včetně definic.
• ISO 15165: Obsahuje vysoce výkonný keramický klasifikační systém.

Některé testovací metody jsou také standardizovány. DIN EN 725 obsahuje například specifikace nečistot a hustoty, mimo jiné pro vysoce výkonné keramické prášky.

Materiály pro technickou keramiku

Keramika je obecný termín pro různé anorganické, nekovové materiály. Zpravidla se směs keramického prášku, organického pojiva a kapaliny používá ke generování surové sloučeniny, která se pak musí vytvrdit (např. při spékání při vysokých teplotách). Keramiku lze rozdělit do tří hlavních kategorií: hliněná keramika, spékaná keramika a speciální keramické sloučeniny. Technická keramika je jednou ze speciálních keramických sloučenin. Obecně lze technickou keramiku rozdělit na oxidovou a neoxidovou keramiku, přičemž oxidová keramika, jako je oxid hlinitý, se používá častěji. Oxidová keramika se skládá z oxidů kovů a je charakterizována chemickou stabilitou, pevností a schopností elektrické izolace. Neoxidová keramika vykazuje vysokou odolnost proti opotřebení (odolnost proti oděru), možná lepší tepelnou vodivost a odolnost proti mechanické zátěži. Dále se dělí na:

• Nitridová keramika: Nitridová keramika obsahuje dusík. Například nitrid křemíku má vysokou odolnost proti tepelným šokům a vysokou odolnost proti opotřebení. Boritrid má dobrou klouzavost.
• Karbidová keramika: Karbidová keramika obsahuje uhlík. Tato keramika je velmi tvrdá, s karbidem boru jako jedním z nejtvrdších materiálů. Karbid křemíku má vysoký bod tání (přibližně 2700 °C) a je chemicky stabilní.
• Křemenový keramika: Křemenový keramika je keramika na bázi oxidu křemičitého. Mezi příklady patří porcelán a steatit. Steatite má dobré dielektrické vlastnosti a často se používá jako izolátor v elektrotechnice.

V následující tabulce je uveden přehled klasifikace různých typů keramiky:

Výrobní procesy pro technickou keramiku

Pro technickou keramiku existují různé výrobní procesy. Horké izostatické lisování (HIP), také nazývané vysokotlaké spékání, se používá k výrobě keramiky s velmi vysokou hustotou a nízkou porézností.

Komponenty vyrobené z technické keramiky je však také možné přímo tisknout. Proces LCM (litografická výroba keramiky) například používá jako surovinu monomer citlivý na UV záření a keramický prášek. Proces LDM (modelování kapalinové depozice) zahrnuje zvlhčování a zhutňování keramického materiálu, následované nanesením posledně jmenované vrstvy po vrstvě s pomocí tiskárny.

Vlastnosti technické keramiky

Díky vlastnostem technické keramiky jsou preferovanou volbou ve specializovaných aplikacích. Vzhledem k jejich vysoké teplotní odolnosti je vhodná pro použití při vysokých teplotách, jako je výroba energie. Při zahřátí neztrácí strukturální integritu. Technická keramika je také chemicky odolnější než jiné materiály, protože může být chemicky inertní.

Vysoká tvrdost a hustota keramiky je však doprovázena sníženou pevností při prasknutí, což je třeba vzít v úvahu při konstrukci:

• je třeba se vyvarovat nebo alespoň minimalizovat ostré hrany, rohy a zářezy. Ty mohou vést k prasklinám a namáhání. Místo toho lze například použít zaoblené hrany.
• Je třeba se vyhnout příliš těsně přiléhajícím spojením, protože také vedou k prasklinám.
• Při vrtání musí být použit dostatečně velký poloměr, aby se zabránilo namáhání.
• Technická keramika velmi účinně izoluje elektrickou energii. Pokud to není žádoucí, je možné, že se jejímu použití může být nutné vyhnout.

Následující tabulky poskytují přehled různých vlastností technické keramiky, zejména oxidů hliníku, spolu s porovnáním s jinými materiály:

Použití technické keramiky

Technická keramika se obvykle používá pro specializované požadavky. Keramické materiály jsou zpravidla korozivzdorné a teplotně odolné, elektricky izolační a zároveň relativně lehké, odolné proti kompresi a opotřebení. Je-li při konstrukci zohledněna zvýšená křehkost keramiky, mechanická pevnost vysoce výkonné keramiky umožňuje nejen úsporu hmotnosti a použití při vyšších teplotách, ale také nižší generování tepla, snížení provozního hluku a delší životnost ložisek. Standardní díly, jako jsou šrouby a podložky, jsou také k dispozici v technické keramice.

Keramická a hybridní ložiska

Keramická ložiska jsou chemicky odolná a jsou vhodná pro suché provozní aplikace bez mazání. Díky vynikajícím valivým vlastnostem keramických válečkových těles jsou mimořádně vhodné pro vysoké rychlosti otáčení. Plně keramická ložiska nekorodují a nemají na ně vliv magnetická pole, ale jsou náchylná k rázům a napětí v tahu. Mezi použití patří například čisticí zařízení, zařízení pro elektrolytické pokovování a leptací zařízení.

Keramická ložiska jsou k dispozici jako plně keramická a hybridní ložiska. Válečkové prvky vyrobené z vysoce výkonné keramiky a také ložiskové kroužky vyrobené z valivé ložiskové oceli jsou instalovány v hybridních ložiscích. V důsledku toho hybridní ložisko kombinuje výhody obou materiálů, čímž zlepšuje výkon. Hybridní ložiska jsou vhodná pro použití při vysokých otáčkách a v obtížných podmínkách mazání. Keramická a hybridní ložiska se také doporučují při vysokých teplotách až do 1000 °C, v prostředích způsobujících korozi, v lehkých konstrukcích (až o 60 % lehčí než ocelová ložiska) a když je vyžadována elektrická izolace. Při použití keramických ložisek je však důležité poznamenat, že se roztahují v menší míře než například ocelová ložiska. Jsou-li pro použití keramických ložisek určeny konstrukce, které jsou vystaveny vlivu vysokých teplot, nelze je snadno vyměnit za ocelová ložiska.

Keramické šrouby

Kromě výše uvedených vlastností pro keramiku obecně jsou keramické šrouby obzvlášť přesvědčivé vzhledem k následujícím vlastnostem: elektricky izolační, nemagnetické a lehké, což je odlišuje od kovových šroubů. Mohou být použity například v elektronických sestavách nebo aplikacích, pro které je nežádoucí magnetické rušení (např. elektronika, zdravotnické vybavení).

Keramické šrouby jsou k dispozici například v následujících variantách:

• Zirkonové šrouby: velmi tvrdé, odolné proti opotřebení, odolné proti tepelným šokům
• Šrouby z oxidu hlinitého: velmi tvrdé, teplotně odolné
• Šrouby z nitridu křemíku: obzvláště lehké kvůli nízké hustotě

Pokyny k instalaci

Je třeba dodržovat následující poznámky, aby bylo zajištěno, že keramická komponenta je do konstrukce začleněna co nejlépe:

• Komponenty vyrobené z keramiky jsou velmi náchylné k otřesům; proto je třeba při instalaci postupovat opatrně.
• Keramické šrouby by měly být vždy utaženy utahovacím momentem. Jsou křehčí než kovové šrouby, takže utahovací moment by měl být nižší, např. 0,04 pro M3, 0,05 pro M4, 0,30 pro M8 a 0,50 pro M10.
• Pro lepší rozložení zátěže se doporučují podložky.
• Pro válečková ložiska je obzvláště důležité vyrovnání: Nerovné zatížení může vést k předčasnému selhání.