Vòng bi sứ (bạc đạn sứ), nên sử dụng zirconia hay silicon nitride?

Trở lại năm 2000, các nhà khoa học đã phát hiện ra zircon trong đá cho thấy sự sống có thể đã bắt đầu sớm hơn 500 triệu năm so với suy nghĩ trước đây. Hợp chất đáng kinh ngạc này đã tạo ra một tác động to lớn, cũng như oxit của nó, zirconia (ZrO2), được sử dụng để chế tạo các ổ trục hoàn toàn bằng gốm.

Có một số loại vòng bi gốm sứ có bán trên thị trường, tất cả đều mang lại nhiều ưu điểm so với các bộ phận vòng bi truyền thống. Gốm điển hình được sử dụng làm vật liệu chịu lực là silicon nitride (Si3N4) và zirconia (ZrO2).

Silicon nitride là một vật liệu rất cứng nhưng cũng rất nhẹ. Vật liệu này có khả năng chống nước, nước mặn và nhiều axit và kiềm tuyệt vời, nó cũng có dải nhiệt độ rất rộng và phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng chân không cao. Độ cứng cực cao của silicon nitride cũng có nghĩa là độ giòn cao hơn, vì vậy nên giảm thiểu tải trọng sốc hoặc va đập để tránh nguy cơ nứt vỡ.

Silicon nitride đã được triển khai làm vật liệu chính trong một số ứng dụng hàng không vũ trụ. Đáng chú ý, các tàu con thoi của NASA ban đầu được chế tạo với các ổ trục bằng thép bên trong các động cơ phản lực của chúng - không phải là một sự kết hợp tốt khi tàu con thoi, và đặc biệt là các động cơ của nó, phải chịu tải trọng và nhiệt độ quá lớn. Do những tải trọng cực lớn này, các kỹ sư của NASA đã nâng cấp vòng bi lên loại tương đương silicon nitride, do tính ưu việt của nó trong môi trường chân không. Thật ấn tượng, theo báo cáo phân tích của NASA, vòng bi Si3N4 cho thấy thời gian chạy tăng 40% so với các vòng bi thép tương ứng.

Vòng bi gốm làm từ ZrO2, hay zirconium dioxide, là một vật liệu gốm cứng có đặc tính giãn nở rất giống với thép, mặc dù chúng nhẹ hơn 30%. Đây là một lợi thế khi xem xét sự phù hợp của trục và vỏ cho các ứng dụng nhiệt độ cao hơn, trong đó sự giãn nở của ổ trục có thể có nghĩa là trục không còn phù hợp nữa.

Mặc dù chúng thường được gọi là vòng bi bạc đạn ZrO2, nhưng chúng thực sự được làm từ ZrO2 được ổn định bằng oxit yttri, mang lại cho vật liệu độ bền cao hơn và khả năng chống gãy ở nhiệt độ phòng. Chúng cũng có khả năng chống nước cực cao, nghĩa là chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng hải, đặc biệt là khi thiết bị bị ngập hoàn toàn hoặc khi các ổ trục thép truyền thống không chịu được tải trọng hoặc tốc độ.

Cân nhắc xem ổ lăn Si3N4 hay ZrO2 là lựa chọn phù hợp là một quyết định phức tạp, nhưng nói chung, vòng bi ZrO2 thường được chỉ định nhiều hơn do khả năng chống ăn mòn cực cao và đặc tính cứng hơn.

Xem thêm:

Vòng bi sứ cho các ứng dụng năng lượng đại dương