I cuscinetti in ceramica al nitruro di silicio mantengono un attrito estremamente basso, con coefficienti compresi tra 0,05 e 0,15, anche in condizioni di elevate temperature e sollecitazioni meccaniche. Questi cuscinetti superano quelli in acciaio del 40-60 percento una volta raggiunti regimi superiori a 20.000 giri al minuto. Il legame particolare tra gli atomi di silicio e azoto contribuisce a contrastare l'usura provocata dall'espansione termica, consentendo ai cuscinetti di funzionare regolarmente oltre i 800 gradi Celsius senza degradarsi. Grazie a questa stabilità, le macchine che li utilizzano consumano effettivamente dal 12 al 18 percento in meno di energia nelle applicazioni con alberi a mandrino di precisione. Inoltre, non vi è alcun rischio di micro-saldatura in caso di brusche variazioni del carico. Questo avviene perché il materiale si lubrifica naturalmente e presenta una scarsa reattività con altre superfici, risultando ideale per ambienti industriali gravosi in cui la massima affidabilità è fondamentale.
Quando le macchine ruotano a velocità superiori a 250.000 giri al minuto, si verifica un fenomeno interessante nei film di olio dei cuscinetti metallici tradizionali. La forza centrifuga li distrugge completamente, causando un contatto diretto tra metalli che provoca un rapido usura. È in questo contesto che i materiali ceramici a base di nitruro di silicio risultano particolarmente efficaci, grazie a tre vantaggi principali che agiscono insieme. In primo luogo, le loro superfici attraggono i lubrificanti circa tre volte meglio rispetto all'acciaio convenzionale. In secondo luogo, questi materiali sopportano molto meglio il calore, impedendo al lubrificante di degradarsi anche quando la temperatura supera i 120 gradi Celsius. In terzo luogo, sono significativamente più rigidi dell'acciaio, con un modulo elastico circa il 50% più elevato, pertanto le piste dei cuscinetti non si deformano sotto sforzo. Complessivamente, queste proprietà permettono di mantenere un film lubrificante estremamente sottile, talvolta spesso appena 0,1 micrometri. Per chi gestisce centri di lavorazione ad alta velocità, ciò significa che gli alberi portautensili possono funzionare continuativamente per quasi 18.000 ore prima di richiedere manutenzione. Ciò corrisponde a una durata di circa tre volte superiore rispetto ai cuscinetti tradizionali in acciaio nelle stesse condizioni.
I cuscinetti in ceramica di nitruro di silicio offrono un'eccezionale resistenza all'usura perché combinano contemporaneamente diverse proprietà fondamentali. Tra queste vi sono livelli di durezza notevoli, superiori a HV 1500, una buona tenacità alla frattura compresa tra 6 e 7 MPa√m e un'elevata capacità di resistenza all'ossidazione anche a temperature elevate fino a 1000 gradi Celsius. La durezza aiuta a prevenire abrasioni e danni superficiali, mentre la tenacità alla frattura impedisce la propagazione di crepe sotto sollecitazioni ripetute o urti improvvisi. La resistenza all'ossidazione mantiene le superfici integre in condizioni difficili dove sono presenti calore e sostanze chimiche. Questa combinazione li rende particolarmente adatti per applicazioni in apparecchiature per la lavorazione chimica e forni industriali, dove i cuscinetti metallici tradizionali non riescono a durare a lungo prima di guastarsi. Test nel mondo reale mostrano che questi cuscinetti in ceramica subiscono circa il 60 percento in meno di usura rispetto alle alternative standard in acciaio, il che significa intervalli più lunghi tra un intervento di manutenzione e un numero ridotto di arresti imprevisti nelle operazioni produttive.
I cuscinetti in ceramica Si3N4 possono avere un prezzo iniziale più elevato rispetto alle soluzioni tradizionali, ma durano tre volte tanto nei mandrini di precisione e nelle applicazioni di avanzamento, il che si traduce in reali risparmi nel tempo. Cosa rende così speciali queste ceramiche? Sono estremamente dure, resistenti alla rottura sotto stress e sopportano il calore molto meglio dell'acciaio quando ruotano a quei regimi elevati tipici delle moderne macchine. Questa combinazione evita praticamente l'usura e i danneggiamenti che normalmente portano fuori uso i cuscinetti metallici mesi prima del previsto. I team di manutenzione segnalano minori guasti e sostituzioni meno frequenti, un fattore che si traduce in riduzioni significative dei costi lungo i cicli produttivi.
In un ciclo di vita standard dell'equipaggiamento di cinque anni, gli impianti registrano una riduzione del 55-70% del costo totale di proprietà, rendendo il Si₃N₄ un investimento strategico per le operazioni che puntano su affidabilità, tempi di attività e budget ridotti per la manutenzione.
I cuscinetti in ceramica realizzati in nitruro di silicio (Si3N4) sono diventati essenziali nelle applicazioni di turbomacchine aerospaziali, come ausiliari per motori a reazione e pompe del carburante per razzi. Questi cuscinetti possono sopportare velocità ben superiori a 250 mila giri al minuto in ambienti sotto vuoto, dove i cuscinetti tradizionali in acciaio cedono a causa di problemi di saldatura a freddo. Il fatto che non siano metallici elimina i problemi di adesione tra metalli. Inoltre, questi materiali mantengono la loro forma anche quando esposti a temperature estreme superiori ai 1200 gradi Celsius, garantendo un funzionamento regolare. Con un peso circa del 40% inferiore rispetto ai corrispettivi in acciaio, questa riduzione di massa riduce significativamente le forze centrifughe agenti sui componenti. Ciò aiuta a prevenire la deformazione dei componenti e a mantenere un comportamento adeguato del rotore, fondamentale per missioni di successo nello spazio o in operazioni ad alta quota.
I cuscinetti in nitruro di silicio (Si3N4) nelle macchine MRI e TC aiutano a ridurre la distorsione dell'immagine causata dalle vibrazioni, grazie alle loro proprietà materiale costanti e superfici estremamente lisce con una rugosità inferiore a 0,05 micrometri. Questi cuscinetti ruotano in modo molto più fluido e silenzioso rispetto alle tradizionali alternative metalliche. Un altro vantaggio importante? Sono elettricamente isolanti, quindi bloccano le fastidiose correnti parassite che potrebbero alterare i campi magnetici. Inoltre, questo isolamento protegge i motori dei veicoli elettrici dai problemi di corrosione elettrolitica causati da correnti indesiderate. I componenti durano circa tre volte tanto quando si utilizzano questi cuscinetti. Viene anche soppressa l'interferenza elettromagnetica e si registra un rumore sensibilmente inferiore nei gruppi propulsori degli autoveicoli elettrici di alta gamma. Ciò significa risultati diagnostici migliori per l'imaging medico, mentre i passeggeri godono di una guida più silenziosa, tutto senza alcuna perdita di potenza.
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