Ceramica cu nitrură de siliciu: proprietăți, tipuri și utilizarea lor în turnarea aluminiului

Ceramica cu nitrură de siliciu este materialul pe care mulți ingineri îl folosesc atunci când oțelul, grafitul și materialele refractare convenționale nu mai rezistă. Acolo unde metalul topit, ciclul termic rapid și uzura abrazivă se întâlnesc, nitrura de siliciu (Si3N4) oferă o combinație rară de rezistență, toleranță la șocuri termice și stabilitate chimică și tocmai de aceea a devenit o vedere familiară în turnarea aluminiului și a sculelor de turnare sub presiune.

Echipa noastră a lucrat cu ceramică cu nitrură de siliciu de mai bine de douăzeci de ani, de la selecția pulberii până la rotorul finit, tubul de ridicare sau tubul de protecție a încălzitorului. În acest ghid, împărtășim ceea ce acea experiență ne-a învățat despre materialul în sine, notele disponibile și întrebările practice care apar atunci când o turnătorie decide să mute o componentă uzată în ceramică.

Ce sunt ceramica cu nitrură de siliciu?

Nitrura de siliciu este un compus de siliciu și azot. Legăturile sale covalente puternice îi conferă proprietăți pe care metalele și majoritatea ceramicii oxidice nu le pot egala: rămâne dur la temperaturi ridicate, respinge șocul termic și nu reacționează ușor cu metalele neferoase topite.

Microstructura explică o mare parte din performanță. Nitrura de siliciu există în două forme cristalografice, alfa și beta. În timpul sinterizării, faza alfa se transformă în beta, care crește ca boabe alungite, asemănătoare unui ac. Acele granule se împletesc ca pâsla, iar acea rețea este cea care conferă rezistenței ceramicii cu nitrură de siliciu: ele absorb energie în loc să se spargă așa cum fac ceramica grosieră sau sticloasă.

Proprietățile care contează cel mai mult în serviciul industrial includ:

• Rezistența la încovoiere, de obicei, între 600 și 1.200 MPa, în funcție de grad
• Rezistența la rupere de aproximativ două ori mai mare decât a ceramicii cu alumină
• Densitate în jur de 3,2 grame pe centimetru cub, mult sub oțel
• Expansiune termică scăzută și rezistență excelentă la șocuri termice
• Inerție chimică față de majoritatea acizilor, sărurilor și metalelor neferoase topite
• Rezistivitate electrică mare, utilă lângă elementele de încălzire
• Umecabilitate foarte scăzută de aluminiu topit

Această ultimă proprietate merită subliniată. O ceramică pe care topitura nu se poate umezi rămâne curată, își păstrează dimensiunile și nu trage oxizi sau elemente dizolvate în turnare. Acesta este cel mai mare motiv pentru care ceramica cu nitrură de siliciu a înlocuit materialele anterioare în echipamentele de degazare și transfer.

Rute de fabricație și de ce contează nota

„Ceramica cu nitrură de siliciu” nu este un singur material. În funcție de modul în care pulberea este formată, cât de mult adjuvant de sinterizare este adăugat și modul în care piesa este densificată, aceeași chimie poate produce o componentă refractară poroasă, ieftină sau o ceramică structurală aproape complet densă, care supraviețuiește ani de zile într-o celulă de turnare sub presiune.

1. Nitrură de siliciu legată de reacție (RBSN): azotul reacționează cu o preformă de siliciu, dând un corp poros, dar stabil dimensional, care necesită puțină prelucrare.
2. Nitrură de siliciu sinterizată (SSN): sinterizare fără presiune cu aditivi de oxizi, cum ar fi ytria, alumina sau magnezia.
3. Nitrură de siliciu sinterizată la presiune de gaz (GPSN): presiunea ridicată a azotului suprimă descompunerea și împinge densitatea peste 99%.
4. Nitrură de siliciu presată la cald (HPSN): presiunea uniaxială în timpul densificării oferă cea mai mare rezistență, dar limitează piesele la forme simple.
5. Nitrură de siliciu legată de reacție sinterizată (SRBSN): o cale hibridă care începe de la legarea prin reacție și se termină cu sinterizarea.

Aditivii de sinterizare contează la fel de mult ca și traseul. Ele promovează densificarea prin formarea unei faze sticloase subțiri la limitele granulelor, iar compoziția acelei faze decide modul în care materialul se comportă în exploatare: un sistem bine conceput menține limitele rezistente la fluaj, în timp ce unul slab se înmoaie la temperatură.

Am scris o notă tehnică pas cu pas despre procesul de fabricare a ceramicii cu nitrură de siliciu dacă doriți să aprofundați în prepararea, modelarea, sinterizarea și inspecția pulberii.

De ce ceramica cu nitrură de siliciu excelează în aluminiu topit

Aluminiul este mai agresiv decât pare. La 700 până la 750 de grade Celsius, topitura reduce mulți oxizi, umezește majoritatea materialelor refractare și reacționează cu fierul, siliciul și oxigenul la suprafața a ceea ce atinge. O componentă care reacționează cu topitura nu se uzează pur și simplu; schimbă chimia metalului și creează incluziuni care nu lasă turnarea la inspecția finală.

Ceramica cu nitrură de siliciu se comportă diferit. Udabilitatea lor scăzută înseamnă că aluminiul se scurge în loc să se prindă, astfel încât rotoarele și tuburile își păstrează geometria. Inerția lor chimică înseamnă că topitura rămâne curată. Rezistența lor la șocuri termice înseamnă că un tub de protecție la rece poate intra direct într-un cuptor fierbinte fără un ritual de preîncălzire lentă care mănâncă într-o tură.

Componentele tipice de tip hot-end realizate din ceramică cu nitrură de siliciu includ:

• Rotoare de degazare și rafinare pentru hidrogen și îndepărtarea incluziunilor
• Tuburi de ridicare și tuburi de tulpină pentru turnare la presiune joasă și transfer de metal
• Tije de oprire și componente ale supapelor pentru controlul debitului
• Tuburi de protecție a încălzitorului și tuburi de protecție a termocuplurilor
• Spălați căptușeli, țevi de flux, tije de control și părți ale pompei

Rotoarele de degazare arată cât de mult contează materialul. Un rotor se învârte cu câteva sute de rotații pe minut în timp ce este parțial scufundat, rupând fluxul de gaz în bule fine care scot hidrogenul din topitură. Trebuie să tolereze scufundarea, agitarea violentă și mii de cicluri de încălzire și răcire fără a-și pierde echilibrul sau a vărsa particule în metal.

SG-28 Rotor de degazare ceramică cu nitrură de siliciu În comparație cu rotoarele de grafit, rotoarele de degazare ceramice cu nitrură de siliciu SG-28 nu sunt oxidate în stare de temperatură ridicată, astfel încât nu poluează aluminiul topit și... Vizualizare produs →

Turnare aluminiu și turnare sub presiune sunt cele două domenii de aplicare în care vedem cea mai mare cerere și aceeași logică a materialului merge de la cuptorul de topire până la matriță.

Potrivirea componentelor la fiecare pas al hot end

Odată ce o turnătorie decide să mute o componentă în ceramică cu nitrură de siliciu, următoarea întrebare este ce calitate și care design se potrivesc sarcinii. Răspunsul urmează de obicei secvența procesului.

Degazare și rafinare

Rotoarele, țevile de flux și tijele de control funcționează în partea cea mai turbulentă a procesului. Au nevoie de rezistență maximă și rezistență la șocuri termice, astfel încât gradele complet dense sunt norma. Grosimea peretelui, designul filetului și modul în care rotorul este prins de arbore contează la fel de mult ca și materialul în sine, deoarece un rotor care se defectează la îmbinare nu are niciodată șansa de a-și dovedi rezistența la uzură.

Filtrare

Filtrarea fină îndepărtează ultimele incluziuni înainte ca metalul să ajungă în matriță. Elementele de filtrare ceramice trebuie să combine permeabilitatea cu suficientă rezistență pentru a supraviețui manipulării, preîncălzirii și presiunii unei spălări complete. Geometria tubului este deosebit de eficientă acolo unde spațiul de podea este limitat și topitura trebuie curățată într-o unitate compactă, înlocuibilă.

SMF-02 Filtru cu tub precis Pe măsură ce industria de turnare a aluminiului se confruntă cu cerințe din ce în ce mai stricte pentru puritatea aluminiului topit, împreună cu cerințe tot mai mari pentru producția de vârf și mediu... Vizualizare produs →

Controlul încălzirii și temperaturii

Încălzitoarele cu imersie și tuburile lor exterioare funcționează continuu într-o baie de aluminiu lichid. Tubul ceramic trebuie sa conduca eficient caldura fara a reactiona cu topitura si trebuie sa reziste gradientilor termici creati la schimbarea nivelului baii. Tuburile de protecție pentru termocupluri se confruntă cu același mediu în timp ce necesită un control dimensional mai strict, deoarece câteva zecimi de milimetru pot modifica timpul de răspuns al senzorului.

SG-28 Tub de protecție ceramică cu nitrură de siliciu Tubul de protecție ceramică cu nitrură de siliciu SG-28 are o rezistență puternică la temperaturi ridicate, coroziune și șoc termic în aluminiul topit. Poate rezista la h... Vizualizare produs →

Transfer, controlul fluxului și turnare

Tuburile de ridicare, tijele de oprire, tijele de comandă și piesele pompei formează instalațiile de turnătorie. Aici prioritățile sunt acuratețea dimensională, rezistența la eroziune la nivelul alezajului și capacitatea de a supraviețui ciclurilor termice repetate fără crăpare la flanșă. Deoarece aceste piese sunt adesea mari, alegerea rutei de fabricație are un efect direct atât asupra costului, cât și asupra timpului de livrare.

Cum se evaluează un furnizor de ceramică cu nitrură de siliciu

Nitrura de siliciu este greu de făcut bine, iar diferența dintre o piesă bună și una mediocră apare de obicei la șase luni de funcționare, mai degrabă decât pe desen. Atunci când clienții ne solicită să cotăm față de un furnizor existent, le sugerăm să compare în câteva puncte practice.

1. Întrebați ce grad este oferit și de ce. Un furnizor care nu poate explica diferența dintre un corp sinterizat fără presiune și un corp sinterizat sub presiune cu gaz este puțin probabil să controleze această diferență în producție.
2. Întrebați despre controlul dimensional. Filetele rotorului, alezajele tuburilor și fețele flanșelor trebuie să fie corecte, deoarece o piesă ceramică nu poate fi reglată la fața locului.
3. Solicitați date de test mai degrabă decât adjective. Rezultatele de rezistență, densitate și șoc termic ar trebui să provină dintr-o metodă de testare definită.
4. Verificați modelul de livrare. Ceramica consumabilă este înlocuită conform unui program, astfel încât timpul de livrare și capacitatea de a păstra stocul contează la fel de mult ca prețul unitar.
5. Uită-te la cine mai servește furnizorul. Un producător axat pe aluminiu și alte capete fierbinți neferoase vă va înțelege procesul și modurile de defecțiune.

La SGJL fabricăm nitrură de siliciu și materiale ceramice aferente într-o instalație de 20.000 de metri pătrați și livrăm clienților din peste treizeci de țări, cu industria turnării aluminiului și turnării sub presiune ca piață principală. Familiile noastre de produse includ nitrură de siliciu SG-28, OS-11 O'Sialon, titanat de aluminiu TA-03, încălzitoare cu imersie de înaltă eficiență, bile de stocare termică de corindon și piese de pompă complet ceramice.

Ceramica cu nitrură de siliciu nu este un răspuns universal și nu am sugera niciodată înlocuirea fiecărui material refractar dintr-o turnătorie cu ele. Dar acolo unde este implicat aluminiul topit, acolo unde piesele defectează devreme sau contaminează topitura și unde ferestrele de întreținere sunt scurte, acestea se plătesc în mod constant. Dacă cântăriți o schimbare pe un rotor, un tub de ridicare sau un tub de protecție a încălzitorului, suntem bucuroși să discutăm despre ciclul dvs. de funcționare și să vă recomandăm clasa care se potrivește.