Keramika z nitridu křemíku: Vlastnosti, typy a jejich použití při odlévání hliníku

Keramika z nitridu křemíku je materiál, po kterém mnozí inženýři sahají, když ocel, grafit a konvenční žáruvzdorné materiály již nevydrží. Tam, kde se střetává roztavený kov, rychlé tepelné cykly a abrazivní opotřebení, nitrid křemíku (Si3N4) nabízí vzácnou kombinaci pevnosti, odolnosti vůči teplotním šokům a chemické stability, a to je přesně důvod, proč se stal známým v oblasti odlévání hliníku a tlakového lití za tepla.

Náš tým pracuje s keramikou z nitridu křemíku více než dvacet let, od výběru prášku až po hotový rotor, stoupací trubku nebo ochrannou trubku ohřívače. V této příručce se podělíme o to, co nás tato zkušenost naučila o samotném materiálu, dostupných jakostech a praktických otázkách, které vyvstanou, když se slévárna rozhodne převést opotřebovanou součást na keramiku.

Co je keramika z nitridu křemíku?

Nitrid křemíku je sloučenina křemíku a dusíku. Jeho silné kovalentní vazby mu dávají vlastnosti, kterým se kovy a většina oxidové keramiky nemohou rovnat: zůstává tvrdý při vysoké teplotě, odolává teplotním šokům a nereaguje snadno s roztavenými neželeznými kovy.

Mikrostruktura vysvětluje většinu výkonu. Nitrid křemíku existuje ve dvou krystalografických formách, alfa a beta. Během slinování se alfa fáze přeměňuje na beta, která roste jako protáhlá jehlicovitá zrna. Tato zrna se do sebe zapadají jako plsť a tato síť je to, co dodává keramice z nitridu křemíku jejich houževnatost: absorbují energii, místo aby se rozbíjely jako hrubá nebo skelná keramika.

Mezi vlastnosti, na kterých v průmyslových službách nejvíce záleží, patří:

• Pevnost v ohybu typicky mezi 600 a 1 200 MPa, v závislosti na jakosti
• Lomová houževnatost je zhruba dvojnásobná ve srovnání s aluminovou keramikou
• Hustota kolem 3,2 gramu na centimetr krychlový, hluboko pod ocelí
• Nízká tepelná roztažnost a vynikající odolnost proti tepelným šokům
• Chemická inertnost vůči většině kyselin, solím a roztaveným neželezným kovům
• Vysoký elektrický odpor, vhodný v blízkosti topných těles
• Velmi nízká smáčivost roztaveným hliníkem

Tato poslední vlastnost si zaslouží důraz. Keramika, kterou tavenina nesmáčí, zůstává čistá, zachovává si své rozměry a nevtahuje do odlitku oxidy ani rozpuštěné prvky. Je to jediný největší důvod, proč keramika z nitridu křemíku nahradila dřívější materiály v odplyňovacích a přenosových zařízeních.

Výrobní postupy a proč na kvalitě záleží

"Keramika z nitridu křemíku" není jeden materiál. V závislosti na tom, jak je prášek tvarován, jaké množství přísady pro slinování je přidáno a jak je součást zhuštěna, může stejná chemie vytvořit porézní, levnou žáruvzdornou součást nebo téměř plně hutnou strukturální keramiku, která přežije roky v komoře tlakového lití.

1. Reaction-bonded nitrid křemíku (RBSN): dusík reaguje s křemíkovým preformem, čímž vzniká porézní, ale rozměrově stabilní těleso, které vyžaduje malé obrábění.
2. Slinutý nitrid křemíku (SSN): beztlakové slinování s oxidovými přísadami, jako je yttria, oxid hlinitý nebo hořčík.
3. Plynový slinutý nitrid křemíku (GPSN): vysoký tlak dusíku potlačuje rozklad a zvyšuje hustotu nad 99 procent.
4. Nitrid křemíku lisovaný za tepla (HPSN): jednoosý tlak během zhušťování poskytuje nejvyšší pevnost, ale omezuje díly na jednoduché tvary.
5. Slinutý reakční nitrid křemíku (SRBSN): hybridní cesta, která začíná reakčním spojováním a končí slinováním.

Slinovací přísady jsou důležité stejně jako cesta. Podporují zhuštění vytvořením tenké sklovité fáze na hranicích zrn a složení této fáze rozhoduje o tom, jak se materiál chová při provozu: dobře navržený systém udržuje hranice odolné vůči tečení, zatímco chudý při teplotě měkne.

Napsali jsme technickou poznámku krok za krokem k výrobní proces keramiky z nitridu křemíku pokud byste chtěli jít hlouběji do přípravy, tvarování, slinování a kontroly prášku.

Proč keramika z nitridu křemíku exceluje v roztaveném hliníku

Hliník je agresivnější, než se zdá. Při 700 až 750 stupních Celsia tavenina redukuje mnoho oxidů, smáčí většinu žáruvzdorných materiálů a reaguje se železem, křemíkem a kyslíkem na povrchu čehokoli, čeho se dotkne. Součást, která reaguje s taveninou, se jednoduše neopotřebuje; mění chemii kovu a vytváří vměstky, které selžou odlitky při konečné kontrole.

Keramika z nitridu křemíku chovat se jinak. Jejich nízká smáčivost znamená, že hliník místo ulpívání stéká, takže rotory a trubky si zachovávají svou geometrii. Jejich chemická inertnost znamená, že tavenina zůstane čistá. Jejich odolnost proti tepelnému šoku znamená, že trubka na ochranu proti chladu může jít přímo do horké pece bez pomalého předehřívacího rituálu, který by šel do směny.

Mezi typické komponenty hot-end vyrobené z keramiky z nitridu křemíku patří:

• Odplyňovací a rafinační rotory pro odstraňování vodíku a vměstků
• Stoupací trubky a stopkové trubky pro nízkotlaké lití a přenos kovů
• Zátkové tyče a součásti ventilů pro řízení průtoku
• Ochranné trubky ohřívačů a ochranné trubky termočlánků
• Vyzdívky, tavicí trubky, regulační tyče a části čerpadel

Odplyňovací rotory ukazují, jak moc na materiálu záleží. Rotor se otáčí rychlostí několika stovek otáček za minutu, zatímco je částečně ponořen, čímž se proud plynu láme na jemné bublinky, které odstraňují vodík z taveniny. Musí tolerovat ponoření, prudké míchání a tisíce cyklů zahřívání a ochlazování, aniž by ztratila rovnováhu nebo uvolňovala částice do kovu.

Keramický odplyňovací rotor SG-28 z nitridu křemíku Ve srovnání s grafitovými rotory nejsou keramické odplyňovací rotory z nitridu křemíku SG-28 oxidované ve vysokoteplotním stavu, takže neznečišťují roztavený hliník a... Zobrazit produkt →

Odlévání hliníku a tlakové lití jsou dvě oblasti použití, kde vidíme největší poptávku, a stejná logika materiálu probíhá od tavicí pece až po formu.

Přiřazování komponent ke každému kroku Hot End

Jakmile se slévárna rozhodne přesunout součást na keramiku z nitridu křemíku, další otázkou je, která jakost a které provedení vyhovuje dané povinnosti. Odpověď obvykle následuje po sekvenci procesu.

Odplynění a rafinace

Rotory, tavicí trubky a regulační tyče pracují v nejturbulentnější části procesu. Potřebují maximální pevnost a odolnost proti tepelným šokům, takže normou jsou plně husté třídy. Tloušťka stěny, konstrukce závitu a způsob upnutí rotoru k hřídeli jsou důležité stejně jako materiál samotný, protože rotor, který selže ve spoji, nikdy nemá šanci prokázat svou odolnost proti opotřebení.

Filtrace

Jemná filtrace odstraňuje poslední vměstky předtím, než se kov dostane do formy. Keramické filtrační prvky musí kombinovat propustnost s dostatečnou pevností, aby přežily manipulaci, předehřívání a tlak plného prádla. Geometrie trubky je zvláště účinná tam, kde je omezený prostor na podlaze a tavenina musí být čištěna v kompaktní, vyměnitelné jednotce.

Přesný trubkový filtr SMF-02 Vzhledem k tomu, že průmysl odlévání hliníku čelí stále přísnějším požadavkům na čistotu roztaveného hliníku, spolu s rostoucími požadavky na špičkovou výrobu a... Zobrazit produkt →

Vytápění a regulace teploty

Ponorné ohřívače a jejich vnější trubky pracují nepřetržitě v lázni tekutého hliníku. Keramická trubice musí účinně vést teplo, aniž by reagovala s taveninou, a musí odolávat teplotním gradientům vznikajícím při změně hladiny lázně. Ochranné trubice pro termočlánky čelí stejnému prostředí a vyžadují přísnější rozměrovou kontrolu, protože několik desetin milimetru může změnit dobu odezvy senzoru.

Keramická ochranná trubice z nitridu křemíku SG-28 Ochranná trubka keramického ohřívače z nitridu křemíku SG-28 má silnou odolnost vůči vysokým teplotám, korozi a tepelnému šoku v roztaveném hliníku. Dokáže odolat h... Zobrazit produkt →

Transfer, řízení toku a lití

Stoupací trubky, zátkové tyče, regulační tyče a části čerpadel tvoří vodovodní potrubí slévárny. Zde jsou prioritami rozměrová přesnost, odolnost proti erozi v otvoru a schopnost přežít opakované tepelné cykly bez praskání na přírubě. Protože jsou tyto díly často velké, má volba výrobní cesty přímý vliv jak na náklady, tak na dodací lhůty.

Jak hodnotit dodavatele keramiky z nitridu křemíku

Nitrid křemíku je obtížné dobře vyrobit a rozdíl mezi dobrým a průměrným dílem se obvykle ukáže po šesti měsících provozu spíše než na výkresu. Když nás zákazníci požádají o cenovou nabídku vůči stávajícímu dodavateli, doporučujeme jim porovnat v několika praktických bodech.

1. Zeptejte se, která třída je nabízena a proč. Dodavatel, který nedokáže vysvětlit rozdíl mezi beztlakově sintrovaným a plynovým tlakově sintrovaným tělesem, pravděpodobně tento rozdíl ve výrobě nezvládne.
2. Zeptejte se na kontrolu rozměrů. Závity rotoru, vrtání trubek a čela přírub musí být správné, protože keramický díl nelze seřídit na místě.
3. Spíše než přídavná jména požadujte testovací data. Výsledky pevnosti, hustoty a tepelného šoku by měly pocházet z definované zkušební metody.
4. Zkontrolujte model dodávky. Spotřební keramika se vyměňuje podle plánu, takže dodací lhůta a schopnost držet zásoby jsou důležité stejně jako jednotková cena.
5. Podívejte se, komu dalšímu dodavatel slouží. Výrobce zaměřený na hliník a jiné neželezné horké konce pochopí váš proces a vaše způsoby selhání.

Ve společnosti SGJL vyrábíme nitrid křemíku a související keramické materiály v závodě o rozloze 20 000 metrů čtverečních a dodáváme zákazníkům do více než třiceti zemí, přičemž naším hlavním trhem je odlévání hliníku a tlakové lití. Naše produktové řady zahrnují nitrid křemíku SG-28, OS-11 O'Sialon, TA-03 aluminiumtitanát, vysoce účinné ponorné ohřívače, korundové termoakumulační koule a plně keramické části čerpadla.

Keramika z nitridu křemíku není univerzální řešení a nikdy bychom nenavrhovali nahradit jimi každý žáruvzdorný materiál ve slévárně. Ale tam, kde se jedná o roztavený hliník, kde díly předčasně selžou nebo kontaminují taveninu a kde jsou krátká období údržby, se důsledně platí. Pokud zvažujete změnu na rotoru, stoupací trubce nebo ochranné trubici ohřívače, rádi si promluvíme s vaším pracovním cyklem a doporučíme vám vhodnou třídu.