Keramika z nitridu kremíka: Vlastnosti, typy a ich použitie pri odlievaní hliníka

Keramika z nitridu kremíka je materiál, po ktorom mnohí inžinieri siahajú, keď oceľ, grafit a konvenčné žiaruvzdorné materiály už nevydržia. Tam, kde sa stretáva roztavený kov, rýchle tepelné cykly a abrazívne opotrebenie, nitrid kremíka (Si3N4) ponúka vzácnu kombináciu pevnosti, tolerancie teplotných šokov a chemickej stability, a to je presne dôvod, prečo sa stal známym v oblasti nástrojov na odlievanie hliníka a tlakového liatia.

Náš tím pracuje s keramikou z nitridu kremíka už viac ako dvadsať rokov, od výberu prášku až po hotový rotor, stúpaciu rúrku alebo ochrannú rúrku ohrievača. V tejto príručke sa podelíme o to, čo nás táto skúsenosť naučila o samotnom materiáli, dostupných triedach a praktických otázkach, ktoré sa objavia, keď sa zlieváreň rozhodne preniesť opotrebovaný komponent na keramiku.

Čo je keramika z nitridu kremíka?

Nitrid kremíka je zlúčenina kremíka a dusíka. Jeho silné kovalentné väzby mu dávajú vlastnosti, ktorým sa kovy a väčšina oxidovej keramiky nevyrovnajú: zostáva tvrdý pri vysokej teplote, odoláva teplotným šokom a nereaguje ľahko s roztavenými neželeznými kovmi.

Mikroštruktúra vysvetľuje veľa z výkonu. Nitrid kremíka existuje v dvoch kryštalografických formách, alfa a beta. Počas spekania sa alfa fáza mení na beta, ktorá rastie ako podlhovasté ihličkovité zrná. Tieto zrná do seba zapadajú ako plsť a práve táto sieť dodáva keramike z nitridu kremíka ich húževnatosť: absorbujú energiu namiesto toho, aby sa rozbíjali tak, ako to robí hrubá alebo sklovitá keramika.

Medzi vlastnosti, ktoré sú v priemyselných službách najdôležitejšie, patria:

• Pevnosť v ohybe zvyčajne medzi 600 a 1 200 MPa, v závislosti od triedy
• Lomová húževnatosť je zhruba dvojnásobná v porovnaní s keramikou z oxidu hlinitého
• Hustota okolo 3,2 gramu na kubický centimeter, hlboko pod oceľou
• Nízka tepelná rozťažnosť a vynikajúca odolnosť proti tepelným šokom
• Chemická inertnosť voči väčšine kyselín, solí a roztavených neželezných kovov
• Vysoký elektrický odpor, užitočný v blízkosti vykurovacích telies
• Veľmi nízka zmáčavosť roztaveným hliníkom

Táto posledná vlastnosť si zaslúži dôraz. Keramika, ktorú tavenina nezmáča, zostáva čistá, zachováva si svoje rozmery a nevnáša oxidy ani rozpustené prvky do odliatku. Je to jediný najväčší dôvod, prečo keramika z nitridu kremíka nahradila predchádzajúce materiály v odplyňovacích a prenosových zariadeniach.

Výrobné postupy a prečo na kvalite záleží

„Keramický nitrid kremíka“ nie je jeden materiál. V závislosti od toho, ako je prášok tvarovaný, koľko sa pridáva pomocný prostriedok na spekanie a ako je diel zhustený, môže rovnaká chémia produkovať porézny, lacný komponent žiaruvzdornej kvality alebo takmer úplne hustú štruktúrnu keramiku, ktorá prežije roky v komore na tlakové liatie.

1. Reaction-bonded silicon nitrid (RBSN): dusík reaguje s kremíkovým predliskom, čím vzniká porézne, ale rozmerovo stabilné telo, ktoré si vyžaduje len malé opracovanie.
2. Sintrovaný nitrid kremíka (SSN): beztlakové spekanie s oxidovými prísadami, ako je ytrio, oxid hlinitý alebo magnézia.
3. Sintrovaný nitrid kremíka pod tlakom plynu (GPSN): vysoký tlak dusíka potláča rozklad a posúva hustotu nad 99 percent.
4. Nitrid kremíka lisovaný za tepla (HPSN): jednoosový tlak počas zahusťovania poskytuje najvyššiu pevnosť, ale obmedzuje diely na jednoduché tvary.
5. Sintrovaný reakčne viazaný nitrid kremíka (SRBSN): hybridná cesta, ktorá začína reakčným spájaním a končí spekaním.

Spekacie prísady sú rovnako dôležité ako cesta. Podporujú zahusťovanie vytvorením tenkej sklovitej fázy na hraniciach zŕn a zloženie tejto fázy rozhoduje o tom, ako sa materiál správa v prevádzke: dobre navrhnutý systém udržuje hranice odolné voči tečeniu, zatiaľ čo nekvalitný pri teplote mäkne.

Napísali sme technickú poznámku krok za krokom o výrobný proces keramiky z nitridu kremíka ak by ste chceli ísť hlbšie do prípravy prášku, tvarovania, spekania a kontroly.

Prečo keramika z nitridu kremíka exceluje v roztavenom hliníku

Hliník je agresívnejší, ako sa zdá. Pri teplote 700 až 750 stupňov Celzia tavenina redukuje množstvo oxidov, zmáča väčšinu žiaruvzdorných materiálov a reaguje so železom, kremíkom a kyslíkom na povrchu čohokoľvek, čoho sa dotkne. Komponent, ktorý reaguje s taveninou, sa jednoducho neopotrebuje; mení chémiu kovu a vytvára inklúzie, ktoré zlyhávajú odliatky pri konečnej kontrole.

Keramika z nitridu kremíka správať sa inak. Ich nízka zmáčavosť znamená, že hliník steká namiesto priľnutia, takže rotory a rúrky si zachovávajú svoju geometriu. Ich chemická inertnosť znamená, že tavenina zostane čistá. Ich odolnosť voči tepelným šokom znamená, že trubica na ochranu pred chladom môže ísť priamo do horúcej pece bez pomalého predhrievacieho rituálu, ktorý sa preruší.

Typické komponenty hot-end vyrobené z keramiky z nitridu kremíka zahŕňajú:

• Odplyňovacie a rafinačné rotory na odstraňovanie vodíka a inklúzií
• Stúpacie rúrky a stopkové rúrky na nízkotlakové liatie a prenos kovu
• Zátkové tyče a komponenty ventilov na reguláciu prietoku
• Ochranné rúrky ohrievača a ochranné rúrky termočlánkov
• Čistiace vložky, taviace potrubia, regulačné tyče a časti čerpadiel

Odplyňovacie rotory ukazujú, ako veľmi záleží na materiáli. Rotor sa otáča rýchlosťou niekoľko stoviek otáčok za minútu, zatiaľ čo je čiastočne ponorený, čím sa prúd plynu láme na jemné bublinky, ktoré odstraňujú vodík z taveniny. Musí tolerovať ponorenie, prudké miešanie a tisíce cyklov zahrievania a chladenia bez straty rovnováhy alebo uvoľnenia častíc do kovu.

Keramický odplyňovací rotor SG-28 z nitridu kremíka V porovnaní s grafitovými rotormi nie sú keramické odplyňovacie rotory z nitridu kremíka SG-28 oxidované vo vysokoteplotnom stave, takže neznečisťujú roztavený hliník a... Zobraziť produkt →

Odlievanie hliníka a tlakové liatie sú dve oblasti použitia, v ktorých vidíme najväčší dopyt a rovnaká materiálová logika prebieha od taviacej pece až po formu.

Priraďovanie komponentov ku každému kroku horúceho konca

Keď sa zlieváreň rozhodne presunúť komponent na keramiku z nitridu kremíka, ďalšou otázkou je, ktorá trieda a ktorý dizajn vyhovuje danej úlohe. Odpoveď zvyčajne nasleduje postupnosť procesu.

Odplynenie a rafinácia

Rotory, taviace rúrky a regulačné tyče pracujú v najturbulentnejšej časti procesu. Potrebujú maximálnu pevnosť a odolnosť voči tepelným šokom, preto sú štandardom plne husté triedy. Hrúbka steny, konštrukcia závitu a spôsob uchytenia rotora na hriadeli sú dôležité rovnako ako samotný materiál, pretože rotor, ktorý zlyhá v spoji, nikdy nedostane príležitosť preukázať svoju odolnosť proti opotrebovaniu.

Filtrácia

Jemná filtrácia odstraňuje posledné inklúzie predtým, ako sa kov dostane do formy. Keramické filtračné prvky musia kombinovať priepustnosť s dostatočnou pevnosťou, aby prežili manipuláciu, predhrievanie a tlak plnej bielizne. Geometria rúry je obzvlášť účinná tam, kde je priestor na podlahe obmedzený a tavenina sa musí čistiť v kompaktnej, vymeniteľnej jednotke.

SMF-02 Presný rúrkový filter Keďže priemysel odlievania hliníka čelí čoraz prísnejším požiadavkám na čistotu roztaveného hliníka, spolu s rastúcimi požiadavkami na špičkovú výrobu a... Zobraziť produkt →

Kúrenie a regulácia teploty

Ponorné ohrievače a ich vonkajšie rúrky pracujú nepretržite v kúpeli tekutého hliníka. Keramická trubica musí účinne viesť teplo bez toho, aby reagovala s taveninou, a musí odolávať teplotným gradientom vznikajúcim pri zmene hladiny kúpeľa. Ochranné trubice pre termočlánky čelia rovnakému prostrediu, pričom vyžadujú prísnejšiu kontrolu rozmerov, pretože niekoľko desatín milimetra môže zmeniť čas odozvy snímača.

Keramická ochranná trubica z nitridu kremíka SG-28 Ochranná trubica keramického ohrievača z nitridu kremíka SG-28 má silnú odolnosť voči vysokej teplote, korózii a tepelnému šoku v roztavenom hliníku. Vydrží h... Zobraziť produkt →

Transfer, riadenie toku a odlievanie

Stúpacie rúrky, zátkové tyče, riadiace tyče a časti čerpadiel tvoria vodovodné potrubie zlievarne. Tu sú prioritami rozmerová presnosť, odolnosť proti erózii v otvore a schopnosť prežiť opakované tepelné cykly bez praskania na prírube. Pretože tieto diely sú často veľké, výber výrobnej cesty má priamy vplyv na náklady aj dodaciu dobu.

Ako hodnotiť dodávateľa keramiky z nitridu kremíka

Nitrid kremíka je ťažké dobre vyrobiť a rozdiel medzi dobrým dielom a priemerným dielom sa zvyčajne ukáže po šiestich mesiacoch prevádzky a nie na výkrese. Keď nás zákazníci požiadajú o cenovú ponuku voči etablovanému dodávateľovi, odporúčame ich porovnať v niekoľkých praktických bodoch.

1. Opýtajte sa, ktorá trieda sa ponúka a prečo. Je nepravdepodobné, že by dodávateľ, ktorý nevie vysvetliť rozdiel medzi beztlakovo sintrovaným a plynom sintrovaným telesom, tento rozdiel vo výrobe kontrolovať.
2. Opýtajte sa na kontrolu rozmerov. Závity rotora, otvory rúr a čelá prírub musia byť správne, pretože keramický diel nie je možné nastaviť na mieste.
3. Žiadajte testovacie údaje, nie prídavné mená. Pevnosť, hustota a výsledky tepelného šoku by mali pochádzať z definovanej skúšobnej metódy.
4. Skontrolujte model dodávky. Spotrebná keramika sa vymieňa podľa plánu, takže dodacia lehota a schopnosť držať zásoby sú dôležité rovnako ako jednotková cena.
5. Pozrite sa, komu ešte dodávateľ slúži. Výrobca zameraný na hliník a iné neželezné horúce konce pochopí váš proces a spôsoby zlyhania.

V SGJL vyrábame nitrid kremíka a súvisiace keramické materiály v závode s rozlohou 20 000 metrov štvorcových a dodávame zákazníkom vo viac ako tridsiatich krajinách, pričom naším hlavným trhom je odvetvie odlievania hliníka a tlakového liatia. Naše produktové rady zahŕňajú nitrid kremíka SG-28, OS-11 O'Sialon, TA-03 titaničitan hliníka, vysokoúčinné ponorné ohrievače, korundové tepelné akumulačné guľôčky a plne keramické časti čerpadla.

Keramika z nitridu kremíka nie je univerzálnou odpoveďou a nikdy by sme nenavrhovali nahradiť ňou každý žiaruvzdorný materiál v zlievarni. Ale tam, kde ide o roztavený hliník, kde diely predčasne zlyhajú alebo kontaminujú taveninu a kde sú krátke intervaly údržby, dôsledne platia za seba. Ak zvažujete zmenu na rotore, stúpacej trubici alebo ochrannej trubici ohrievača, radi sa porozprávame o vašom pracovnom cykle a odporučíme vám vhodný typ.