Keramika silicijevog nitrida: svojstva, vrste i njihova uporaba u lijevanju aluminija

Silicij nitrid keramika je materijal za kojim mnogi inženjeri posežu kada čelik, grafit i konvencionalni vatrostalni materijali više ne izdrže. Tamo gdje se susreću rastaljeni metal, brzi toplinski ciklusi i abrazivno trošenje, silicijev nitrid (Si3N4) nudi rijetku kombinaciju čvrstoće, otpornosti na toplinske udare i kemijske stabilnosti, i upravo je to razlog zašto je postao poznat prizor u lijevanju aluminija i alatima za livenje pod pritiskom.

Naš tim radi s keramikom od silicijevog nitrida više od dvadeset godina, od odabira praha do gotovog rotora, usponske cijevi ili zaštitne cijevi grijača. U ovom vodiču dijelimo što nas je to iskustvo naučilo o samom materijalu, dostupnim klasama i praktičnim pitanjima koja se pojavljuju kada ljevaonica odluči premjestiti istrošenu komponentu na keramiku.

Što su silicijeve nitridne keramike?

Silicijev nitrid je spoj silicija i dušika. Njegove snažne kovalentne veze daju mu svojstva s kojima se metali i većina oksidne keramike ne mogu mjeriti: ostaje tvrd na visokoj temperaturi, otporan je na toplinski udar i ne reagira lako s rastaljenim metalima koji nisu željezo.

Mikrostruktura objašnjava veliki dio performansi. Silicijev nitrid postoji u dva kristalografska oblika, alfa i beta. Tijekom sinteriranja alfa faza se pretvara u beta, koja raste kao izdužena, igličasta zrnca. Ta se zrnca isprepliću poput pusta, a ta je mreža ono što keramici od silicijevog nitrida daje žilavost: ona apsorbiraju energiju umjesto da se razbijaju na način na koji to čini gruba ili staklasta keramika.

Svojstva koja su najvažnija u industrijskim uslugama uključuju:

• Čvrstoća na savijanje obično je između 600 i 1200 MPa, ovisno o stupnju
• Žilavost loma otprilike dvostruko veća od žilavosti aluminijeve keramike
• Gustoća oko 3,2 grama po kubnom centimetru, znatno ispod čelika
• Nisko toplinsko širenje i izvrsna otpornost na toplinski udar
• Kemijska inertnost prema većini kiselina, soli i rastaljenih neželjeznih metala
• Visok električni otpor, koristan u blizini grijaćih elemenata
• Vrlo niska kvasljivost rastaljenim aluminijem

Ovo posljednje svojstvo zaslužuje naglasak. Keramika koju talina ne može smočiti ostaje čista, zadržava svoje dimenzije i ne povlači okside ili otopljene elemente u odljevak. To je najveći pojedinačni razlog zbog kojeg je keramika silicijevog nitrida istisnula ranije materijale u opremi za otplinjavanje i prijenos.

Proizvodne rute i zašto je ocjena važna

"Silicij nitrid keramika" nije jedan materijal. Ovisno o tome kako je prah oblikovan, koliko je dodatka za sinteriranje i kako je dio zgusnut, ista kemija može proizvesti poroznu, jeftinu vatrostalnu komponentu ili gotovo potpuno gustu strukturnu keramiku koja preživi godine u ćeliji za tlačni lijev.

1. Reakcijski vezani silicijev nitrid (RBSN): dušik reagira sa silicijskim preformom, dajući porozno, ali dimenzionalno stabilno tijelo koje treba malo strojno obraditi.
2. Sinterirani silicijev nitrid (SSN): sinteriranje bez pritiska s dodacima oksida kao što su itrij, aluminijev oksid ili magnezij.
3. Sinterirani silicijev nitrid pod tlakom plina (GPSN): visoki tlak dušika suzbija razgradnju i povećava gustoću iznad 99 posto.
4. Vruće prešani silicijev nitrid (HPSN): jednoosni tlak tijekom zgušnjavanja daje najveću čvrstoću, ali ograničava dijelove na jednostavne oblike.
5. Sinterirani reakcijski vezani silicijev nitrid (SRBSN): hibridni put koji počinje reakcijskim spajanjem i završava sinteriranjem.

Dodaci za sinteriranje važni su jednako kao i ruta. Oni potiču zgušnjavanje stvaranjem tanke staklaste faze na granicama zrna, a sastav te faze odlučuje o tome kako će se materijal ponašati tijekom rada: dobro dizajniran sustav održava granice otpornima na puzanje, dok loš omekšava na temperaturi.

Napisali smo tehničku napomenu korak po korak o proizvodni proces keramike silicijevog nitrida ako želite ići dublje u pripremu praha, oblikovanje, sinteriranje i kontrolu.

Zašto silicij nitrid keramika Excel u rastopljenom aluminiju

Aluminij je agresivniji nego što izgleda. Na 700 do 750 stupnjeva Celzijusa talina reducira mnoge okside, navlaži većinu vatrostalnih materijala i reagira sa željezom, silicijem i kisikom na površini svega što dotakne. Komponenta koja reagira s talinom ne istroši se jednostavno; mijenja kemijski sastav metala i stvara uključke koji ne uspijevaju odljevke pri konačnom pregledu.

Silicij nitrid keramika ponašati se drugačije. Njihova niska sposobnost vlaženja znači da aluminij otječe umjesto da se prianja, pa rotori i cijevi zadržavaju svoju geometriju. Njihova kemijska inertnost znači da talina ostaje čista. Njihova otpornost na toplinske udare znači da cijev za zaštitu od hladnoće može ići ravno u vruću peć bez sporog rituala predgrijavanja koji izjeda pomak.

Tipične vruće komponente izrađene od keramike silicijevog nitrida uključuju:

• Rotori za otplinjavanje i pročišćavanje za uklanjanje vodika i inkluzija
• Uzlazne cijevi i stabljike za niskotlačno lijevanje i prijenos metala
• Zaporne šipke i komponente ventila za kontrolu protoka
• Zaštitne cijevi grijača i zaštitne cijevi termoparova
• Obloge praonika, cijevi za pražnjenje, upravljačke šipke i dijelovi pumpe

Rotori za otplinjavanje pokazuju koliko je materijal važan. Rotor se vrti pri nekoliko stotina okretaja u minuti dok je djelomično potopljen, razbijajući struju plina u fine mjehuriće koji izvlače vodik iz taline. Mora tolerirati uranjanje, snažno miješanje i tisuće ciklusa grijanja i hlađenja bez gubitka ravnoteže ili rasipanja čestica u metal.

SG-28 silicij nitrid keramički otplinjavajući rotor U usporedbi s grafitnim rotorima, SG-28 silicijev nitrid keramički otplinjavajući rotor nije oksidiran u statusu visoke temperature, tako da ne zagađuje rastaljeni aluminij i... Pogledajte proizvod →

Aluminijski lijevi i tlačni lijevi dva su područja primjene u kojima vidimo najveću potražnju, a ista materijalna logika prolazi cijelim putem od peći za taljenje do kalupa.

Komponente koje odgovaraju svakom koraku Hot Enda

Jednom kada ljevaonica odluči premjestiti komponentu na keramiku od silicijevog nitrida, sljedeće je pitanje koji stupanj i koji dizajn odgovaraju toj dužnosti. Odgovor obično slijedi slijed procesa.

Otplinjavanje i rafiniranje

Rotori, cijevi za fluksiranje i kontrolne šipke rade u najturbulentnijem dijelu procesa. Potrebna im je maksimalna čvrstoća i otpornost na toplinske udare, tako da su potpuno gusti tipovi norma. Debljina stijenke, dizajn navoja i način na koji je rotor stegnut na osovinu važni su koliko i sam materijal, jer rotor koji zakaže na spoju nikada ne dobije priliku dokazati svoju otpornost na trošenje.

Filtriranje

Fina filtracija uklanja posljednje inkluzije prije nego što metal dospije u kalup. Keramički filterski elementi moraju kombinirati propusnost s dovoljnom snagom da prežive rukovanje, predgrijavanje i pritisak pune praonice. Geometrija cijevi posebno je učinkovita tamo gdje je podni prostor ograničen i talina se mora čistiti u kompaktnoj, zamjenjivoj jedinici.

SMF-02 Precizni cijevni filtar Kako se industrija lijevanja aluminija suočava sa sve strožim zahtjevima za čistoćom rastaljenog aluminija, zajedno sa sve većim zahtjevima za vrhunskom proizvodnjom i okolišem... Pogledajte proizvod →

Grijanje i kontrola temperature

Uranjajući grijači i njihove vanjske cijevi neprekidno rade u kupki tekućeg aluminija. Keramička cijev mora učinkovito provoditi toplinu bez reakcije s talinom i mora se oduprijeti toplinskim gradijentima koji nastaju kada se razina kupke promijeni. Zaštitne cijevi za termoparove suočavaju se s istim okolišem dok zahtijevaju strožu kontrolu dimenzija, jer nekoliko desetinki milimetra može promijeniti vrijeme odziva senzora.

SG-28 Silicij nitrid keramička zaštitna cijev grijača SG-28 keramička zaštitna cijev grijača od silicijevog nitrida ima jaku otpornost na visoke temperature, koroziju i toplinski udar u rastaljenom aluminiju. Može izdržati h... Pogledajte proizvod →

Prijenos, kontrola protoka i lijevanje

Uzlazne cijevi, granične šipke, upravljačke šipke i dijelovi pumpe čine vodovod ljevaonice. Ovdje su prioriteti točnost dimenzija, otpornost na eroziju na provrtu i sposobnost preživljavanja ponovljenih toplinskih ciklusa bez pucanja na prirubnici. Budući da su ti dijelovi često veliki, izbor proizvodnog puta ima izravan učinak na trošak i vrijeme isporuke.

Kako procijeniti dobavljača keramike od silicij nitrida

Silicijev nitrid je teško napraviti dobro, a razlika između dobrog i osrednjeg dijela obično se vidi nakon šest mjeseci upotrebe, a ne na crtežu. Kada nas klijenti zatraže da ponudimo ponudu u odnosu na postojećeg dobavljača, predlažemo da usporede nekoliko praktičnih točaka.

1. Pitajte koja se ocjena nudi i zašto. Dobavljač koji ne može objasniti razliku između tijela sinteriranog bez tlaka i tijela sinteriranog pod tlakom plina vjerojatno neće kontrolirati tu razliku u proizvodnji.
2. Raspitajte se o kontroli dimenzija. Navoji rotora, provrti cijevi i površine prirubnice moraju biti ispravni jer se keramički dio ne može podešavati na licu mjesta.
3. Tražite testne podatke radije nego pridjeve. Rezultati čvrstoće, gustoće i toplinskog udara trebali bi proizaći iz definirane metode ispitivanja.
4. Provjerite model isporuke. Potrošna keramika zamjenjuje se prema rasporedu, tako da su vrijeme isporuke i mogućnost održavanja zaliha važni koliko i cijena jedinice.
5. Pogledajte kome još služi dobavljač. Proizvođač usredotočen na aluminij i druge vruće krajeve od obojenih metala razumjet će vaš proces i načine kvarova.

U SGJL-u proizvodimo silicijev nitrid i srodne keramičke materijale u pogonu od 20.000 četvornih metara i isporučujemo kupcima u više od trideset zemalja, s industrijom lijevanja aluminija i tlačnog lijevanja kao našim glavnim tržištem. Naše obitelji proizvoda uključuju SG-28 silicijev nitrid, OS-11 O'Sialon, TA-03 aluminijev titanat, visokoučinkovite uronjene grijače, korundne kuglice za skladištenje topline i potpuno keramičke dijelove pumpe.

Keramika od silicijevog nitrida nije univerzalan odgovor i nikada ne bismo predložili zamjenu svakog vatrostalnog materijala u ljevaonici njome. Ali tamo gdje je uključen rastaljeni aluminij, gdje dijelovi rano otkazuju ili kontaminiraju talinu i gdje su rokovi održavanja kratki, oni dosljedno plaćaju za sebe. Ako vagate promjenu na rotoru, uzlaznoj cijevi ili zaštitnoj cijevi grijača, rado ćemo razgovarati o vašem radnom ciklusu i preporučiti ocjenu koja mu odgovara.