Керамика из нитрида кремния: свойства, виды и применение при литье алюминия

Керамика из нитрида кремния — это материал, к которому обращаются многие инженеры, когда сталь, графит и обычные огнеупоры больше не выдерживают нагрузки. Там, где встречаются расплавленный металл, быстрое термоциклирование и абразивный износ, нитрид кремния (Si3N4) предлагает редкое сочетание прочности, устойчивости к тепловым ударам и химической стабильности, и именно поэтому он стал привычным явлением в инструментах для литья алюминия и литья под давлением.

Наша команда работает с керамикой из нитрида кремния более двадцати лет, от выбора порошка до готового ротора, вертикальной трубки или защитной трубки нагревателя. В этом руководстве мы делимся тем, что этот опыт научил нас о самом материале, доступных марках и практических вопросах, которые возникают, когда литейный завод решает перевести изношенный компонент на керамику.

Что такое керамика из нитрида кремния?

Нитрид кремния – это соединение кремния и азота. Его прочные ковалентные связи придают ему свойства, с которыми не могут сравниться металлы и большинство оксидных керамик: он остается твердым при высоких температурах, выдерживает термический удар и плохо реагирует с расплавленными цветными металлами.

Микроструктура объясняет большую часть производительности. Нитрид кремния существует в двух кристаллографических формах: альфа и бета. Во время спекания альфа-фаза превращается в бета-фазу, которая вырастает в виде удлиненных игольчатых зерен. Эти зерна сцепляются, как войлок, и именно эта сеть придает керамике из нитрида кремния прочность: они поглощают энергию, а не разрушаются, как это делает грубая или стекловидная керамика.

К свойствам, наиболее важным для промышленного обслуживания, относятся:

• Прочность на изгиб обычно составляет от 600 до 1200 МПа, в зависимости от марки.
• Вязкость разрушения примерно в два раза выше, чем у глиноземной керамики.
• Плотность около 3,2 грамма на кубический сантиметр, что значительно ниже стали.
• Низкое тепловое расширение и отличная устойчивость к тепловому удару.
• Химическая инертность по отношению к большинству кислот, солей и расплавленных цветных металлов.
• Высокое электрическое сопротивление, полезно вблизи нагревательных элементов.
• Очень низкая смачиваемость расплавленным алюминием.

Последнее свойство заслуживает внимания. Керамика, которую расплав не смачивает, остается чистой, сохраняет свои размеры и не переносит оксиды или растворенные элементы в отливку. Это единственная главная причина, по которой керамика из нитрида кремния вытеснила более ранние материалы в оборудовании для дегазации и транспортировки.

Производственные маршруты и почему сорт имеет значение

«Нитридкремниевая керамика» — это не один материал. В зависимости от того, как формируется порошок, сколько добавок для спекания добавляется и как уплотняется деталь, один и тот же химический состав может производить пористый, недорогой огнеупорный компонент или почти полностью плотную конструкционную керамику, которая выдерживает годы в камере литья под давлением.

1. Реакционно-связанный нитрид кремния (RBSN): азот вступает в реакцию с кремниевой заготовкой, образуя пористое, но стабильное по размерам тело, которое не требует незначительной механической обработки.
2. Спеченный нитрид кремния (ССН): спекание без давления с оксидными добавками, такими как иттрий, оксид алюминия или магнезия.
3. Нитрид кремния, спеченный под давлением газа (GPSN): высокое давление азота подавляет разложение и повышает плотность выше 99 процентов.
4. Нитрид кремния горячего прессования (HPSN): одноосное давление во время уплотнения обеспечивает максимальную прочность, но ограничивает детали простой формой.
5. Спеченный нитрид кремния с реакционной связью (СРБСН): гибридный путь, который начинается с реакционного соединения и заканчивается спеканием.

Спекающие добавки имеют такое же значение, как и маршрут. Они способствуют уплотнению, образуя тонкую стекловидную фазу на границах зерен, и состав этой фазы определяет, как материал ведет себя в эксплуатации: хорошо спроектированная система сохраняет границы устойчивыми к ползучести, а плохая – размягчается при температуре.

Мы написали пошаговую техническую записку по процесс изготовления керамики из нитрида кремния если вы хотите углубиться в подготовку, придание формы, спекание и контроль порошков.

Почему керамика из нитрида кремния превосходна в расплавленном алюминии

Алюминий более агрессивен, чем кажется. При температуре от 700 до 750 градусов Цельсия расплав восстанавливает многие оксиды, смачивает большинство огнеупоров и вступает в реакцию с железом, кремнием и кислородом на поверхности всего, к чему он прикасается. Компонент, вступающий в реакцию с расплавом, не просто изнашивается; он меняет химический состав металла и создает включения, из-за которых отливка выходит из строя при окончательном контроле.

Керамика из нитрида кремния вести себя по-другому. Их низкая смачиваемость означает, что алюминий стекает, а не прилипает, поэтому роторы и трубки сохраняют свою геометрию. Их химическая инертность означает, что расплав остается чистым. Их устойчивость к тепловому удару означает, что трубку для защиты от холода можно сразу помещать в горячую печь без медленного ритуала предварительного нагрева, который отнимает много времени.

Типичные компоненты горячего конца, изготовленные из керамики нитрида кремния, включают:

• Роторы дегазации и очистки для удаления водорода и включений
• Стояки и стержневые трубы для литья под низким давлением и переноса металла.
• Стопорные стержни и компоненты клапанов для регулирования расхода
• Защитные трубки нагревателя и защитные трубки термопары
• Облицовка лотков, флюсовые трубы, регулирующие стержни и детали насосов.

Дегазационные роторы показывают, насколько важен материал. Ротор, частично погруженный в воду, вращается со скоростью несколько сотен оборотов в минуту, разбивая газовый поток на мелкие пузырьки, которые вытягивают водород из расплава. Он должен выдерживать погружение, сильное перемешивание и тысячи циклов нагрева и охлаждения, не теряя баланса и не оставляя частиц в металле.

Керамический дегазационный ротор из нитрида кремния SG-28 По сравнению с графитовыми роторами, керамические дегазационные роторы из нитрида кремния SG-28 не окисляются при высоких температурах, поэтому они не загрязняют расплавленный алюминий и... Просмотреть продукт →

Литье алюминия и литье под давлением — это две области применения, в которых мы видим наибольший спрос, и одна и та же логика материалов действует на всем пути от плавильной печи до формы.

Подбор компонентов для каждого этапа горячего конца

Как только литейное производство решает перевести компонент на керамику из нитрида кремния, следующий вопрос заключается в том, какой класс и какая конструкция подходят для этой задачи. Ответ обычно следует за последовательностью процесса.

Дегазация и очистка

Роторы, флюсовые трубы и регулирующие стержни работают в наиболее турбулентной части процесса. Им нужна максимальная прочность и термостойкость, поэтому полностью плотные сорта являются нормой. Толщина стенок, конструкция резьбы и способ крепления ротора к валу имеют такое же значение, как и сам материал, поскольку ротор, который выходит из строя в месте соединения, никогда не получает возможности доказать свою износостойкость.

Фильтрация

Тонкая фильтрация удаляет последние включения еще до того, как металл достигнет формы. Керамические фильтрующие элементы должны сочетать проницаемость с достаточной прочностью, чтобы выдерживать обращение, предварительный нагрев и давление полного желоба. Геометрия трубки особенно эффективна там, где площадь помещения ограничена и расплав необходимо очищать в компактном сменном блоке.

SMF-02 Точный трубчатый фильтр Поскольку индустрия литья алюминия сталкивается со все более строгими требованиями к чистоте расплавленного алюминия, а также с растущими требованиями к высококачественному производству и защите окружающей среды... Просмотреть продукт →

Отопление и контроль температуры

Погружные нагреватели и их внешние трубки непрерывно работают в ванне с жидким алюминием. Керамическая трубка должна эффективно проводить тепло, не вступая в реакцию с расплавом, и противостоять температурным градиентам, возникающим при изменении уровня ванны. Защитные трубки для термопар работают в той же среде, но требуют более строгого контроля размеров, поскольку несколько десятых миллиметра могут изменить время отклика датчика.

SG-28 Керамическая защитная трубка нагревателя из нитрида кремния Защитная трубка керамического нагревателя из нитрида кремния SG-28 обладает высокой устойчивостью к высоким температурам, коррозии и тепловым ударам в расплавленном алюминии. Он может выдержать ч... Просмотреть продукт →

Перенос, контроль потока и литье

Стояки, стопорные стержни, регулирующие стержни и детали насоса составляют сантехнику литейного цеха. Здесь приоритетами являются точность размеров, устойчивость к эрозии отверстия и способность выдерживать повторяющиеся термические циклы без образования трещин на фланце. Поскольку эти детали часто имеют большие размеры, выбор маршрута производства напрямую влияет как на стоимость, так и на время доставки.

Как оценить поставщика керамики из нитрида кремния

Нитрид кремния трудно изготовить хорошо, и разница между хорошей деталью и посредственной обычно проявляется через шесть месяцев эксплуатации, а не на чертеже. Когда клиенты просят нас оценить цены действующего поставщика, мы предлагаем им сравнить несколько практических моментов.

1. Спросите, какая оценка предлагается и почему. Поставщик, который не может объяснить разницу между изделием, спеченным без давления, и изделием, спеченным под давлением в газе, вряд ли сможет контролировать эту разницу в производстве.
2. Спросите о контроле размеров. Резьба ротора, отверстия трубок и поверхности фланцев должны быть правильными, поскольку керамическую деталь невозможно отрегулировать на месте.
3. Запрашивайте тестовые данные, а не прилагательные. Результаты прочности, плотности и термического удара должны быть получены с помощью определенного метода испытаний.
4. Проверьте модель доставки. Расходная керамика заменяется по графику, поэтому время выполнения заказа и возможность поддерживать запасы имеют такое же значение, как и цена за единицу продукции.
5. Посмотрите, кого еще обслуживает поставщик. Производитель, специализирующийся на горячих концах из алюминия и других цветных металлов, поймет ваш процесс и виды отказов.

В SGJL мы производим нитрид кремния и родственные ему керамические материалы на предприятии площадью 20 000 квадратных метров и отправляем продукцию клиентам в более чем тридцать стран, причем нашим основным рынком является производство алюминиевого литья и литья под давлением. В нашу линейку продуктов входят нитрид кремния SG-28, OS-11 O'Sialon, титанат алюминия TA-03, высокоэффективные погружные нагреватели, корундовые термоаккумулирующие шарики и полностью керамические детали насосов.

Керамика из нитрида кремния не является универсальным решением, и мы бы никогда не предложили заменять ею каждый огнеупор в литейном производстве. Но там, где речь идет о расплавленном алюминии, где детали рано выходят из строя или загрязняют расплав, а также когда окна технического обслуживания короткие, они всегда окупаются. Если вы обдумываете замену ротора, стояка или защитной трубки нагревателя, мы будем рады обсудить ваш рабочий цикл и порекомендовать подходящую марку.