Ceramika z azotku krzemu: właściwości, rodzaje i ich zastosowanie w odlewaniu aluminium

Ceramika z azotku krzemu to materiał, po który sięga wielu inżynierów, gdy stal, grafit i konwencjonalne materiały ogniotrwałe nie są już w stanie wytrzymać. Tam, gdzie spotykają się stopiony metal, szybkie cykle termiczne i zużycie ścierne, azotek krzemu (Si3N4) oferuje rzadką kombinację wytrzymałości, tolerancji na szok termiczny i stabilności chemicznej i właśnie dlatego stał się znajomym widokiem w odlewnictwie aluminiowym i narzędziach do odlewania ciśnieniowego na gorąco.

Nasz zespół pracuje z ceramiką z azotku krzemu od ponad dwudziestu lat, od doboru proszku po gotowy wirnik, rurę wznośną lub rurę zabezpieczającą grzejnik. W tym przewodniku dzielimy się tym, czego nauczyło nas to doświadczenie na temat samego materiału, dostępnych gatunków i praktycznych pytań, które pojawiają się, gdy odlewnia decyduje się na przeniesienie zużytego elementu na ceramikę.

Czym są ceramiki z azotku krzemu?

Azotek krzemu jest związkiem krzemu i azotu. Jego silne wiązania kowalencyjne nadają mu właściwości, których metale i większość ceramiki tlenkowej nie mogą dorównać: pozostaje twardy w wysokiej temperaturze, jest odporny na szok termiczny i nie reaguje łatwo ze stopionymi metalami nieżelaznymi.

Mikrostruktura wyjaśnia wiele z wydajności. Azotek krzemu występuje w dwóch postaciach krystalograficznych, alfa i beta. Podczas spiekania faza alfa przekształca się w fazę beta, która rośnie w postaci wydłużonych, igiełkowatych ziaren. Ziarna te splatają się niczym filc i to właśnie ta sieć nadaje ceramice z azotku krzemu jej wytrzymałość: pochłaniają one energię, zamiast rozbijać się tak, jak robi to gruba lub szklista ceramika.

Właściwości, które mają największe znaczenie w obsłudze przemysłowej to:

• Wytrzymałość na zginanie wynosi zazwyczaj od 600 do 1200 MPa, w zależności od gatunku
• Odporność na pękanie jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż w przypadku ceramiki z tlenku glinu
• Gęstość około 3,2 grama na centymetr sześcienny, znacznie poniżej stali
• Niska rozszerzalność cieplna i doskonała odporność na szok termiczny
• Obojętność chemiczna wobec większości kwasów, soli i stopionych metali nieżelaznych
• Wysoka oporność elektryczna, przydatna w pobliżu elementów grzejnych
• Bardzo niska zwilżalność przez roztopione aluminium

Ta ostatnia właściwość zasługuje na podkreślenie. Ceramika, której nie można zamoczyć, pozostaje czysta, zachowuje swoje wymiary i nie wciąga tlenków ani rozpuszczonych pierwiastków do odlewu. Jest to najważniejszy powód, dla którego ceramika z azotku krzemu wyparła wcześniejsze materiały w urządzeniach do odgazowywania i przenoszenia.

Trasy produkcyjne i dlaczego klasa ma znaczenie

„Ceramika z azotku krzemu” nie jest jednym materiałem. W zależności od kształtu proszku, ilości dodanego środka spiekającego i sposobu zagęszczenia części, przy zastosowaniu tego samego składu chemicznego można uzyskać porowaty, niedrogi komponent ogniotrwały lub prawie całkowicie gęstą ceramikę strukturalną, która przetrwa lata w komorze odlewniczej.

1. Azotek krzemu związany reakcją (RBSN): azot reaguje z krzemową preformą, tworząc porowaty, ale stabilny wymiarowo korpus, który wymaga niewielkiej obróbki mechanicznej.
2. Spiekany azotek krzemu (numer SSN): spiekanie bezciśnieniowe z dodatkami tlenkowymi, takimi jak tlenek itru, tlenek glinu lub tlenek magnezu.
3. Spiekany azotek krzemu pod ciśnieniem gazu (GPSN): wysokie ciśnienie azotu hamuje rozkład i zwiększa gęstość powyżej 99 procent.
4. Tłoczony na gorąco azotek krzemu (HPSN): jednoosiowe ciśnienie podczas zagęszczania zapewnia najwyższą wytrzymałość, ale ogranicza części do prostych kształtów.
5. Spiekany azotek krzemu związany reakcją (SRBSN): metoda hybrydowa rozpoczynająca się od wiązania reakcyjnego i kończąca się spiekaniem.

Dodatki do spiekania są tak samo ważne jak trasa. Promują zagęszczanie, tworząc cienką szklistą fazę na granicach ziaren, a skład tej fazy decyduje o tym, jak materiał zachowuje się w trakcie użytkowania: dobrze zaprojektowany system utrzymuje granice odporne na pełzanie, podczas gdy słaby mięknie w temperaturze.

Napisaliśmy krok po kroku notatkę techniczną na temat proces wytwarzania ceramiki z azotku krzemu jeśli chcesz głębiej zagłębić się w przygotowanie proszku, kształtowanie, spiekanie i kontrolę.

Dlaczego ceramika z azotku krzemu wyróżnia się w roztopionym aluminium

Aluminium jest bardziej agresywne niż się wydaje. W temperaturze 700–750 stopni Celsjusza stopiony materiał redukuje wiele tlenków, zwilża większość materiałów ogniotrwałych i reaguje z żelazem, krzemem i tlenem na powierzchni wszystkiego, czego dotknie. Składnik reagujący ze stopionym materiałem nie ulega po prostu zużyciu; zmienia chemię metalu i tworzy wtrącenia, które nie spełniają wymagań odlewów podczas kontroli końcowej.

Ceramika z azotku krzemu zachowywać się inaczej. Ich niska zwilżalność oznacza, że ​​aluminium spływa zamiast przylegać, dzięki czemu wirniki i rury zachowują swoją geometrię. Ich obojętność chemiczna oznacza, że ​​stop pozostaje czysty. Ich odporność na szok termiczny oznacza, że ​​rurkę zabezpieczającą przed zimnem można umieścić bezpośrednio w gorącym piecu bez konieczności powolnego rytuału wstępnego podgrzewania, który pochłania całą zmianę.

Typowe komponenty hot-end wykonane z ceramiki azotku krzemu obejmują:

• Odgazowanie i rafinacja wirników do usuwania wodoru i wtrąceń
• Rury wznośne i łodygi do odlewania pod niskim ciśnieniem i przenoszenia metalu
• Pręty zatyczkowe i elementy zaworów do kontroli przepływu
• Rurki zabezpieczające nagrzewnicę i rurki zabezpieczające termoparę
• Okładziny płuczek, rury topnikowe, drążki sterujące i części pomp

Wirniki odgazowujące pokazują, jak duże znaczenie ma materiał. Wirnik wiruje z prędkością kilkuset obrotów na minutę, gdy jest częściowo zanurzony, rozbijając strumień gazu na drobne pęcherzyki, które usuwają wodór ze stopu. Musi tolerować zanurzenie, gwałtowne mieszanie i tysiące cykli ogrzewania i chłodzenia bez utraty równowagi lub wrzucania cząstek do metalu.

Ceramiczny wirnik odgazowujący z azotku krzemu SG-28 W porównaniu z wirnikami grafitowymi, ceramiczny wirnik odgazowujący z azotku krzemu SG-28 nie ulega utlenieniu w wysokiej temperaturze, dzięki czemu nie zanieczyszcza stopionego aluminium i... Zobacz produkt →

Odlewanie aluminium i odlewanie ciśnieniowe to dwa obszary zastosowań, w przypadku których widzimy największe zapotrzebowanie i ta sama logika materiałowa obowiązuje na całej drodze od pieca do topienia do formy.

Dopasowywanie komponentów do każdego stopnia gorącego końca

Gdy odlewnia zdecyduje się przenieść element na ceramikę z azotku krzemu, następnym pytaniem jest, jaki gatunek i jaka konstrukcja będzie odpowiednia do tego zadania. Odpowiedź zwykle jest zgodna z sekwencją procesu.

Odgazowanie i rafinacja

Wirniki, rury topnikowe i pręty sterujące pracują w najbardziej burzliwej części procesu. Wymagają maksymalnej wytrzymałości i odporności na szok termiczny, dlatego w pełni gęste gatunki są normą. Grubość ścianki, konstrukcja gwintu i sposób mocowania wirnika do wału mają tak samo znaczenie jak sam materiał, ponieważ wirnik, który ulegnie uszkodzeniu w połączeniu, nigdy nie ma szansy udowodnić swojej odporności na zużycie.

Filtracja

Dokładna filtracja usuwa ostatnie wtrącenia, zanim metal dotrze do formy. Ceramiczne elementy filtra muszą łączyć przepuszczalność z wystarczającą wytrzymałością, aby przetrwać obsługę, wstępne podgrzewanie i ciśnienie w pełnej pralce. Geometria rury jest szczególnie skuteczna tam, gdzie powierzchnia podłogi jest ograniczona, a stop musi być czyszczony w kompaktowym, wymiennym urządzeniu.

Precyzyjny filtr rurowy SMF-02 Ponieważ przemysł odlewów aluminiowych stoi przed coraz bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi czystości stopionego aluminium, a także rosnącymi wymaganiami w zakresie wysokiej klasy produkcji i ochrony środowiska... Zobacz produkt →

Ogrzewanie i kontrola temperatury

Grzałki zanurzeniowe i ich rury zewnętrzne pracują w sposób ciągły w kąpieli z ciekłego aluminium. Rura ceramiczna musi skutecznie przewodzić ciepło, nie reagując ze stopionym materiałem i musi być odporna na gradienty termiczne powstające przy zmianie poziomu kąpieli. Rurki ochronne do termopar pracują w tym samym środowisku, jednocześnie wymagając ściślejszej kontroli wymiarów, ponieważ kilka dziesiątych milimetra może zmienić czas reakcji czujnika.

SG-28 Ceramiczna rurka zabezpieczająca grzejnik z azotku krzemu Ceramiczna rura ochronna grzejnika z azotku krzemu SG-28 ma dużą odporność na wysoką temperaturę, korozję i szok termiczny w roztopionym aluminium. Może wytrzymać h... Zobacz produkt →

Transfer, kontrola przepływu i odlewanie

Rury wznośne, pręty zatyczkowe, pręty sterujące i części pomp tworzą instalację wodno-kanalizacyjną odlewni. Priorytetami są tutaj dokładność wymiarowa, odporność na erozję otworu i zdolność przetrwania powtarzających się cykli termicznych bez pękania kołnierza. Ponieważ części te są często duże, wybór ścieżki produkcyjnej ma bezpośredni wpływ zarówno na koszt, jak i czas dostawy.

Jak ocenić dostawcę ceramiki z azotku krzemu

Azotek krzemu jest trudny do dobrego wykonania, a różnica między dobrą częścią a przeciętną zwykle pojawia się po sześciu miesiącach użytkowania, a nie na rysunku. Kiedy klienci proszą nas o wycenę oferty istniejącego dostawcy, sugerujemy porównanie pod kilkoma praktycznymi względami.

1. Zapytaj, jaki stopień jest oferowany i dlaczego. Jest mało prawdopodobne, aby dostawca, który nie potrafi wyjaśnić różnicy pomiędzy korpusem spiekanym bezciśnieniowo a korpusem spiekanym pod ciśnieniem gazu, kontrolował tę różnicę w produkcji.
2. Zapytaj o kontrolę wymiarową. Gwinty wirnika, otwory rurowe i powierzchnie kołnierzy muszą być odpowiednie, ponieważ części ceramicznej nie można wyregulować na miejscu.
3. Poproś o dane testowe, a nie przymiotniki. Wyniki wytrzymałości, gęstości i szoku termicznego powinny pochodzić z określonej metody badawczej.
4. Sprawdź model dostawy. Wymiana ceramiki eksploatacyjnej odbywa się zgodnie z harmonogramem, dzięki czemu czas realizacji i możliwość utrzymania stanu magazynowego odpowiada cenie jednostkowej.
5. Przyjrzyj się, komu jeszcze służy ten dostawca. Producent specjalizujący się w gorących końcówkach z aluminium i innych metali nieżelaznych zrozumie Twój proces i tryby awarii.

W SGJL produkujemy azotek krzemu i powiązane materiały ceramiczne w zakładzie o powierzchni 20 000 metrów kwadratowych i wysyłamy produkty do klientów w ponad trzydziestu krajach, a naszym głównym rynkiem są odlewy aluminiowe i odlewy ciśnieniowe. Nasze rodziny produktów obejmują azotek krzemu SG-28, OS-11 O'Sialon, tytanian aluminium TA-03, wysokowydajne grzałki zanurzeniowe, korundowe kule magazynujące ciepło i całkowicie ceramiczne części pomp.

Ceramika z azotku krzemu nie jest uniwersalną odpowiedzią i nigdy nie sugerowalibyśmy zastępowania nią każdego materiału ogniotrwałego w odlewni. Jednak tam, gdzie w grę wchodzi roztopione aluminium, gdzie części przedwcześnie ulegają awariom lub zanieczyszczają stopiony materiał, a także gdzie okresy konserwacji są krótkie, koszty te stale się zwracają. Jeśli zastanawiasz się nad zmianą wirnika, rury pionowej lub rury zabezpieczającej grzałkę, chętnie omówimy Twój cykl pracy i polecimy gatunek, który do niego pasuje.