Gốm sứ Silicon Nitride: Tính chất, chủng loại và công dụng của chúng trong đúc nhôm

Gốm sứ silicon nitrit là vật liệu mà nhiều kỹ sư hướng tới khi thép, than chì và vật liệu chịu lửa thông thường không còn trụ được nữa. Khi kim loại nóng chảy, chu kỳ nhiệt nhanh và mài mòn gặp nhau, silicon nitride (Si3N4) mang đến sự kết hợp hiếm có giữa độ bền, khả năng chịu sốc nhiệt và độ ổn định hóa học, và đó chính xác là lý do tại sao nó trở thành một hình ảnh quen thuộc trong đúc nhôm và đúc khuôn dụng cụ nóng.

Nhóm của chúng tôi đã làm việc với gốm silicon nitride trong hơn 20 năm, từ khâu lựa chọn bột cho đến rôto, ống nâng hoặc ống bảo vệ bộ sưởi thành phẩm. Trong hướng dẫn này, chúng tôi chia sẻ những gì kinh nghiệm đó đã dạy chúng tôi về bản thân vật liệu, các loại có sẵn và các câu hỏi thực tế nảy sinh khi một xưởng đúc quyết định chuyển một bộ phận bị mòn sang gốm.

Gốm sứ Silicon Nitride là gì?

Silicon nitride là hợp chất của silicon và nitơ. Liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ của nó mang lại cho nó những đặc tính mà kim loại và hầu hết gốm oxit không thể sánh được: nó cứng ở nhiệt độ cao, chống sốc nhiệt và không dễ phản ứng với kim loại màu nóng chảy.

Cấu trúc vi mô giải thích phần lớn hiệu suất. Silicon nitride tồn tại ở hai dạng tinh thể là alpha và beta. Trong quá trình thiêu kết, pha alpha chuyển thành beta, phát triển thành các hạt thon dài, hình kim. Những hạt này lồng vào nhau như nỉ và mạng lưới đó mang lại độ dẻo dai cho gốm silicon nitride: chúng hấp thụ năng lượng thay vì vỡ vụn như gốm thô hoặc thủy tinh.

Các tài sản quan trọng nhất trong dịch vụ công nghiệp bao gồm:

• Độ bền uốn thường từ 600 đến 1.200 MPa, tùy thuộc vào cấp
• Độ bền gãy gần gấp đôi so với gốm alumina
• Mật độ khoảng 3,2 gram trên mỗi cm khối, thấp hơn nhiều so với thép
• Độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời
• Độ trơ hóa học đối với hầu hết các axit, muối và kim loại màu nóng chảy
• Điện trở suất cao, hữu ích gần các bộ phận làm nóng
• Độ thấm ướt rất thấp bởi nhôm nóng chảy

Tính chất cuối cùng đó đáng được nhấn mạnh. Gốm nung chảy không bị ướt vẫn sạch, giữ nguyên kích thước và không kéo theo oxit hoặc các nguyên tố hòa tan vào vật đúc. Đó là lý do lớn nhất khiến gốm silicon nitride thay thế các vật liệu trước đây trong thiết bị khử khí và chuyển giao.

Lộ trình sản xuất và tại sao cấp bậc lại quan trọng

"Gốm silicon nitride" không phải là một vật liệu. Tùy thuộc vào cách tạo hình bột, lượng chất hỗ trợ thiêu kết được thêm vào và mức độ cô đặc của bộ phận, cùng một chất hóa học có thể tạo ra thành phần cấp độ chịu lửa xốp, rẻ tiền hoặc gốm có cấu trúc gần như dày đặc tồn tại nhiều năm trong tế bào đúc khuôn.

1. Silicon nitride liên kết phản ứng (RBSN): nitơ phản ứng với phôi silicon, tạo ra thân xốp nhưng ổn định về kích thước và cần ít gia công.
2. Silicon nitride thiêu kết (SSN): thiêu kết không áp suất với các chất phụ gia oxit như yttria, alumina hoặc magie.
3. Silicon nitride thiêu kết áp suất khí (GPSN): áp suất nitơ cao ngăn chặn sự phân hủy và đẩy mật độ lên trên 99%.
4. Silicon nitride ép nóng (HPSN): áp suất một trục trong quá trình cô đặc mang lại độ bền cao nhất nhưng hạn chế các bộ phận có hình dạng đơn giản.
5. Silicon nitride liên kết phản ứng thiêu kết (SRBSN): một lộ trình lai bắt đầu từ liên kết phản ứng và kết thúc bằng quá trình thiêu kết.

Các chất phụ gia thiêu kết cũng quan trọng như lộ trình. Chúng thúc đẩy quá trình cô đặc bằng cách hình thành một pha thủy tinh mỏng ở các ranh giới hạt và thành phần của pha đó quyết định cách vật liệu hoạt động khi sử dụng: một hệ thống được thiết kế tốt sẽ giữ cho các ranh giới có khả năng chống rão, trong khi một hệ thống kém sẽ mềm đi ở nhiệt độ.

Chúng tôi đã viết một ghi chú kỹ thuật từng bước về quy trình sản xuất gốm sứ silicon nitride nếu bạn muốn đi sâu hơn vào việc chuẩn bị, tạo hình, thiêu kết và kiểm tra bột.

Tại sao gốm sứ Silicon Nitride lại nổi trội trong nhôm nóng chảy

Nhôm hung dữ hơn vẻ ngoài của nó. Ở nhiệt độ 700 đến 750 độ C, chất tan chảy làm giảm nhiều oxit, làm ướt hầu hết các vật liệu chịu lửa và phản ứng với sắt, silicon và oxy trên bề mặt của bất cứ thứ gì nó chạm vào. Một bộ phận phản ứng với sự tan chảy không chỉ bị hao mòn; nó làm thay đổi tính chất hóa học của kim loại và tạo ra các tạp chất không thể đúc được ở lần kiểm tra cuối cùng.

Gốm sứ silicon nitrit cư xử khác đi. Khả năng thấm ướt thấp của chúng có nghĩa là nhôm sẽ chảy ra thay vì bám vào, vì vậy rôto và ống vẫn giữ nguyên hình dạng. Tính trơ hóa học của chúng có nghĩa là chất tan chảy luôn sạch. Khả năng chống sốc nhiệt của chúng có nghĩa là ống bảo vệ lạnh có thể đi thẳng vào lò nóng mà không cần thực hiện quá trình làm nóng sơ bộ chậm chạp, ảnh hưởng đến ca làm việc.

Các thành phần nóng điển hình được làm từ gốm silicon nitrit bao gồm:

• Rôto khử khí và tinh chế để loại bỏ hydro và tạp chất
• Ống đứng và ống cuống để đúc áp suất thấp và chuyển kim loại
• Thanh chặn và các bộ phận van để kiểm soát dòng chảy
• Ống bảo vệ lò sưởi và ống bảo vệ cặp nhiệt điện
• Lớp lót giặt, ống trợ dung, thanh điều khiển và các bộ phận máy bơm

Cánh quạt khử khí cho thấy mức độ quan trọng của vật liệu. Một rôto quay với tốc độ vài trăm vòng mỗi phút khi ngập nước một phần, phá vỡ dòng khí thành các bong bóng mịn giúp loại bỏ hydro khỏi chất tan chảy. Nó phải chịu đựng được việc ngâm, khuấy mạnh và hàng nghìn chu kỳ làm nóng và làm mát mà không làm mất cân bằng hoặc làm rơi các hạt vào kim loại.

Rotor khử khí bằng gốm Silicon Nitride SG-28 So với rôto than chì, rôto khử khí bằng gốm silicon nitride SG-28 không bị oxy hóa ở trạng thái nhiệt độ cao nên không gây ô nhiễm nhôm nóng chảy và... Xem sản phẩm →

Đúc nhôm và đúc chết là hai lĩnh vực ứng dụng mà chúng tôi thấy có nhu cầu mạnh nhất và logic vật liệu giống nhau chạy từ lò nấu chảy đến khuôn.

Kết hợp các thành phần với từng bước của Hot End

Khi một xưởng đúc quyết định chuyển một bộ phận sang gốm silicon nitride, câu hỏi tiếp theo là loại nào và thiết kế nào phù hợp với nhiệm vụ. Câu trả lời thường tuân theo trình tự quy trình.

Khử khí và tinh chế

Rotor, ống thông lượng và thanh điều khiển hoạt động ở phần hỗn loạn nhất của quy trình. Chúng cần độ bền tối đa và khả năng chống sốc nhiệt, vì vậy các lớp hoàn toàn dày đặc là tiêu chuẩn. Độ dày thành, thiết kế ren và cách rôto được kẹp vào trục cũng quan trọng như bản thân vật liệu, bởi vì rôto bị hỏng ở khớp sẽ không bao giờ có cơ hội chứng minh khả năng chống mài mòn của nó.

Lọc

Quá trình lọc tinh sẽ loại bỏ các tạp chất cuối cùng trước khi kim loại chạm tới khuôn. Các phần tử lọc bằng gốm phải kết hợp tính thấm với đủ độ bền để tồn tại khi xử lý, làm nóng trước và áp suất của quá trình giặt hoàn toàn. Hình dạng ống đặc biệt hiệu quả khi không gian sàn bị hạn chế và chất tan chảy phải được làm sạch trong một thiết bị nhỏ gọn, có thể thay thế.

Bộ lọc ống chính xác SMF-02 Khi ngành công nghiệp đúc nhôm phải đối mặt với những yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về độ tinh khiết của nhôm nóng chảy, cùng với nhu cầu ngày càng tăng về sản xuất cao cấp và môi trường... Xem sản phẩm →

Kiểm soát nhiệt độ và sưởi ấm

Bộ gia nhiệt ngâm và các ống bên ngoài của chúng hoạt động liên tục trong bể nhôm lỏng. Ống gốm phải dẫn nhiệt hiệu quả mà không phản ứng với chất nóng chảy và nó phải chống lại sự chênh lệch nhiệt được tạo ra khi mực nước trong bể thay đổi. Các ống bảo vệ dành cho cặp nhiệt điện phải đối mặt với cùng một môi trường nhưng vẫn yêu cầu kiểm soát kích thước chặt chẽ hơn vì một vài phần mười milimet có thể thay đổi thời gian phản hồi của cảm biến.

SG-28 Ống bảo vệ lò sưởi gốm Silicon Nitride Ống bảo vệ lò sưởi bằng gốm silicon nitride SG-28 có khả năng chống chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và sốc nhiệt bằng nhôm nóng chảy. Nó có thể chịu được ... Xem sản phẩm →

Chuyển, kiểm soát dòng chảy và đúc

Ống nâng, thanh chặn, thanh điều khiển và các bộ phận máy bơm tạo thành hệ thống ống nước của xưởng đúc. Ở đây ưu tiên là độ chính xác về kích thước, khả năng chống xói mòn ở lỗ khoan và khả năng tồn tại trong các chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại mà không bị nứt ở mặt bích. Bởi vì những bộ phận này thường có kích thước lớn nên việc lựa chọn lộ trình sản xuất có ảnh hưởng trực tiếp đến cả chi phí và thời gian giao hàng.

Cách đánh giá nhà cung cấp gốm sứ Silicon Nitride

Silicon nitride rất khó để chế tạo tốt và sự khác biệt giữa một bộ phận tốt và một bộ phận tầm thường thường xuất hiện sau sáu tháng sử dụng chứ không phải trên bản vẽ. Khi khách hàng yêu cầu chúng tôi báo giá với một nhà cung cấp hiện tại, chúng tôi khuyên họ nên so sánh trên một số điểm thực tế.

1. Hỏi lớp nào đang được cung cấp và tại sao. Một nhà cung cấp không thể giải thích sự khác biệt giữa thân thiêu kết không áp suất và thân thiêu kết áp suất khí sẽ khó có thể kiểm soát được sự khác biệt đó trong sản xuất.
2. Hỏi về kiểm soát kích thước. Ren rôto, lỗ ống và mặt bích phải chính xác vì bộ phận gốm không thể điều chỉnh được tại chỗ.
3. Yêu cầu dữ liệu thử nghiệm hơn là tính từ. Các kết quả về độ bền, mật độ và sốc nhiệt phải đến từ một phương pháp thử nghiệm xác định.
4. Kiểm tra mô hình giao hàng. Đồ gốm tiêu dùng được thay thế theo lịch trình, do đó thời gian thực hiện và khả năng giữ hàng cũng quan trọng như đơn giá.
5. Hãy xem nhà cung cấp còn phục vụ ai nữa. Một nhà sản xuất tập trung vào nhôm và các đầu gia công kim loại màu khác sẽ hiểu quy trình và các dạng hư hỏng của bạn.

Tại SGJL, chúng tôi sản xuất silicon nitride và các vật liệu gốm liên quan trong một cơ sở rộng 20.000 mét vuông và giao hàng cho khách hàng ở hơn 30 quốc gia, với ngành công nghiệp đúc nhôm và đúc khuôn là thị trường cốt lõi của chúng tôi. Các dòng sản phẩm của chúng tôi bao gồm SG-28 silicon nitride, OS-11 O'Sialon, nhôm titanate TA-03, máy sưởi ngâm hiệu suất cao, quả bóng lưu trữ nhiệt corundum và các bộ phận bơm hoàn toàn bằng gốm.

Gốm sứ silicon nitrit không phải là câu trả lời phổ biến và chúng tôi không bao giờ đề xuất thay thế mọi vật liệu chịu lửa trong xưởng đúc bằng chúng. Nhưng khi có liên quan đến nhôm nóng chảy, nơi các bộ phận bị hỏng sớm hoặc làm nhiễm bẩn chất nóng chảy và khi thời gian bảo trì ngắn, chúng luôn phải tự chi trả. Nếu bạn đang cân nhắc việc thay đổi rôto, ống nâng hoặc ống bảo vệ bộ sưởi, chúng tôi rất vui được trao đổi về chu kỳ hoạt động của bạn và đề xuất cấp độ phù hợp với nó.