Người hùng thầm lặng của kim loại chất lượng cao: Rotor khử khí silicon Nitride

Vấn đề về độ tinh khiết trong đúc kim loại

Hãy tưởng tượng chế tạo một vật thể hoàn hảo—một bộ phận nhẹ của ô tô, một bộ phận hàng không vũ trụ hoàn hảo hoặc thậm chí là một thiết bị y tế quan trọng. Nếu bạn bắt đầu với một vật liệu bị lỗi, sản phẩm cuối cùng chắc chắn sẽ thất bại. Đây là thách thức trong đúc kim loại , đặc biệt với các vật liệu như nhôm .

Nhôm, kim loại kỳ diệu được biết đến với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng, gây ra một vấn đề lớn trong luyện kim: nó thích hấp thụ hydro khi nóng chảy. Điều này xảy ra dễ dàng—từ hơi ẩm trong không khí, dụng cụ ướt hoặc thậm chí là oxit bề mặt. Hydro hòa tan nhiều trong nhôm lỏng, nhưng khi kim loại nguội đi và đông đặc lại, hydro bị đẩy ra mạnh mẽ, tạo thành các túi hoặc khoảng trống nhỏ gọi là độ xốp .

Tại sao độ xốp là kẻ thù

Độ xốp là kẻ thù không đội trời chung của chất lượng kim loại. Những bong bóng khí cực nhỏ này làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của kim loại:

• Cấu trúc suy yếu: Độ xốp làm giảm tổng thể độ bền kéo và cuộc sống mệt mỏi của vật đúc, làm cho phần cuối cùng dễ bị nứt và hư hỏng.
• Rò rỉ: Đối với các bộ phận được thiết kế để giữ áp suất (như khối động cơ hoặc máy bơm), độ xốp tạo ra đường rò rỉ chất lỏng.
• Bề mặt hoàn thiện kém: Khi bề mặt được gia công, những khoảng trống này hiện lên dưới dạng những lỗ kim nhỏ, làm mất đi tính thẩm mỹ và tính nguyên vẹn của sản phẩm.

Để tạo ra vật đúc có độ toàn vẹn cao, không có khuyết tật, hydro hòa tan này phải được loại bỏ, một quá trình được gọi là khử khí .

Giải pháp khử khí quay

Phương pháp hiệu quả nhất và được áp dụng rộng rãi để tinh chế kim loại nóng chảy ở quy mô công nghiệp là khử khí quay . Quá trình khéo léo này hoạt động dựa trên nguyên tắc đơn giản là trao đổi khí và tuyển nổi.

Các thành phần chính của hệ thống khử khí quay là một trục và một thiết bị được thiết kế đặc biệt. cánh quạt , được hạ xuống kim loại nóng chảy. Một loại khí trơ, thường argon hoặc nitơ , được bơm xuống trục và thoát ra qua rôto.

Công việc của rôto có hai phần:

1. Cắt khí: Sự quay của rôto phá vỡ một cách mạnh mẽ các dòng khí trơ lớn thành một số lượng lớn bong bóng nhỏ, phân tán mịn .
2. Trộn tan chảy: Hành động quay tròn giúp luân chuyển các bong bóng một cách đồng đều trong toàn bộ bồn tắm nóng chảy.

Khi những bong bóng khí trơ nhỏ xíu này nổi lên qua nhôm lỏng, các nguyên tử hydro hòa tan sẽ khuếch tán ra khỏi kim loại nóng chảy và đi vào trong bong bóng, do sự chênh lệch áp suất riêng phần. Các bong bóng, lúc này mang theo hydro, cũng như các tạp chất phi kim loại (được gọi là tạp chất hoặc cặn) bám vào bề mặt của chúng, nổi lên trên bề mặt tan chảy và được hớt đi. Các bong bóng càng nhỏ và càng nhiều thì tổng diện tích bề mặt hấp thụ hydro càng lớn, dẫn đến quá trình thanh lọc nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Sức mạnh của rôto khử khí Sĩlicon Nitrua

Đây là nơi ngôi sao của câu chuyện của chúng tôi, Rotor khử khí silicon Nitride , bước vào. Vận hành một rôto bằng nhôm nóng chảy—có thể lên tới $750^{\circ }\text{C}$ ( $1380^{\circ }\text{F}$ ) hoặc cao hơn—là một trong những công việc đòi hỏi khắt khe nhất trong xưởng đúc. Rôto phải chịu các điều kiện khắc nghiệt:

• Sốc nhiệt: Thay đổi nhiệt độ nhanh chóng khi di chuyển vào và ra khỏi khối nóng chảy.
• Tấn công hóa học: Tiếp xúc với kim loại nóng chảy phản ứng và chất trợ dung.
• Xói mòn cơ học: Sự mài mòn liên tục do dòng chảy của kim loại nóng chảy và các tạp chất phi kim loại.

Các cánh quạt ban đầu làm bằng vật liệu như than chì thường bị mài mòn nhanh chóng, mất hiệu quả nhanh chóng và làm nhiễm bẩn chất tan chảy bởi các hạt carbon.

Silicon Nitride: Một vật liệu kỳ diệu

Silicon Nitride ( ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ ) là một hiệu suất cao gốm sứ cao cấp đã cách mạng hóa quá trình khử khí. Đặc tính vật liệu của nó khiến nó trở thành sự kết hợp hoàn hảo cho môi trường khắc nghiệt này:

• Độ cứng đặc biệt: Silicon nitride cực kỳ cứng, mang lại cho nó khả năng chống chịu tuyệt vời xói mòn và mài mòn . Điều này có nghĩa là rô-to duy trì hình dạng hình học chính xác lâu hơn, đảm bảo luôn có các bọt khí nhỏ, hiệu suất cao trong suốt thời gian sử dụng.
• Khả năng chống sốc nhiệt vượt trội: Nó có thể xử lý sự thay đổi nhiệt độ lớn trong quá trình đúc mà không bị nứt hoặc hỏng hóc, dẫn đến tuổi thọ dài hơn và ít thời gian ngừng hoạt động hơn.
• Độ trơ hóa học: Không giống như than chì, silicon nitride trơ về mặt hóa học và không phản ứng với nhôm nóng chảy, ngăn ngừa ô nhiễm và duy trì độ tinh khiết của nhôm nóng chảy.

Bằng cách sử dụng một Rotor khử khí silicon Nitride , các xưởng đúc có thể đạt được chất lượng đúc nhôm cao hơn nhiều với hàm lượng hydro thấp hơn, giảm tạp chất và cuối cùng là quy trình sản xuất đáng tin cậy hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Nó là một thành phần quan trọng—một mảnh nhỏ, quay tròn của kỹ thuật tiên tiến—giúp cho việc đúc kim loại hiệu suất cao có thể thực hiện được.