Ceramiche al nitruro di silicio: proprietà, tipi e loro utilizzo nella fusione di alluminio

La ceramica al nitruro di silicio è il materiale a cui molti ingegneri ricorrono quando l'acciaio, la grafite e i materiali refrattari convenzionali non reggono più. Laddove metallo fuso, cicli termici rapidi e usura abrasiva si incontrano, il nitruro di silicio (Si3N4) offre una rara combinazione di resistenza, tolleranza agli shock termici e stabilità chimica, ed è esattamente il motivo per cui è diventato uno spettacolo familiare negli utensili hot-end di fusione e pressofusione dell'alluminio.

Il nostro team lavora con le ceramiche al nitruro di silicio da più di vent'anni, dalla selezione della polvere fino al rotore finito, al tubo montante o al tubo di protezione del riscaldatore. In questa guida condividiamo ciò che quell'esperienza ci ha insegnato sul materiale stesso, sui gradi disponibili e sulle domande pratiche che sorgono quando una fonderia decide di trasferire un componente usurato sulla ceramica.

Cosa sono le ceramiche al nitruro di silicio?

Il nitruro di silicio è un composto di silicio e azoto. I suoi forti legami covalenti gli conferiscono proprietà che i metalli e la maggior parte delle ceramiche a base di ossido non possono eguagliare: rimane duro alle alte temperature, resiste allo shock termico e non reagisce prontamente con i metalli non ferrosi fusi.

La microstruttura spiega gran parte delle prestazioni. Il nitruro di silicio esiste in due forme cristallografiche, alfa e beta. Durante la sinterizzazione la fase alfa si converte in beta, che cresce sotto forma di granuli allungati e aghiformi. Quei grani si intrecciano come il feltro, e quella rete è ciò che conferisce alle ceramiche al nitruro di silicio la loro tenacità: assorbono energia invece di frantumarsi come fanno le ceramiche grossolane o vetrose.

Le proprietà che contano di più nel servizio industriale includono:

• Resistenza alla flessione tipicamente compresa tra 600 e 1.200 MPa, a seconda del grado
• Resistenza alla frattura circa doppia rispetto a quella delle ceramiche di allumina
• Densità intorno ai 3,2 grammi per centimetro cubo, ben al di sotto dell'acciaio
• Bassa dilatazione termica ed eccellente resistenza agli shock termici
• Inerzia chimica contro la maggior parte degli acidi, sali e metalli non ferrosi fusi
• Elevata resistività elettrica, utile in prossimità di elementi riscaldanti
• Bassissima bagnabilità da parte dell'alluminio fuso

Quest'ultima proprietà merita di essere sottolineata. Una ceramica che il fuso non può bagnare rimane pulita, mantiene le sue dimensioni e non trascina nel getto ossidi o elementi disciolti. È il motivo principale per cui la ceramica al nitruro di silicio ha sostituito i materiali precedenti nelle apparecchiature di degasaggio e trasferimento.

Percorsi di produzione e perché la qualità è importante

La "ceramica al nitruro di silicio" non è un materiale. A seconda di come viene modellata la polvere, della quantità di ausiliari di sinterizzazione aggiunti e di come la parte viene densificata, la stessa chimica può produrre un componente poroso ed economico di grado refrattario o una ceramica strutturale quasi completamente densa che sopravvive per anni in una cella di pressofusione.

1. Nitruro di silicio legato a reazione (RBSN): l'azoto reagisce con una preforma di silicio, dando un corpo poroso ma dimensionalmente stabile che necessita di poca lavorazione.
2. Nitruro di silicio sinterizzato (SSN): sinterizzazione senza pressione con additivi di ossido come ittrio, allumina o magnesia.
3. Nitruro di silicio sinterizzato (GPSN) a pressione di gas: l'elevata pressione di azoto sopprime la decomposizione e spinge la densità oltre il 99%.
4. Nitruro di silicio pressato a caldo (HPSN): la pressione uniassiale durante la densificazione conferisce la massima resistenza ma limita le parti a forme semplici.
5. Nitruro di silicio legato a reazione sinterizzato (SRBSN): un percorso ibrido che inizia dal legame a reazione e termina con la sinterizzazione.

Gli additivi per la sinterizzazione contano tanto quanto il percorso. Promuovono la densificazione formando una sottile fase vetrosa ai bordi dei grani, e la composizione di quella fase decide come si comporta il materiale in servizio: un sistema ben progettato mantiene i bordi resistenti allo scorrimento viscoso, mentre uno scadente si rammollisce alla temperatura.

Abbiamo scritto una nota tecnica dettagliata sul processo di produzione della ceramica al nitruro di silicio se desideri approfondire la preparazione, la modellatura, la sinterizzazione e l'ispezione delle polveri.

Perché la ceramica al nitruro di silicio eccelle nell'alluminio fuso

L’alluminio è più aggressivo di quanto sembri. A una temperatura compresa tra 700 e 750 gradi Celsius la fusione riduce molti ossidi, bagna la maggior parte dei materiali refrattari e reagisce con ferro, silicio e ossigeno sulla superficie di qualunque cosa tocchi. Un componente che reagisce con la massa fusa non si usura semplicemente; cambia la chimica del metallo e crea inclusioni che falliscono le fusioni all'ispezione finale.

Ceramiche al nitruro di silicio comportarsi diversamente. La loro bassa bagnabilità fa sì che l'alluminio fuoriesca invece di aderire, quindi i rotori e i tubi mantengono la loro geometria. La loro inerzia chimica fa sì che la massa fusa rimanga pulita. La loro resistenza allo shock termico fa sì che un tubo di protezione dal freddo possa entrare direttamente in un forno caldo senza un lento rituale di preriscaldamento che compromette il turno.

I tipici componenti hot-end realizzati con ceramica al nitruro di silicio includono:

• Rotori di degasaggio e raffinazione per la rimozione dell'idrogeno e delle inclusioni
• Tubi montanti e tubi a stelo per colata a bassa pressione e trasferimento di metallo
• Aste di arresto e componenti di valvole per il controllo del flusso
• Tubi di protezione del riscaldatore e tubi di protezione della termocoppia
• Lavare rivestimenti, tubi di flusso, aste di controllo e parti di pompe

I rotori di degasaggio mostrano quanto conta il materiale. Un rotore gira a diverse centinaia di giri al minuto mentre è parzialmente immerso, rompendo il flusso di gas in bolle fini che rimuovono l'idrogeno dalla massa fusa. Deve tollerare l'immersione, l'agitazione violenta e migliaia di cicli di riscaldamento e raffreddamento senza perdere l'equilibrio o spargere particelle nel metallo.

Rotore di degasaggio ceramico al nitruro di silicio SG-28 Rispetto ai rotori in grafite, il rotore di degasaggio ceramico al nitruro di silicio SG-28 non è ossidato in condizioni di alta temperatura, quindi non inquina l'alluminio fuso e... Visualizza il prodotto →

Fusione e pressofusione di alluminio sono le due aree di applicazione in cui si riscontra la domanda più forte e la stessa logica del materiale corre dal forno fusorio allo stampo.

Componenti corrispondenti a ciascuna fase dell'hot end

Una volta che una fonderia decide di passare un componente alla ceramica al nitruro di silicio, la domanda successiva è quale qualità e quale design sono adatti al compito. La risposta di solito segue la sequenza del processo.

Degasaggio e raffinazione

I rotori, i tubi di flusso e le aste di controllo lavorano nella parte più turbolenta del processo. Necessitano della massima robustezza e resistenza agli shock termici, pertanto i gradi completamente densi sono la norma. Lo spessore delle pareti, il design della filettatura e il modo in cui il rotore è fissato all'albero sono importanti tanto quanto il materiale stesso, perché un rotore che si guasta nel giunto non ha mai la possibilità di dimostrare la sua resistenza all'usura.

Filtrazione

La filtrazione fine rimuove le ultime inclusioni prima che il metallo raggiunga lo stampo. Gli elementi filtranti in ceramica devono combinare permeabilità con resistenza sufficiente per sopravvivere alla manipolazione, al preriscaldamento e alla pressione di un lavaggio completo. La geometria del tubo è particolarmente efficace laddove lo spazio sul pavimento è limitato e la massa fusa deve essere pulita in un'unità compatta e sostituibile.

Filtro a tubo preciso SMF-02 Poiché l'industria della fusione dell'alluminio si trova ad affrontare requisiti sempre più rigorosi in termini di purezza dell'alluminio fuso, insieme alle crescenti richieste di produzione di fascia alta e rispetto dell'ambiente... Visualizza il prodotto →

Riscaldamento e controllo della temperatura

I riscaldatori a immersione e i loro tubi esterni funzionano continuamente in un bagno di alluminio liquido. Il tubo ceramico deve condurre il calore in modo efficiente senza reagire con la massa fusa e deve resistere ai gradienti termici creati quando il livello del bagno cambia. I tubi di protezione per termocoppie affrontano lo stesso ambiente ma richiedono un controllo dimensionale più rigoroso, perché pochi decimi di millimetro possono modificare il tempo di risposta del sensore.

Tubo di protezione del riscaldatore ceramico in nitruro di silicio SG-28 Il tubo di protezione del riscaldatore in ceramica al nitruro di silicio SG-28 ha una forte resistenza alle alte temperature, alla corrosione e allo shock termico nell'alluminio fuso. Può resistere alle h... Visualizza il prodotto →

Trasferimento, controllo del flusso e colata

Tubi montanti, aste di chiusura, aste di controllo e parti della pompa costituiscono l'impianto idraulico della fonderia. Qui le priorità sono l'accuratezza dimensionale, la resistenza all'erosione del foro e la capacità di sopravvivere a cicli termici ripetuti senza fessurarsi sulla flangia. Poiché queste parti sono spesso di grandi dimensioni, la scelta del percorso di produzione ha un effetto diretto sia sui costi che sui tempi di consegna.

Come valutare un fornitore di ceramica al nitruro di silicio

Il nitruro di silicio è difficile da produrre bene e la differenza tra un pezzo buono e uno mediocre di solito si vede dopo sei mesi di servizio piuttosto che sul disegno. Quando i clienti ci chiedono un preventivo rispetto a un fornitore storico, suggeriamo loro di confrontare alcuni punti pratici.

1. Chiedi quale grado viene offerto e perché. Un fornitore che non riesce a spiegare la differenza tra un corpo sinterizzato senza pressione e uno sinterizzato a pressione di gas difficilmente riuscirà a controllare tale differenza nella produzione.
2. Chiedi informazioni sul controllo dimensionale. Le filettature del rotore, i fori dei tubi e le superfici delle flange devono essere corretti, poiché una parte in ceramica non può essere regolata in loco.
3. Richiedi dati di test anziché aggettivi. I risultati di resistenza, densità e shock termico dovrebbero provenire da un metodo di prova definito.
4. Controlla il modello di consegna. Le ceramiche di consumo vengono sostituite secondo un programma, quindi i tempi di consegna e la capacità di tenere scorte sono importanti tanto quanto il prezzo unitario.
5. Guarda chi altro serve il fornitore. Un produttore specializzato nell'alluminio e in altri hotend non ferrosi comprenderà il tuo processo e le modalità di guasto.

In SGJL produciamo nitruro di silicio e relativi materiali ceramici in una struttura di 20.000 metri quadrati e spediamo a clienti in più di trenta paesi, con l'industria della fusione e della pressofusione dell'alluminio come mercato principale. Le nostre famiglie di prodotti includono nitruro di silicio SG-28, OS-11 O'Sialon, titanato di alluminio TA-03, riscaldatori a immersione ad alta efficienza, sfere di accumulo termico in corindone e parti di pompe interamente in ceramica.

Le ceramiche al nitruro di silicio non sono una risposta universale e non suggeriremmo mai di sostituire con esse tutti i materiali refrattari di una fonderia. Ma quando è coinvolto l’alluminio fuso, dove le parti si rompono presto o contaminano la fusione e dove le finestre di manutenzione sono brevi, i costi si ripagano costantemente. Se stai valutando una modifica su un rotore, un tubo montante o un tubo di protezione del riscaldatore, saremo lieti di illustrarti il ​​tuo ciclo di lavoro e consigliarti la qualità più adatta.