Cerámicas de nitruro de silicio: propiedades, tipos y su uso en la fundición de aluminio

Las cerámicas de nitruro de silicio son el material al que recurren muchos ingenieros cuando el acero, el grafito y los refractarios convencionales ya no resisten. Donde se encuentran el metal fundido, los ciclos térmicos rápidos y el desgaste abrasivo, el nitruro de silicio (Si3N4) ofrece una rara combinación de resistencia, tolerancia al choque térmico y estabilidad química, y es exactamente por eso que se ha convertido en una visión familiar en la fundición de aluminio y en las herramientas de extremo caliente de fundición a presión.

Nuestro equipo ha trabajado con cerámicas de nitruro de silicio durante más de veinte años, desde la selección del polvo hasta el rotor terminado, el tubo ascendente o el tubo de protección del calentador. En esta guía compartimos lo que esa experiencia nos ha enseñado sobre el material en sí, los grados disponibles y las preguntas prácticas que surgen cuando una fundición decide trasladar un componente desgastado a cerámica.

¿Qué son las cerámicas de nitruro de silicio?

El nitruro de silicio es un compuesto de silicio y nitrógeno. Sus fuertes enlaces covalentes le confieren propiedades que los metales y la mayoría de las cerámicas de óxido no pueden igualar: se mantiene duro a altas temperaturas, resiste el choque térmico y no reacciona fácilmente con metales no ferrosos fundidos.

La microestructura explica gran parte del desempeño. El nitruro de silicio existe en dos formas cristalográficas, alfa y beta. Durante la sinterización, la fase alfa se convierte en beta, que crece en forma de granos alargados en forma de agujas. Esos granos se entrelazan como fieltro, y esa red es lo que da dureza a las cerámicas de nitruro de silicio: absorben energía en lugar de romperse como lo hacen las cerámicas toscas o vítreas.

Las propiedades que más importan en el servicio industrial incluyen:

• Resistencia a la flexión normalmente entre 600 y 1200 MPa, según el grado
• La tenacidad a la fractura es aproximadamente el doble que la de las cerámicas de alúmina.
• Densidad de alrededor de 3,2 gramos por centímetro cúbico, muy por debajo del acero.
• Baja expansión térmica y excelente resistencia al choque térmico.
• Inercia química frente a la mayoría de ácidos, sales y metales no ferrosos fundidos.
• Alta resistividad eléctrica, útil cerca de elementos calefactores.
• Muy baja humectabilidad por el aluminio fundido.

Esta última propiedad merece énfasis. Una cerámica que la masa fundida no puede mojar se mantiene limpia, mantiene sus dimensiones y no arrastra óxidos ni elementos disueltos al interior de la pieza fundida. Es la principal razón por la que las cerámicas de nitruro de silicio desplazaron a los materiales anteriores en los equipos de desgasificación y transferencia.

Rutas de fabricación y por qué es importante la calidad

La "cerámica de nitruro de silicio" no es un solo material. Dependiendo de cómo se le dé forma al polvo, de cuánto auxiliar de sinterización se agregue y de cómo se densifique la pieza, la misma química puede producir un componente poroso y económico de grado refractario o una cerámica estructural casi completamente densa que sobrevive años en una celda de fundición a presión.

1. Nitruro de silicio unido por reacción (RBSN): el nitrógeno reacciona con una preforma de silicio, dando un cuerpo poroso pero dimensionalmente estable que necesita poco mecanizado.
2. Nitruro de silicio sinterizado (número de seguro social): sinterización sin presión con aditivos de óxidos como itria, alúmina o magnesia.
3. Nitruro de silicio sinterizado a presión de gas (GPSN): la alta presión de nitrógeno suprime la descomposición y eleva la densidad por encima del 99 por ciento.
4. Nitruro de silicio prensado en caliente (HPSN): la presión uniaxial durante la densificación proporciona la mayor resistencia pero restringe las piezas a formas simples.
5. Nitruro de silicio sinterizado unido por reacción (SRBSN): una ruta híbrida que comienza con el enlace por reacción y termina con la sinterización.

Los aditivos de sinterización son tan importantes como el recorrido. Promueven la densificación formando una fina fase vítrea en los límites de los granos, y la composición de esa fase decide cómo se comporta el material en servicio: un sistema bien diseñado mantiene los límites resistentes a la fluencia, mientras que uno deficiente se ablanda con la temperatura.

Hemos escrito una nota técnica paso a paso sobre el proceso de fabricación de cerámicas de nitruro de silicio si desea profundizar en la preparación, conformación, sinterización e inspección del polvo.

Por qué las cerámicas de nitruro de silicio destacan en el aluminio fundido

El aluminio es más agresivo de lo que parece. Entre 700 y 750 grados Celsius, la masa fundida reduce muchos óxidos, humedece la mayoría de los refractarios y reacciona con el hierro, el silicio y el oxígeno en la superficie de todo lo que toca. Un componente que reacciona con la masa fundida no se desgasta simplemente; cambia la química del metal y crea inclusiones que fallan en las piezas fundidas en la inspección final.

Cerámicas de nitruro de silicio comportarse de manera diferente. Su baja humectabilidad significa que el aluminio se escurre en lugar de adherirse, por lo que los rotores y los tubos mantienen su geometría. Su inercia química significa que la masa fundida se mantiene limpia. Su resistencia al choque térmico significa que un tubo de protección contra el frío puede ir directamente a un horno caliente sin un lento ritual de precalentamiento que consume un turno.

Los componentes típicos del hot-end fabricados con cerámica de nitruro de silicio incluyen:

• Rotores de desgasificación y refinación para eliminación de hidrógeno y inclusiones
• Tubos ascendentes y tubos de tallo para fundición a baja presión y transferencia de metal
• Varillas de tapón y componentes de válvulas para control de flujo.
• Tubos de protección de calentadores y tubos de protección de termopares.
• Revestimientos de lavado, tuberías fundentes, varillas de control y piezas de bombas.

Los rotores desgasificadores muestran lo importante que es el material. Un rotor gira a varios cientos de revoluciones por minuto mientras está parcialmente sumergido, rompiendo la corriente de gas en finas burbujas que eliminan el hidrógeno de la masa fundida. Tiene que tolerar la inmersión, la agitación violenta y miles de ciclos de calentamiento y enfriamiento sin perder el equilibrio ni derramar partículas en el metal.

Rotor de desgasificación cerámico de nitruro de silicio SG-28 En comparación con los rotores de grafito, el rotor desgasificador cerámico de nitruro de silicio SG-28 no se oxida en estado de alta temperatura, por lo que no contamina el aluminio fundido y... Ver producto →

Fundición de aluminio y fundición a presión. son las dos áreas de aplicación en las que vemos la mayor demanda, y la misma lógica de materiales se extiende desde el horno de fusión hasta el molde.

Combinación de componentes con cada paso del hot end

Una vez que una fundición decide trasladar un componente a cerámica de nitruro de silicio, la siguiente pregunta es qué calidad y qué diseño se adaptan a la tarea. La respuesta suele seguir la secuencia del proceso.

Desgasificación y refinación

Los rotores, los tubos de fundente y las barras de control trabajan en la parte más turbulenta del proceso. Necesitan máxima resistencia y resistencia al choque térmico, por lo que los grados completamente densos son la norma. El espesor de la pared, el diseño de la rosca y la forma en que se fija el rotor al eje son tan importantes como el propio material, porque un rotor que falla en la articulación nunca tiene la oportunidad de demostrar su resistencia al desgaste.

Filtración

La filtración fina elimina las últimas inclusiones antes de que el metal llegue al molde. Los elementos filtrantes cerámicos deben combinar permeabilidad con suficiente resistencia para resistir la manipulación, el precalentamiento y la presión de un lavado completo. Una geometría de tubo es especialmente eficaz cuando el espacio del suelo es limitado y la masa fundida debe limpiarse en una unidad compacta y reemplazable.

Filtro de tubo preciso SMF-02 A medida que la industria de la fundición de aluminio enfrenta requisitos cada vez más estrictos de pureza del aluminio fundido, junto con demandas crecientes de fabricación de alta gama y respeto al medio ambiente... Ver producto →

Control de calefacción y temperatura.

Los calentadores de inmersión y sus tubos exteriores funcionan de forma continua en un baño de aluminio líquido. El tubo cerámico debe conducir el calor de manera eficiente sin reaccionar con la masa fundida y debe resistir los gradientes térmicos creados cuando cambia el nivel del baño. Los tubos de protección para termopares se enfrentan al mismo entorno y exigen un control dimensional más estricto, porque unas pocas décimas de milímetro pueden cambiar el tiempo de respuesta del sensor.

Tubo de protección del calentador cerámico de nitruro de silicio SG-28 El tubo de protección del calentador cerámico de nitruro de silicio SG-28 tiene una fuerte resistencia a las altas temperaturas, la corrosión y el choque térmico en el aluminio fundido. Puede soportar la h... Ver producto →

Transferencia, control de flujo y fundición.

Los tubos ascendentes, las varillas de tope, las varillas de control y las piezas de la bomba forman las tuberías de la fundición. Aquí las prioridades son la precisión dimensional, la resistencia a la erosión en el orificio y la capacidad de sobrevivir a ciclos térmicos repetidos sin agrietarse en la brida. Debido a que estas piezas suelen ser grandes, la elección de la ruta de fabricación tiene un efecto directo tanto en el costo como en el tiempo de entrega.

Cómo evaluar un proveedor de cerámicas de nitruro de silicio

El nitruro de silicio es difícil de fabricar bien y la diferencia entre una pieza buena y una mediocre suele aparecer a los seis meses de funcionamiento y no en el dibujo. Cuando los clientes nos piden que coticemos con un proveedor actual, les sugerimos que comparen en algunos puntos prácticos.

1. Pregunte qué grado se ofrece y por qué. Es poco probable que un proveedor que no pueda explicar la diferencia entre un cuerpo sinterizado sin presión y uno sinterizado con gas a presión controle esa diferencia en la producción.
2. Preguntar por control dimensional. Las roscas del rotor, los orificios de los tubos y las superficies de las bridas deben ser correctos, ya que una pieza cerámica no se puede ajustar in situ.
3. Solicite datos de prueba en lugar de adjetivos. Los resultados de resistencia, densidad y choque térmico deben provenir de un método de prueba definido.
4. Consulta el modelo de entrega. Los consumibles cerámicos se reemplazan según un cronograma, por lo que el tiempo de entrega y la capacidad de mantener existencias son tan importantes como el precio unitario.
5. Mire a quién más atiende el proveedor. Un fabricante centrado en aluminio y otros hot-ends no ferrosos comprenderá su proceso y sus modos de falla.

En SGJL fabricamos nitruro de silicio y materiales cerámicos relacionados en una instalación de 20.000 metros cuadrados y realizamos envíos a clientes en más de treinta países, siendo las industrias de fundición de aluminio y fundición a presión nuestro mercado principal. Nuestras familias de productos incluyen nitruro de silicio SG-28, O'Sialon OS-11, titanato de aluminio TA-03, calentadores de inmersión de alta eficiencia, bolas de almacenamiento térmico de corindón y piezas de bombas completamente cerámicas.

Las cerámicas de nitruro de silicio no son una respuesta universal y nunca sugeriríamos reemplazar todos los refractarios de una fundición con ellas. Pero cuando se trata de aluminio fundido, cuando las piezas fallan prematuramente o contaminan la masa fundida y cuando los periodos de mantenimiento son cortos, siempre se amortizan por sí solos. Si está sopesando un cambio en un rotor, un tubo ascendente o un tubo de protección del calentador, estaremos encantados de analizar su ciclo de trabajo y recomendarle el grado que se ajuste a él.