Cerâmica de nitreto de silício: propriedades, tipos e seu uso na fundição de alumínio

A cerâmica de nitreto de silício é o material que muitos engenheiros procuram quando o aço, o grafite e os refratários convencionais não aguentam mais. Onde o metal fundido, o ciclo térmico rápido e o desgaste abrasivo se encontram, o nitreto de silício (Si3N4) oferece uma rara combinação de resistência, tolerância ao choque térmico e estabilidade química, e é exatamente por isso que se tornou uma visão familiar na fundição de alumínio e nas ferramentas de fundição sob pressão.

Nossa equipe trabalha com cerâmica de nitreto de silício há mais de vinte anos, desde a seleção do pó até o rotor acabado, tubo ascendente ou tubo de proteção do aquecedor. Neste guia, compartilhamos o que essa experiência nos ensinou sobre o material em si, as qualidades disponíveis e as questões práticas que surgem quando uma fundição decide transferir um componente desgastado para cerâmica.

O que são cerâmicas de nitreto de silício?

O nitreto de silício é um composto de silício e nitrogênio. Suas fortes ligações covalentes conferem-lhe propriedades que os metais e a maioria das cerâmicas de óxido não conseguem igualar: ele permanece duro em altas temperaturas, evita choques térmicos e não reage prontamente com metais não ferrosos fundidos.

A microestrutura explica grande parte do desempenho. O nitreto de silício existe em duas formas cristalográficas, alfa e beta. Durante a sinterização, a fase alfa se converte em beta, que cresce como grãos alongados em forma de agulha. Esses grãos se entrelaçam como feltro, e essa rede é o que dá resistência à cerâmica de nitreto de silício: eles absorvem energia em vez de se estilhaçarem, como fazem as cerâmicas grossas ou vítreas.

As propriedades que mais importam no serviço industrial incluem:

• Resistência à flexão normalmente entre 600 e 1.200 MPa, dependendo do grau
• Resistência à fratura aproximadamente duas vezes maior que a da cerâmica de alumina
• Densidade em torno de 3,2 gramas por centímetro cúbico, bem abaixo do aço
• Baixa expansão térmica e excelente resistência ao choque térmico
• Inércia química contra a maioria dos ácidos, sais e metais não ferrosos fundidos
• Alta resistividade elétrica, útil perto de elementos de aquecimento
• Molhabilidade muito baixa por alumínio fundido

Essa última propriedade merece destaque. Uma cerâmica que não pode ser molhada permanece limpa, mantém suas dimensões e não arrasta óxidos ou elementos dissolvidos para a peça fundida. É a principal razão pela qual a cerâmica de nitreto de silício substituiu os materiais anteriores em equipamentos de desgaseificação e transferência.

Rotas de fabricação e por que a nota é importante

A "cerâmica de nitreto de silício" não é um material. Dependendo de como o pó é moldado, da quantidade de auxiliar de sinterização adicionada e de como a peça é densificada, a mesma química pode produzir um componente refratário barato e poroso ou uma cerâmica estrutural quase totalmente densa que sobrevive anos em uma célula de fundição sob pressão.

1. Nitreto de silício ligado por reação (RBSN): o nitrogênio reage com uma pré-forma de silício, proporcionando um corpo poroso, mas dimensionalmente estável, que precisa de pouca usinagem.
2. Nitreto de silício sinterizado (SSN): sinterização sem pressão com aditivos de óxido como ítria, alumina ou magnésia.
3. Nitreto de silício sinterizado sob pressão de gás (GPSN): a alta pressão de nitrogênio suprime a decomposição e aumenta a densidade acima de 99 por cento.
4. Nitreto de silício prensado a quente (HPSN): a pressão uniaxial durante a densificação proporciona a maior resistência, mas restringe as peças a formatos simples.
5. Nitreto de silício ligado por reação sinterizado (SRBSN): uma rota híbrida que começa na ligação por reação e termina com a sinterização.

Os aditivos de sinterização são tão importantes quanto a rota. Eles promovem a densificação formando uma fase vítrea fina nos limites dos grãos, e a composição dessa fase decide como o material se comporta em serviço: um sistema bem projetado mantém os limites resistentes à fluência, enquanto um sistema ruim amolece com a temperatura.

Escrevemos uma nota técnica passo a passo sobre o processo de fabricação de cerâmica de nitreto de silício se você quiser se aprofundar na preparação, modelagem, sinterização e inspeção de pós.

Por que a cerâmica de nitreto de silício é excelente em alumínio fundido

O alumínio é mais agressivo do que parece. Entre 700 e 750 graus Celsius, o fundido reduz muitos óxidos, molha a maioria dos refratários e reage com ferro, silício e oxigênio na superfície de tudo o que toca. Um componente que reage com o fundido não se desgasta simplesmente; ele altera a química do metal e cria inclusões que falham nas peças fundidas na inspeção final.

Cerâmica de nitreto de silício se comportar de maneira diferente. Sua baixa molhabilidade significa que o alumínio escorre em vez de aderir, de modo que os rotores e os tubos mantêm sua geometria. Sua inércia química significa que o fundido permanece limpo. Sua resistência ao choque térmico significa que um tubo de proteção contra frio pode ir direto para um forno quente sem um lento ritual de pré-aquecimento que consome um turno.

Os componentes hot-end típicos feitos de cerâmica de nitreto de silício incluem:

• Rotores de desgaseificação e refino para remoção de hidrogênio e inclusões
• Tubos riser e tubos de haste para fundição em baixa pressão e transferência de metal
• Hastes de bloqueio e componentes de válvula para controle de fluxo
• Tubos de proteção do aquecedor e tubos de proteção do termopar
• Lavar revestimentos, tubos de fluxo, hastes de controle e peças de bombas

Os rotores de desgaseificação mostram o quanto o material é importante. Um rotor gira a várias centenas de rotações por minuto enquanto está parcialmente submerso, quebrando o fluxo de gás em bolhas finas que retiram o hidrogênio do fundido. Tem que tolerar imersão, agitação violenta e milhares de ciclos de aquecimento e resfriamento sem perder o equilíbrio ou derramar partículas no metal.

Rotor de desgaseificação de cerâmica de nitreto de silício SG-28 Comparado com os rotores de grafite, o rotor de desgaseificação de cerâmica de nitreto de silício SG-28 não é oxidado em condições de alta temperatura, portanto não polui o alumínio fundido e... Ver Produto →

Fundição de alumínio e fundição sob pressão são as duas áreas de aplicação onde vemos a maior demanda, e a mesma lógica de material percorre todo o caminho, desde o forno de fusão até o molde.

Combinando componentes para cada etapa do Hot End

Depois que uma fundição decide migrar um componente para cerâmica de nitreto de silício, a próxima questão é qual classe e qual design se adequa à tarefa. A resposta geralmente segue a sequência do processo.

Desgaseificação e refino

Rotores, tubos de fluxo e hastes de controle atuam na parte mais turbulenta do processo. Eles precisam de força máxima e resistência ao choque térmico, portanto, classes totalmente densas são a norma. A espessura da parede, o desenho da rosca e a forma como o rotor é fixado ao eixo são tão importantes quanto o próprio material, porque um rotor que falha na junta nunca tem a chance de provar sua resistência ao desgaste.

Filtragem

A filtração fina remove as últimas inclusões antes que o metal chegue ao molde. Os elementos filtrantes cerâmicos devem combinar permeabilidade com resistência suficiente para sobreviver ao manuseio, ao pré-aquecimento e à pressão de uma lavagem completa. Uma geometria de tubo é particularmente eficaz onde o espaço é limitado e o material fundido precisa ser limpo em uma unidade compacta e substituível.

Filtro de tubo preciso SMF-02 À medida que a indústria de fundição de alumínio enfrenta requisitos cada vez mais rigorosos quanto à pureza do alumínio fundido, juntamente com demandas crescentes por fabricação e ambiente de alta qualidade... Ver Produto →

Aquecimento e controle de temperatura

Os aquecedores de imersão e seus tubos externos operam continuamente em um banho de alumínio líquido. O tubo cerâmico deve conduzir o calor de forma eficiente, sem reagir com o fundido, e deve resistir aos gradientes térmicos criados quando o nível do banho muda. Os tubos de proteção para termopares enfrentam o mesmo ambiente, mas exigem um controle dimensional mais rígido, pois alguns décimos de milímetro podem alterar o tempo de resposta do sensor.

Tubo cerâmico da proteção do calefator do nitreto de silicone SG-28 O tubo de proteção do aquecedor de cerâmica de nitreto de silício SG-28 tem forte resistência a altas temperaturas, corrosão e choque térmico em alumínio fundido. Ele pode suportar o... Ver Produto →

Transferência, controle de fluxo e fundição

Tubos riser, hastes de bloqueio, hastes de controle e peças da bomba formam o encanamento da fundição. Aqui as prioridades são a precisão dimensional, a resistência à erosão no furo e a capacidade de sobreviver a ciclos térmicos repetidos sem fissuras no flange. Como essas peças costumam ser grandes, a escolha da rota de fabricação tem efeito direto tanto no custo quanto no prazo de entrega.

Como avaliar um fornecedor de cerâmica de nitreto de silício

O nitreto de silício é difícil de fabricar bem, e a diferença entre uma peça boa e uma peça medíocre geralmente aparece seis meses após o início do serviço, e não no desenho. Quando os clientes nos solicitam uma cotação de um fornecedor estabelecido, sugerimos que comparem alguns pontos práticos.

1. Pergunte qual nota está sendo oferecida e por quê. É pouco provável que um fornecedor que não consiga explicar a diferença entre um corpo sinterizado sem pressão e um corpo sinterizado a gás sob pressão controle essa diferença na produção.
2. Pergunte sobre controle dimensional. As roscas do rotor, os furos dos tubos e as faces dos flanges devem estar corretos, pois uma peça de cerâmica não pode ser ajustada no local.
3. Solicite dados de teste em vez de adjetivos. Os resultados de resistência, densidade e choque térmico devem vir de um método de teste definido.
4. Verifique o modelo de entrega. As cerâmicas consumíveis são substituídas de acordo com um cronograma, portanto, o prazo de entrega e a capacidade de manter o estoque são tão importantes quanto o preço unitário.
5. Veja quem mais o fornecedor atende. Um fabricante focado em alumínio e outros hot ends não ferrosos entenderá seu processo e seus modos de falha.

Na SGJL fabricamos nitreto de silício e materiais cerâmicos relacionados em uma instalação de 20.000 metros quadrados e enviamos para clientes em mais de trinta países, tendo as indústrias de fundição de alumínio e fundição sob pressão como nosso principal mercado. Nossas famílias de produtos incluem nitreto de silício SG-28, OS-11 O'Sialon, titanato de alumínio TA-03, aquecedores de imersão de alta eficiência, esferas de armazenamento térmico de corindo e peças de bomba totalmente cerâmicas.

As cerâmicas de nitreto de silício não são uma resposta universal e nunca sugeriríamos substituir todos os refratários de uma fundição por elas. Mas quando o alumínio fundido está envolvido, onde as peças falham precocemente ou contaminam o fundido e onde as janelas de manutenção são curtas, eles se pagam consistentemente. Se você estiver avaliando uma mudança em um rotor, um tubo ascendente ou um tubo de proteção do aquecedor, teremos prazer em conversar sobre seu ciclo de trabalho e recomendar a classe adequada para ele.