Céramiques de nitrure de silicium : propriétés, types et leur utilisation dans la coulée d'aluminium

La céramique de nitrure de silicium est le matériau vers lequel de nombreux ingénieurs se tournent lorsque l'acier, le graphite et les réfractaires conventionnels ne résistent plus. Là où le métal en fusion, les cycles thermiques rapides et l'usure abrasive se rencontrent, le nitrure de silicium (Si3N4) offre une combinaison rare de résistance, de tolérance aux chocs thermiques et de stabilité chimique, et c'est exactement pourquoi il est devenu un spectacle familier dans le moulage d'aluminium et l'outillage chaud de moulage sous pression.

Notre équipe travaille les céramiques de nitrure de silicium depuis plus de vingt ans, de la sélection de la poudre jusqu'au rotor fini, tube montant ou tube de protection du réchauffeur. Dans ce guide, nous partageons ce que cette expérience nous a appris sur le matériau lui-même, les qualités disponibles et les questions pratiques qui se posent lorsqu'une fonderie décide de transférer un composant usé vers la céramique.

Que sont les céramiques de nitrure de silicium ?

Le nitrure de silicium est un composé de silicium et d'azote. Ses fortes liaisons covalentes lui confèrent des propriétés que les métaux et la plupart des céramiques d'oxyde ne peuvent égaler : il reste dur à haute température, résiste aux chocs thermiques et ne réagit pas facilement avec les métaux non ferreux en fusion.

La microstructure explique une grande partie des performances. Le nitrure de silicium existe sous deux formes cristallographiques, alpha et bêta. Pendant le frittage, la phase alpha se transforme en phase bêta, qui se développe sous forme de grains allongés en forme d'aiguilles. Ces grains s'emboîtent comme du feutre, et c'est ce réseau qui donne aux céramiques de nitrure de silicium leur ténacité : ils absorbent l'énergie au lieu de se briser comme le font les céramiques grossières ou vitreuses.

Les propriétés les plus importantes dans le service industriel comprennent :

• Résistance à la flexion généralement comprise entre 600 et 1 200 MPa, selon la qualité
• Résistance à la rupture environ deux fois supérieure à celle des céramiques d'alumine
• Densité d'environ 3,2 grammes par centimètre cube, bien en dessous de l'acier
• Faible dilatation thermique et excellente résistance aux chocs thermiques
• Inertie chimique contre la plupart des acides, sels et métaux non ferreux en fusion
• Haute résistivité électrique, utile à proximité des éléments chauffants
• Très faible mouillabilité par l'aluminium fondu

Cette dernière propriété mérite d'être soulignée. Une céramique que la masse fondue ne peut pas mouiller reste propre, conserve ses dimensions et n'entraîne pas d'oxydes ou d'éléments dissous dans la coulée. C’est la principale raison pour laquelle les céramiques de nitrure de silicium ont remplacé les matériaux antérieurs dans les équipements de dégazage et de transfert.

Itinéraires de fabrication et pourquoi la qualité est importante

La « céramique de nitrure de silicium » n’est pas un seul matériau. Selon la façon dont la poudre est façonnée, la quantité d'adjuvant de frittage ajoutée et la manière dont la pièce est densifiée, la même chimie peut produire un composant réfractaire poreux et peu coûteux ou une céramique structurelle presque entièrement dense qui survit des années dans une cellule de moulage sous pression.

1. Nitrure de silicium lié par réaction (RNuméro de sécurité sociale) : l'azote réagit avec une préforme de silicium, donnant un corps poreux mais dimensionnellement stable qui nécessite peu d'usinage.
2. Nitrure de silicium fritté (SSN) : frittage sans pression avec des additifs d'oxydes tels que l'yttria, l'alumine ou la magnésie.
3. Nitrure de silicium fritté sous pression de gaz (GPSN) : une pression d'azote élevée supprime la décomposition et pousse la densité au-dessus de 99 %.
4. Nitrure de silicium pressé à chaud (HPSN) : la pression uniaxiale lors de la densification donne la plus grande résistance mais restreint les pièces à des formes simples.
5. Nitrure de silicium lié par réaction fritté (SRBSN) : une voie hybride qui commence par la liaison par réaction et se termine par le frittage.

Les additifs de frittage sont tout aussi importants que le parcours. Ils favorisent la densification en formant une fine phase vitreuse aux joints de grains, et la composition de cette phase détermine le comportement du matériau en service : un système bien conçu maintient les joints résistants au fluage, tandis qu'un système médiocre se ramollit à la température.

Nous avons rédigé une note technique étape par étape sur le procédé de fabrication de céramiques de nitrure de silicium si vous souhaitez approfondir la préparation, la mise en forme, le frittage et l'inspection de la poudre.

Pourquoi les céramiques de nitrure de silicium excellent dans l'aluminium fondu

L’aluminium est plus agressif qu’il n’y paraît. Entre 700 et 750 degrés Celsius, la matière fondue réduit de nombreux oxydes, mouille la plupart des réfractaires et réagit avec le fer, le silicium et l'oxygène à la surface de tout ce qu'elle touche. Un composant qui réagit avec la matière fondue ne s’use pas simplement ; il modifie la chimie du métal et crée des inclusions qui échouent lors de l'inspection finale.

Céramiques de nitrure de silicium se comporter différemment. Leur faible mouillabilité signifie que l'aluminium s'écoule au lieu de s'accrocher, de sorte que les rotors et les tubes conservent leur géométrie. Leur inertie chimique signifie que la masse fondue reste propre. Leur résistance aux chocs thermiques signifie qu'un tube de protection contre le froid peut aller directement dans un four chaud sans un lent rituel de préchauffage qui ronge un changement de vitesse.

Les composants chauds typiques fabriqués à partir de céramiques de nitrure de silicium comprennent :

• Rotors de dégazage et de raffinage pour l'hydrogène et l'élimination des inclusions
• Tubes montants et tubes de tige pour la coulée basse pression et le transfert de métal
• Tiges d'arrêt et composants de vannes pour le contrôle du débit
• Tubes de protection des radiateurs et tubes de protection des thermocouples
• Revêtements de blanchisserie, tuyaux de fluxage, barres de commande et pièces de pompes

Les rotors de dégazage montrent à quel point le matériau est important. Un rotor tourne à plusieurs centaines de tours par minute lorsqu'il est partiellement immergé, brisant le flux de gaz en fines bulles qui éliminent l'hydrogène de la masse fondue. Il doit tolérer l’immersion, l’agitation violente et des milliers de cycles de chauffage et de refroidissement sans perdre l’équilibre ni rejeter de particules dans le métal.

Rotor de dégazage en céramique de nitrure de silicium SG-28 Comparés aux rotors en graphite, les rotors de dégazage en céramique de nitrure de silicium SG-28 ne sont pas oxydés à haute température, ils ne polluent donc pas l'aluminium fondu et... Voir le produit →

Fonderie d'aluminium et moulage sous pression sont les deux domaines d'application où nous constatons la plus forte demande, et la même logique matérielle s'étend du four de fusion au moule.

Faire correspondre les composants à chaque étape du Hot End

Une fois qu'une fonderie décide de déplacer un composant vers des céramiques au nitrure de silicium, la question suivante est de savoir quelle qualité et quelle conception conviennent à cette tâche. La réponse suit généralement la séquence du processus.

Dégazage et raffinage

Les rotors, les fluxeurs et les barres de commande travaillent dans la partie la plus turbulente du processus. Ils ont besoin d’une résistance maximale et d’une résistance aux chocs thermiques, c’est pourquoi les qualités entièrement denses sont la norme. L'épaisseur de la paroi, la conception du filetage et la manière dont le rotor est fixé à l'arbre comptent autant que le matériau lui-même, car un rotor qui tombe en panne au niveau du joint n'a jamais la chance de prouver sa résistance à l'usure.

Filtration

Une filtration fine élimine les dernières inclusions avant que le métal n'atteigne le moule. Les éléments filtrants en céramique doivent combiner perméabilité et résistance suffisante pour résister à la manipulation, au préchauffage et à la pression d'un lavage complet. Une géométrie de tube est particulièrement efficace lorsque l'espace au sol est limité et que la matière fondue doit être nettoyée dans une unité compacte et remplaçable.

Filtre à tube précis SMF-02 Alors que l'industrie de la fonderie d'aluminium est confrontée à des exigences de plus en plus strictes en matière de pureté de l'aluminium fondu, ainsi qu'à des exigences croissantes en matière de fabrication haut de gamme et d'environnement... Voir le produit →

Chauffage et contrôle de la température

Les thermoplongeurs et leurs tubes extérieurs fonctionnent en continu dans un bain d'aluminium liquide. Le tube en céramique doit conduire efficacement la chaleur sans réagir avec la matière fondue et doit résister aux gradients thermiques créés lorsque le niveau du bain change. Les tubes de protection pour thermocouples font face au même environnement tout en exigeant un contrôle dimensionnel plus strict, car quelques dixièmes de millimètre peuvent modifier le temps de réponse du capteur.

Tube de protection de chauffage en céramique de nitrure de silicium SG-28 Le tube de protection du radiateur en céramique de nitrure de silicium SG-28 a une forte résistance aux températures élevées, à la corrosion et aux chocs thermiques dans l'aluminium fondu. Il peut résister aux h... Voir le produit →

Transfert, contrôle de débit et coulée

Les tubes montants, les tiges d'arrêt, les barres de commande et les pièces de pompe constituent la plomberie de la fonderie. Ici, les priorités sont la précision dimensionnelle, la résistance à l'érosion au niveau de l'alésage et la capacité à survivre à des cycles thermiques répétés sans fissuration au niveau de la bride. Ces pièces étant souvent volumineuses, le choix du mode de fabrication a un effet direct sur le coût et le délai de livraison.

Comment évaluer un fournisseur de céramiques de nitrure de silicium

Le nitrure de silicium est difficile à fabriquer correctement, et la différence entre une bonne pièce et une pièce médiocre apparaît généralement après six mois de service plutôt que sur le dessin. Lorsque les clients nous demandent de devis par rapport à un fournisseur historique, nous leur proposons de comparer sur quelques points pratiques.

1. Demandez quelle note est proposée et pourquoi. Un fournisseur qui ne peut pas expliquer la différence entre un corps fritté sans pression et un corps fritté sous pression de gaz est peu susceptible de contrôler cette différence de production.
2. Renseignez-vous sur le contrôle dimensionnel. Les filetages du rotor, les alésages des tubes et les faces des brides doivent être corrects, car une pièce en céramique ne peut pas être ajustée sur place.
3. Demandez des données de test plutôt que des adjectifs. Les résultats de résistance, de densité et de choc thermique doivent provenir d’une méthode de test définie.
4. Vérifiez le modèle de livraison. Les céramiques consommables sont remplacées selon un calendrier, de sorte que le délai de livraison et la capacité de conserver le stock comptent autant que le prix unitaire.
5. Regardez qui d’autre le fournisseur sert. Un fabricant axé sur l’aluminium et d’autres hotends non ferreux comprendra votre processus et vos modes de défaillance.

Chez SGJL, nous fabriquons du nitrure de silicium et des matériaux céramiques associés dans une usine de 20 000 mètres carrés et expédions à des clients dans plus de trente pays, les industries du moulage d'aluminium et du moulage sous pression étant notre marché principal. Nos familles de produits comprennent le nitrure de silicium SG-28, l'OS-11 O'Sialon, le titanate d'aluminium TA-03, les thermoplongeurs à haut rendement, les billes de stockage thermique en corindon et les pièces de pompe entièrement en céramique.

Les céramiques de nitrure de silicium ne constituent pas une réponse universelle et nous ne suggérons jamais de remplacer tous les réfractaires d'une fonderie par ces céramiques. Mais lorsqu'il s'agit d'aluminium fondu, lorsque des pièces tombent en panne prématurément ou contaminent la masse fondue et lorsque les fenêtres de maintenance sont courtes, elles s'amortissent systématiquement. Si vous envisagez un changement sur un rotor, un tube montant ou un tube de protection de chauffage, nous serons heureux de discuter de votre cycle de service et de vous recommander la qualité qui lui convient.