Защо силициевият карбид с нитридна връзка губи якост след 8–12 месеца в окислителна среда

Прекарах дванадесет години, занимавайки се с оборудване за високи температури в Шанхай и околните заводи за керамика и металургия. Един от най-често срещаните проблеми, които наблюдавам при силициевия карбид с нитридна връзка, е, че рафтовете, плочите и подложките на пещите изглеждат здрави при поставянето им, но след няколко месеца нормална експлоатация започват да се напукват или да се провисват под натоварвания, които преди това са понасяли без проблем. Повечето оператори приемат, че материалът просто се е “износил” или че цикълът на изпичане е бил прекалено агресивен. В производствените линии, с които работя, истинската причина е прогресивното окисляване на нитридната свързваща фаза, след като повърхността бъде изложена на въздух при висока температура.

Силициевият карбид с нитридна връзка разчита на матрицата от силициев нитрид, която свързва зърната от силициев карбид и придава на детайла неговата якост и устойчивост на термичен шок. В редуцираща или неутрална атмосфера тази връзка остава относително стабилна. Когато пещта работи с излишък на въздух — често срещано явление при периодично изпичане на керамика или при определени цикли на термична обработка на метали — кислородът атакува нитрида. На повърхността и, което е по-важно, по границите между зърната се образува тънък слой, богат на силициев диоксид. Детайлът не се разрушава внезапно; той постепенно губи якостта си на огъване и става по-чувствителен към температурните градиенти. Редовно наблюдавам плочи, чиято якост, когато са нови, е била значително над 40 MPa, а след 8–12 месеца ежедневно циклично излагане на температури между 1200 °C и стайна температура спада до нива в началото на 20-те MPa.

Практическата последица се проявява по два начина. Първо, по рафтовете се появяват фини пукнатини, които започват от краищата или около опорните точки и след това се разпространяват под собствената им тежест, съчетана с тежестта на товарените изделия. Второ, ефективната носеща способност намалява още преди да се появят видими пукнатини, така че операторите или намаляват броя на изделията на рафт, или приемат по-високи нива на счупване. И в двата случая заводът се налага да подмени оборудването по-рано, отколкото е било предвидено в първоначалните изчисления при закупуването. Заводите, които използват непрекъснати бутащи пещи или ролкови пещи с по-строг контрол на атмосферата, обикновено постигат по-дълъг експлоатационен живот при същия клас оборудване; периодичните пещи за партиди, разпространени в региона на Шанхай, проявяват проблема по-бързо, тъй като при всяко охлаждане свеж въздух достига до горещите повърхности.

Това, което всъщност забавя разграждането, става ясно, щом приемем фазата на свързване като ограничаващ фактор. Поддържайте максималната температура и времето на престой при нея толкова ниски, колкото позволява процесът; всеки допълнителен 50 °C над 1350 °C забележимо ускорява скоростта на окисляване, която измервам върху върнатите детайли. Когато конструкцията на пещта го позволява, кратко прочистване или леко редуцираща атмосфера по време на задържането при висока температура намалява парциалното налягане на кислорода достатъчно, за да удължи експлоатационния живот с няколко месеца. Също толкова важно е механичното натоварване. Силициевият карбид с нитридна връзка, който е подпрян само в краищата и понася тежки, неравномерно разпределени производствени натоварвания, развива по-високи напрежения на опън по долната повърхност; след като повърхността е отслабена от окисляване, тези напрежения предизвикват по-ранно появяване на пукнатини. Преминаването към триточкова или непрекъсната опора, или просто намаляването на максималното натоварване на плоча с 15–20 %, често възстановява първоначалния интервал между подмяните, без да се променя класът на материала.

Проверявам също така върнатите плочи за дебелината на окисления слой. Нормално е да има равномерен светлосив повърхностен слой с дебелина от няколкостотин микрона; локализирани по-дебели наслоения или прахообразно износване по краищата обикновено означават или „гореща точка“ в пещта, или продължително излагане над препоръчителната граница. Заводите, които записват показанията за атмосферата и максималното натоварване на рафтовете, заедно с броя на циклите преди появата на първите пукнатини, обикновено могат да удължат средния експлоатационен срок от около 10 месеца до 14–16 месеца при използване на същия SiC с нитридно свързване. Тези, които продължават да работят с първоначалната схема на плътно натоварване и атмосфера с пълен въздух, просто сменят плочите по-често, което е по-скъпо, и продължават да се чудят защо новият комплект не издържа по-дълго от предишния.

Самият материал може да има дълъг експлоатационен срок, когато свързващата фаза е защитена. Разликата, която забелязвам на практика, почти никога не се състои в внезапна промяна в качеството на суровината; тя се състои в това дали заводът разглежда окисляването и натоварването като контролируеми променливи или като неизбежни фонови условия.