Per què el carboni de silici nitrurat i unit perd resistència després de 8–12 mesos en atmosferes oxidants?

He passat dotze anys tractant equips d'alta temperatura a Xangai i a les plantes de ceràmica i metal·lúrgia dels voltants. Un dels problemes més recurrents que observo amb el carboni de silici nitrurat és que les reixetes del forn, les plaques i els suports semblen sòlids quan s'introdueixen, però després de diversos mesos de servei normal comencen a esquerdar-se o a enfonsar-se sota càrregues que abans suportaven sense cap problema. La majoria d'operadors assumeixen que el material simplement s'ha desgastat o que el cicle de recuit ha estat massa agressiu. En les línies amb què treballo, el veritable factor és l'oxidació progressiva de la fase de lligam nitrur un cop la superfície queda exposada a l'aire a temperatura.

El carboni de silici unat per nitrur es basa en la matriu de nitrur de silici per mantenir unides les grans de carboni de silici i conferir a la peça la seva resistència i la seva resistència al xoc tèrmic. En una atmosfera reductora o neutra, aquest enllaç es manté relativament estable. Quan el forn funciona amb excés d'aire —com passa en coccions ceràmiques intermitents o en certs cicles de tractament tèrmic de metalls—, l'oxigen ataca el nitrur. Es forma una fina capa rica en sílice a la superfície i, més important encara, als límits de gra. La peça no falla de sobte; perd progressivament la resistència a la flexió i es torna més sensible als gradients tèrmics. Sovint veig plaques que, quan eren noves, tenien una resistència ben per sobre dels 40 MPa i que, després de 8–12 mesos de cicles diaris entre els 1200 °C i la temperatura ambient, cauen als baixos 20 MPa.

La conseqüència pràctica es manifesta de dues maneres. En primer lloc, les prestatgeries desenvolupen esquerdes capil·lars que comencen a les vores o al voltant dels punts de suport i després es propaguen sota el seu propi pes més la càrrega de mercaderies. En segon lloc, la capacitat efectiva de càrrega disminueix fins i tot abans que apareguin esquerdes visibles, de manera que els operadors o bé redueixen el nombre de peces per prestatgeria o bé accepten taxes de trencament més altes. En ambdós casos, la planta acaba substituint els mobles abans del que preveia el càlcul original de la compra. Les plantes que funcionen amb forns de passada contínua o forns de rodets amb un control d'atmosfera més estricte solen obtenir una vida útil més llarga del mateix tipus; els forns de càrrega intermitent, comuns a la regió de Xangai, mostren el problema més ràpidament perquè cada refredament deixa que l'aire fresc arribi a les superfícies calentes.

El que realment retarda la degradació és senzill un cop tractes la fase de formació de lligams com a factor limitant. Mantén la temperatura màxima i el temps a temperatura tan baixos com permeti el procés; cada 50 °C addicionals per sobre dels 1350 °C accelera notablement la velocitat d'oxidació que mesuro en les peces retornades. Allà on el disseny del forn ho permet, un curt purgat o una atmosfera lleugerament reductora durant el manteniment a alta temperatura redueix la pressió parcial d'oxigen prou per allargar la vida útil en diversos mesos. Igualment important és la càrrega mecànica. Els discos de SiC nitrurats que només estan recolzats als extrems i suporten càrregues d'ús pesades i desiguals desenvolupen tensions de tracció més altes a la cara inferior; un cop la superfície s'ha debilitat per l'oxidació, aquestes tensions inicien les esquerdes abans. Passar a un suport de tres punts o a un suport continu, o simplement reduir la càrrega màxima per placa en un 15–20 %, sovint restaura l'interval de substitució original sense canviar la qualitat del material.

També comprovo les plaques retornades per comprovar el gruix de la capa oxidada. Un film superficial uniforme de color gris clar d'uns quants centenars de micròmetres és normal; una escòria més gruixuda localitzada o un polvoritzat a les vores sol significar o bé un punt calent al forn o una exposició prolongada per sobre del límit recomanat. Les plantes que registren les lectures de l'atmosfera i la càrrega màxima de la prestatgeria juntament amb el nombre de cicles abans que apareguin les primeres esquerdes solen poder allargar la vida mitjana d'uns 10 mesos a 14-16 mesos sobre el mateix sic aglomerat amb nitrur. Els que continuen amb el patró original de càrrega densa i una atmosfera totalment d'aire simplement substitueixen les plaques en un calendari més curt i car, i es pregunten per què el nou joc no dura més que l'anterior.

El material en si mateix és capaç de tenir una llarga vida útil quan la fase d'unió està protegida. La diferència que veig en la pràctica gairebé mai no és un canvi sobtat en la qualitat de la matèria primera; sinó si la planta tracta l'oxidació i la càrrega com a variables controlables o com a condicions de fons inevitables.