Γιατί το καρβίδιο του πυριτίου με σύνδεση νιτριδίου χάνει την αντοχή του μετά από 8–12 μήνες σε οξειδωτικές ατμόσφαιρες

Έχω περάσει δώδεκα χρόνια ασχολούμενος με εξοπλισμό υψηλής θερμοκρασίας στη Σαγκάη και στα γύρω εργοστάσια κεραμικών και μεταλλουργίας. Ένα από τα πιο συχνά προβλήματα που παρατηρώ με το καρβίδιο του πυριτίου με σύνδεση νιτριδίου είναι ότι τα ράφια, οι πλάκες και οι στηρίξεις του κλιβάνου φαίνονται ανθεκτικά όταν τοποθετούνται, αλλά μετά από αρκετούς μήνες κανονικής λειτουργίας αρχίζουν να ραγίζουν ή να κρεμάνε κάτω από φορτία που προηγουμένως αντέχαν χωρίς πρόβλημα. Οι περισσότεροι χειριστές υποθέτουν ότι το υλικό απλώς “φθαρμένο” ή ότι ο κύκλος πυρόλυσης ήταν υπερβολικά έντονος. Στις γραμμές παραγωγής με τις οποίες εργάζομαι, η πραγματική αιτία είναι η προοδευτική οξείδωση της φάσης σύνδεσης νιτριδίου, μόλις η επιφάνεια εκτεθεί στον αέρα σε υψηλή θερμοκρασία.

Το καρβίδιο του πυριτίου με σύνδεση νιτριδίου βασίζεται στη μήτρα νιτριδίου του πυριτίου για να συγκρατεί τους κόκκους του καρβιδίου του πυριτίου και να προσδίδει στο εξάρτημα την αντοχή και την ανθεκτικότητά του σε θερμικά σοκ. Σε αναγωγική ή ουδέτερη ατμόσφαιρα, αυτή η σύνδεση παραμένει σχετικά σταθερή. Όταν ο κλίβανος ή ο φούρνος λειτουργεί με περίσσεια αέρα — κάτι συνηθισμένο σε διαλείπουσες πυροδοτήσεις κεραμικών ή σε ορισμένους κύκλους θερμικής επεξεργασίας μετάλλων — το οξυγόνο προσβάλλει το νιτρίδιο. Σχηματίζεται ένα λεπτό στρώμα πλούσιο σε διοξείδιο του πυριτίου στην επιφάνεια και, κυρίως, στα όρια των κόκκων. Το εξάρτημα δεν παρουσιάζει ξαφνική αστοχία· χάνει σταδιακά την αντοχή του σε κάμψη και γίνεται πιο ευαίσθητο στις θερμικές κλίσεις. Παρατηρώ συχνά πλάκες που, όταν ήταν καινούργιες, παρουσίαζαν τιμές πολύ πάνω από τα 40 MPa, να πέφτουν στα χαμηλά επίπεδα των 20 MPa μετά από 8–12 μήνες καθημερινών κύκλων μεταξύ 1200 °C και θερμοκρασίας δωματίου.

Η πρακτική συνέπεια εκδηλώνεται με δύο τρόπους. Πρώτον, στα ράφια εμφανίζονται λεπτές ρωγμές που ξεκινούν από τις άκρες ή γύρω από τα σημεία στήριξης και στη συνέχεια εξαπλώνονται υπό το βάρος τους και το φορτίο των προϊόντων. Δεύτερον, η πραγματική φέρουσα ικανότητα μειώνεται ακόμη και πριν εμφανιστούν ορατές ρωγμές, οπότε οι χειριστές είτε μειώνουν τον αριθμό των τεμαχίων ανά ράφι είτε αποδέχονται υψηλότερα ποσοστά θραύσης. Και στις δύο περιπτώσεις, η μονάδα καταλήγει να αντικαθιστά τον εξοπλισμό νωρίτερα από ό,τι είχε υπολογιστεί κατά την αρχική αγορά. Οι μονάδες που χρησιμοποιούν συνεχείς ωθητές ή κλιβάνους με κυλίνδρους και αυστηρότερο έλεγχο της ατμόσφαιρας συνήθως επιτυγχάνουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής με την ίδια ποιότητα υλικού· οι διαλείποντες κλιβάνους παρτίδων, που είναι συνηθισμένοι στην περιοχή της Σαγκάης, παρουσιάζουν το πρόβλημα γρηγορότερα, επειδή κάθε ψύξη επιτρέπει στον φρέσκο αέρα να φτάσει στις καυτές επιφάνειες.

Το τι ακριβώς επιβραδύνει την αποδόμηση γίνεται σαφές όταν θεωρήσουμε τη φάση συγκόλλησης ως τον περιοριστικό παράγοντα. Διατηρήστε τη μέγιστη θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής στη θερμοκρασία όσο το δυνατόν χαμηλότερα, στο μέτρο που το επιτρέπει η διαδικασία· κάθε επιπλέον 50 °C πάνω από τους 1350 °C επιταχύνει αισθητά τον ρυθμό οξείδωσης που μετράω στα επιστρεφόμενα εξαρτήματα. Όπου το επιτρέπει ο σχεδιασμός του κλιβάνου, μια σύντομη εκκαθάριση ή μια ελαφρώς αναγωγική ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της διατήρησης σε υψηλή θερμοκρασία μειώνει την μερική πίεση του οξυγόνου αρκετά ώστε να παρατείνει τη διάρκεια ζωής κατά αρκετούς μήνες. Εξίσου σημαντική είναι η μηχανική καταπόνηση. Τα εξαρτήματα από SiC με σύνδεση νιτριδίου που στηρίζονται μόνο στα άκρα και φέρουν βαριά, άνισα φορτία εργασίας αναπτύσσουν υψηλότερες εφελκυστικές τάσεις στην κάτω επιφάνεια· μόλις η επιφάνεια αποδυναμωθεί από την οξείδωση, αυτές οι τάσεις προκαλούν ρωγμές νωρίτερα. Η μετάβαση σε στήριξη τριών σημείων ή συνεχή στήριξη, ή απλώς η μείωση του μέγιστου φορτίου ανά πλάκα κατά 15–20 %, συχνά αποκαθιστά το αρχικό διάστημα αντικατάστασης χωρίς αλλαγή της ποιότητας του υλικού.

Ελέγχω επίσης τις πλάκες που επιστρέφονται ως προς το πάχος του οξειδωμένου στρώματος. Μια ομοιόμορφη ανοιχτόγκριζη επιφανειακή μεμβράνη πάχους μερικών εκατοντάδων μικρών είναι φυσιολογική· τοπικά παχύτερες αποθέσεις οξείδωσης ή αποσάθρωση στις άκρες συνήθως υποδηλώνουν είτε ένα σημείο υπερθέρμανσης στον κλίβανο είτε παρατεταμένη έκθεση πέραν του συνιστώμενου ορίου. Τα εργοστάσια που καταγράφουν τις μετρήσεις της ατμόσφαιρας και το μέγιστο φορτίο ραφιών, παράλληλα με τον αριθμό των κύκλων πριν εμφανιστούν οι πρώτες ρωγμές, μπορούν συνήθως να αυξήσουν τη μέση διάρκεια ζωής από περίπου 10 μήνες σε 14–16 μήνες για το ίδιο SiC με νιτριδική σύνδεση. Εκείνα που συνεχίζουν να χρησιμοποιούν το αρχικό πρότυπο πυκνής φόρτωσης και ατμόσφαιρα πλήρους αέρα απλώς αντικαθιστούν τις πλάκες σύμφωνα με ένα συντομότερο και πιο δαπανηρό πρόγραμμα και αναρωτιούνται συνεχώς γιατί το νέο σετ δεν διαρκεί περισσότερο από το προηγούμενο.

Το ίδιο το υλικό έχει μεγάλη διάρκεια ζωής, εφόσον προστατεύεται η φάση σύνδεσης. Η διαφορά που παρατηρώ στην πράξη δεν έγκειται σχεδόν ποτέ σε μια ξαφνική αλλαγή στην ποιότητα της πρώτης ύλης· έγκειται στο αν το εργοστάσιο αντιμετωπίζει την οξείδωση και το φορτίο ως ελεγχόμενες μεταβλητές ή ως αναπόφευκτες συνθήκες του περιβάλλοντος.