Miks nitriidiga seotud ränikarbiid kaotab tugevuse pärast 8–12 kuud oksüdeerivas keskkonnas

Olen veetnud kaksteist aastat, tegeledes kõrgtemperatuursete seadmetega Shanghais ja selle ümbruses asuvates keraamika- ja metallurgiatehastes. Üks kõige sagedasemaid probleeme, mida ma nitriidiga seotud ränikarbiidi puhul näen, on see, et ahju riiulid, plaadid ja alused näevad sisseviimisel välja tugevad, kuid pärast mitu kuud tavapärast kasutamist hakkavad need pragunema või läbi vajuma koormuste all, mida nad varem probleemideta talusid. Enamik operaatoreid eeldab, et materjal lihtsalt “kulus ära” või et põletustsükkel oli liiga agressiivne. Minu töökohas on tegelikuks põhjuseks nitriidiga seotud faasi järkjärguline oksüdeerumine, kui pind puutub kokku kuuma õhuga.

Nitriidiga seotud ränikarbiid tugineb räninitriidist maatriksile, mis hoiab ränikarbiidi terad koos ning annab detailile tugevuse ja kuumšokikindluse. Redutseerivas või neutraalses keskkonnas püsib see side suhteliselt stabiilne. Kui ahjus või põletusahjus kasutatakse liigset õhku – mis on tavaline keraamiliste materjalide katkendlikul põletamisel või teatud metallide kuumtöötlemistsüklites –, ründab hapnik nitriidi. Pinnale ja, mis veelgi olulisem, terade piiridele moodustub õhuke ränirikas kiht. Detail ei purune äkitselt, vaid kaotab järk-järgult paindetugevust ja muutub tundlikumaks temperatuurikõikumiste suhtes. Näen sageli plaate, mille tugevus oli uuena oluliselt üle 40 MPa, kuid langeb 8–12 kuu jooksul, mil neid iga päev vaheldumisi kuumutatakse 1200 °C-ni ja jahutatakse toatemperatuurini, 20-ndate algusesse.

Sellel on kaks praktilist tagajärge. Esiteks, nitriidiga seotud ränikarbiidist ahjutarvikud
tekivad peenikesi pragusid, mis algavad servadest või tugipunktide ümbrusest ning levivad seejärel edasi omaenda raskuse ja kauba koormuse mõjul. Teiseks langeb tegelik kandevõime juba enne nähtavate pragude ilmumist, mistõttu operaatorid kas vähendavad riiulil olevate esemete arvu või leppivad suurema purunemismääraga. Mõlemal juhul peab tehas mööbli varem välja vahetama, kui algses ostuarvutuses eeldati. Tehastes, kus kasutatakse pidevtoimelisi tõukureid või rullahjusid, millel on rangem atmosfääri kontroll, kestab sama klassi toodete kasutusiga tavaliselt kauem; Shanghahi piirkonnas levinud katkendliku tööga partiiahjudes ilmneb probleem kiiremini, kuna iga jahutamise käigus pääseb värske õhk kuumadele pindadele.

Kui käsitleda sidumisfaasi piiravaks teguriks, on lagunemise aeglustamise põhimõte tegelikult lihtne. Hoidke tipptemperatuuri ja temperatuuril viibimise aega nii madalal, kui protsess seda võimaldab; iga täiendav 50 °C üle 1350 °C kiirendab märgatavalt oksüdatsioonikiirust, mida ma tagastatud detailidel mõõdan. Kui ahju konstruktsioon seda võimaldab, vähendab lühike puhastus või kergelt redutseeriv keskkond kõrgel temperatuuril hoidmise ajal hapniku osarõhku piisavalt, et pikendada kasutusiga mitme kuu võrra. Samavõrd oluline on mehaaniline koormus. Nitriidiga seotud SiC-d, mida toetatakse ainult otstest ja mis kannavad raskeid, ebaühtlasi koormusi, tekitavad alumisele pinnale suuremaid tõmbejõude; kui pind on oksüdeerumise tõttu nõrgenenud, põhjustavad need jõud varem pragude tekkimist. Üleminek kolmepunktilisele või pidevale toetusele või lihtsalt plaadi maksimaalse koormuse vähendamine 15–20 % võrra taastab sageli algse vahetusintervalli ilma materjali klassi muutmata.

Kontrollin ka tagastatud nitriidiga seotud ränikarbiidplaatide oksüdeerunud kihi paksust. Normaalne on ühtlane helehall pinnakile, mille paksus on mõnisada mikronit; kohati esinev paksem koorik või pulbristumine servades tähendab tavaliselt kas ahjus esinevat kuumkohta või soovitatud piirist pikemat kokkupuudet. Tehased, mis registreerivad atmosfääri näidud ja maksimaalse riiulikoormuse koos tsüklite arvuga enne esimeste pragude ilmumist, suudavad tavaliselt sama nitriidiga seotud ränikarbiidi keskmist kasutusiga pikendada umbes 10 kuult 14–16 kuuni. Need, kes jätkavad töötamist algse tiheda koormusmustri ja täisõhu keskkonnaga, vahetavad plaadid lihtsalt lühema ja kallima ajakava järgi välja ning imestavad jätkuvalt, miks uus komplekt ei kesta kauem kui eelmine.

Nitriidiga seotud ränikarbiidist ahjutarvikud on võimelised pikaajaliseks kasutamiseks, kui siduv faas on kaitstud. Erinevus, mida ma praktikas täheldan, ei seisne peaaegu kunagi tooraine kvaliteedi järskus muutuses; küsimus on selles, kas tehases käsitletakse oksüdeerumist ja koormust kontrollitavate muutujatena või vältimatute taustatingimustena.