Miksi nitridipinnoitettu piikarbidi menettää lujuuttaan 8–12 kuukauden kuluttua hapettavissa ympäristöissä

Olen työskennellyt kaksitoista vuotta korkealämpötilalaitteiden parissa Shanghaissa ja sen lähialueiden keramiikka- ja metallurgiatehtaissa. Yksi yleisimmistä ongelmista, joita olen havainnut nitridiliitoksella sidotun piikarbidin yhteydessä, on se, että uunihyllyt, levyt ja asetuslevyt näyttävät vankoilta, kun ne viedään uuniin, mutta useiden kuukausien normaalin käytön jälkeen ne alkavat halkeilla tai taipua kuormituksissa, jotka ne aiemmin kestivät ongelmitta. Useimmat käyttäjät olettavat, että materiaali on yksinkertaisesti “kulunut loppuun” tai että polttosykli oli liian aggressiivinen. Niillä tuotantolinjoilla, joilla työskentelen, todellinen syy on nitridisidoksen asteittainen hapettuminen, kun pinta altistuu kuumalle ilmalle.

Nitridiliitoksella sidottu piikarbidi perustuu piinitridimatriisiin, joka pitää piikarbidijyvät yhdessä ja antaa osalle sen lujuuden ja lämpöshokkikestävyyden. Pelkistävässä tai neutraalissa ilmakehässä tämä sidos pysyy suhteellisen vakaana. Kun uuni toimii ylimääräisellä ilmalla – mikä on yleistä jaksottaisessa keraamisessa polttamisessa tai tietyissä metallien lämpökäsittelyjaksoissa – happi hyökkää nitridin kimmoisuutta vastaan. Pintaan ja, mikä tärkeintä, raerajoille muodostuu ohut piidioksidipitoinen kerros. Kappale ei hajoa yhtäkkiä, vaan se menettää vähitellen taivutuslujuuttaan ja muuttuu herkemmäksi lämpötilagradienteille. Näen säännöllisesti levyjä, joiden lujuus oli uutena selvästi yli 40 MPa, mutta jotka laskevat 20:n alapuolelle 8–12 kuukauden kuluttua päivittäisestä 1200 °C:n ja huoneenlämpötilan välisestä syklisestä lämpötilanvaihtelusta.

Tämä näkyy käytännössä kahdella tavalla. Ensinnäkin hyllyihin syntyy hiushalkeamia, jotka alkavat reunoista tai tukipisteiden ympäriltä ja leviävät sitten hyllyn oman painon ja siinä olevan tavarakuorman vaikutuksesta. Toiseksi hyllyn todellinen kantavuus heikkenee jo ennen kuin näkyviä halkeamia ilmenee, joten käyttäjät joko vähentävät hyllykohtaista kappalemäärää tai hyväksyvät suuremman rikkoutumisasteen. Molemmissa tapauksissa tehtaalla joudutaan korvaamaan kalusteet aikaisemmin kuin alkuperäisessä hankintalaskelmassa oletettiin. Tehtaissa, joissa käytetään jatkuvatoimisia työntöuuneja tai rullauuneja, joissa ilmakehän hallinta on tiukempaa, saman laatuluokan kalusteiden käyttöikä on yleensä pidempi; Shanghain alueella yleiset jaksottaiset eräuunit paljastavat ongelman nopeammin, koska jokaisen jäähdytyksen yhteydessä raikas ilma pääsee kosketuksiin kuumien pintojen kanssa.

Se, mikä tosiasiassa hidastaa hajoamista, on selvä, kun sidostilaa pidetään rajoittavana tekijänä. Pidä huippulämpötila ja lämpötilassaoloaika niin alhaisina kuin prosessi sallii; jokainen ylimääräinen 50 °C yli 1350 °C:n nostaa huomattavasti hapettumisnopeutta, jonka mittaan palautetuista osista. Jos uunin rakenne sen sallii, lyhyt puhdistus tai lievästi pelkistävä ilmapiiri korkean lämpötilan pitoaikana alentaa hapen osapaineen riittävästi, jotta käyttöikää voidaan pidentää useilla kuukausilla. Yhtä tärkeää on mekaaninen kuormitus. Nitridiliimattu piikarbidi (SiC), jota tuetaan vain päistä ja joka kantaa raskaita, epätasaisia kuormia, kehittää suurempia vetojännityksiä pohjapinnalle; kun pinta on heikentynyt hapettumisen vuoksi, nämä jännitykset aiheuttavat halkeamia aikaisemmin. Siirtyminen kolmipiste- tai jatkuvaan tukeen tai yksinkertaisesti levyn enimmäiskuormituksen vähentäminen 15–20 %:llä palauttaa usein alkuperäisen vaihtovälin muuttamatta materiaalin laatua.

Tarkistan myös palautettujen levyjen hapettuneen kerroksen paksuuden. Tasainen, vaaleanharmaa pintakalvo, jonka paksuus on muutama sata mikronia, on normaalia; paikallisesti paksumpi hilseily tai jauheutuminen reunoilla tarkoittaa yleensä joko uunin kuumaa kohtaa tai suositellun rajan ylittävää pitkäaikaista altistumista. Laitokset, jotka kirjaavat ilmakehän lukemat ja hyllyjen enimmäiskuormituksen sekä syklien lukumäärän ennen ensimmäisten halkeamien ilmestymistä, voivat yleensä pidentää keskimääräisen käyttöiän noin 10 kuukaudesta 14–16 kuukauteen samalla nitridiliimattulla SiC:llä. Ne laitokset, jotka jatkavat alkuperäisen tiheän kuormitusmallin ja täyden ilmakehän käyttöä, joutuvat yksinkertaisesti vaihtamaan levyt lyhyemmällä ja kalliimmalla aikataululla ja ihmettelevät jatkuvasti, miksi uusi sarja ei kestä yhtä kauan kuin edellinen.

Materiaali itsessään kestää pitkään, kun sidosvaihe on suojattu. Käytännössä havaitsemani ero ei juurikaan johdu raaka-aineen laadun äkillisestä muutoksesta, vaan siitä, käsitteleekö tehdas hapettumista ja kuormitusta hallittavina muuttujina vai väistämättöminä taustatekijöinä.