Zašto nitridno vezani silicijev karbid gubi čvrstoću nakon 8–12 mjeseci u oksidacijskim atmosferama

Proveo sam dvanaest godina radeći s opremom za visoke temperature u Šangaju i okolnim pogonima keramike i metalurgije. Jedan od najdosljednijih problema koje vidim kod silicijevog karbida vezanog nitridima jest da se rešetke peći, ploče i nosači čine čvrstima kad se ubace, no nakon nekoliko mjeseci normalnog rada počinju pucati ili se savijati pod opterećenjima koja su prije bez problema podnosili. Većina operatera pretpostavlja da se materijal jednostavno “istrošio” ili da je ciklusa pečenja bio previše agresivan. U linijama s kojima radim, pravi uzrok je progresivna oksidacija faze nitridne veze čim je površina izložena zraku na temperaturi.

Silikon-karbid vezan nitridom oslanja se na matricu silicijevog nitrida kako bi držao zrnca silikon-karbida na okupu i osigurao dijelu čvrstoću i otpornost na toplinski šok. U reduktivnoj ili neutralnoj atmosferi ta veza ostaje relativno stabilna. Kad peć radi s viškom zraka — što je uobičajeno pri povremenim keramičkim pečenjima ili određenim ciklusima toplinske obrade metala — kisik napada nitrid. Na površini i, što je još važnije, na međugraničnim područjima, formira se tanki sloj bogat silicij dioksidom. Dijelovi ne popuštaju iznenada; postupno gube čvrstoću na savijanje i postaju osjetljiviji na toplinske gradijente. Redovito viđam ploče čija je čvrstoća pri savijanju, iznosila li je i više od 40 MPa kad su bile nove, pala na niske 20-e nakon 8–12 mjeseci svakodnevnih ciklusa između 1200 °C i sobne temperature.

Praktična posljedica očituje se na dva načina. Prvo, police razvijaju sitne pukotine koje počinju na rubovima ili oko potpornih točaka, a zatim se šire pod vlastitom težinom i teretom robe. Drugo, efektivni nosivost opada čak i prije pojave vidljivih pukotina, pa operateri ili smanjuju broj komada po polici ili prihvaćaju veće stope loma. U oba slučaja pogon na kraju zamjenjuje namještaj ranije nego što je pretpostavljeno u izvornoj računici kupnje. Pogoni koji koriste kontinuirane peći s klizačima ili valjkaste peći s strožijom kontrolom atmosfere obično postižu dulji vijek trajanja istog razreda; prekidne serijske peći, uobičajene u šangajskoj regiji, brže pokazuju problem jer svako hlađenje dopušta da svježi zrak dosegne vruće površine.

Ono što zapravo usporava degradaciju je jednostavno kad fazu vezanja tretirate kao ograničavajući čimbenik. Držite vršnu temperaturu i vrijeme zadržavanja na temperaturi što niže proces dopušta; svaka dodatna 50 °C iznad 1350 °C značajno ubrzava brzinu oksidacije koju mjerim na vraćenim dijelovima. Gdje dizajn peći to dopušta, kratko ispiranje ili blago reduktivna atmosfera tijekom zadržavanja na visokoj temperaturi smanjuju djelomični tlak kisika dovoljno da produže upotrebljivi vijek za nekoliko mjeseci. Jednako je važna i mehanička opterećenost. SiC nitridno vezan, koji je podržan samo na krajevima i podnosi teška, neujednačena opterećenja od habanja, razvija veća zatezna naprezanja na donjoj površini; jednom kada je površina oslabljena oksidacijom, ta naprezanja ranije pokreću pukotine. Prelazak na potporu u tri točke ili kontinuiranu potporu, odnosno jednostavno smanjenje maksimalnog opterećenja po ploči za 15–20 %, često vraća izvorni interval zamjene bez promjene razreda materijala.

Također provjeravam vraćene ploče radi debljine oksidiranog sloja. Ujednačeni svijetlosivi površinski film debljine nekoliko stotina mikrona je normalan; lokalno deblji sloj ljuske ili ljuštenje na rubovima obično znači ili vruću točku u peći ili produljenu izloženost iznad preporučenog ograničenja. Postrojenja koja bilježe očitanja atmosfere i maksimalno opterećenje police uz broj ciklusa prije pojave prvih pukotina obično mogu produljiti prosječni vijek trajanja s otprilike 10 mjeseci na 14–16 mjeseci na istom nitridno vezanom SiC-u. Oni koji nastavljaju s izvornim obrascem guste opterećenosti i potpunom zračnom atmosferom jednostavno zamjenjuju ploče prema kraćem i skupljem rasporedu i stalno se pitaju zašto novi set ne traje dulje od prethodnog.

Sam materijal može dugo služiti kad je faza vezanja zaštićena. Razlika koju vidim u praksi gotovo nikad nije iznenadna promjena kvalitete sirovine; ona je u tome tretira li pogon oksidaciju i opterećenje kao kontrolirane varijable ili kao neizbježne pozadinske uvjete.