Miért veszít szilárdságából a nitriddel kötött szilícium-karbid 8–12 hónap elteltével oxidáló légkörben?

Tizenkét éven át foglalkoztam magas hőmérsékletű berendezésekkel Sanghajban és a környező kerámia- és kohászati üzemekben. Az egyik leggyakrabban előforduló probléma, amit a nitridkötésű szilícium-karbid esetében tapasztalok, az, hogy a kemencepolcok, lemezek és tartók behelyezéskor szilárdnak tűnnek, ám néhány hónapos normál üzemeltetés után repedni kezdenek vagy megereszkednek olyan terhelés alatt, amelyet korábban gond nélkül elbírtak. A legtöbb üzemeltető azt feltételezi, hogy az anyag egyszerűen “elkopott”, vagy hogy az égetési ciklus túl agresszív volt. Az általam kezelt gyártósorok esetében a valódi ok a nitridkötőfázis fokozatos oxidációja, miután a felület magas hőmérsékleten levegővel érintkezik.

A nitridkötésű szilícium-karbid esetében a szilícium-nitrid mátrix tartja össze a szilícium-karbid szemcséket, és biztosítja az alkatrész szilárdságát és hőmérsékleti sokkállóságát. Redukáló vagy semleges légkörben ez a kötés viszonylag stabil marad. Amint a kemence vagy a kemence túlzott levegőellátással működik – ami gyakori az időszakos kerámiaégetéseknél vagy bizonyos fémhőkezelési ciklusoknál –, az oxigén megtámadja a nitridet. Vékony, szilícium-dioxidban gazdag réteg képződik a felületen, és ami még fontosabb, a szemcsék határain. Az alkatrész nem romlik el hirtelen; fokozatosan veszít hajlítószilárdságából, és érzékenyebbé válik a hőmérsékleti gradiensekre. Rendszeresen találkozom olyan lemezekkel, amelyek új állapotban jóval 40 MPa feletti értéket mutattak, de 8–12 hónapos, napi 1200 °C és szobahőmérséklet közötti ciklusok után a 20-as tartomány alsó értékeire esnek vissza.

Ennek gyakorlati következménye kétféleképpen jelentkezik. Először is, a polcokon hajszálrepedések keletkeznek, amelyek a széleken vagy a támaszpontok környékén indulnak, majd a polcok saját súlya és a rajtuk lévő áru terhelése hatására terjednek tovább. Másodszor, a tényleges teherbíró képesség már a látható repedések megjelenése előtt csökken, így az üzemeltetőknek vagy csökkenteniük kell a polconkénti darabszámot, vagy el kell fogadniuk a magasabb törésarányt. Mindkét esetben az üzem végül hamarabb cseréli ki a berendezéseket, mint azt az eredeti beszerzési számítások feltételezték. Azok az üzemek, amelyek folyamatos tolós kemencéket vagy szigorúbb légkörszabályozású görgős kemencéket üzemeltetnek, általában hosszabb élettartamot érnek el ugyanazon minőségű berendezésekkel; a Sanghaj környékén elterjedt szakaszos kemencéknél a probléma gyorsabban jelentkezik, mivel minden lehűlés során friss levegő jut a forró felületekhez.

Ha a kötési fázist tekintjük a korlátozó tényezőnek, akkor egyértelművé válik, mi is lassítja valójában a lebomlást. A csúcshőmérsékletet és a hőmérsékleten töltött időt tartsuk a folyamat által megengedett legalacsonyabb szinten; minden további 50 °C 1350 °C felett észrevehetően felgyorsítja az oxidációs sebességet, amit a visszaküldött alkatrészeken mértem. Amennyiben a kemence kialakítása lehetővé teszi, egy rövid tisztító folyamat vagy egy enyhén redukáló légkör a magas hőmérsékleten való tartás során elegendő mértékben csökkenti az oxigén parciális nyomását ahhoz, hogy a használati élettartamot több hónappal meghosszabbítsa. Ugyanilyen fontos a mechanikai terhelés is. A csak a végeken támasztott, nehéz és egyenetlen terhelést viselő nitridkötésű szilícium-karbid aljfelületén nagyobb húzószilárdsági feszültségek alakulnak ki; miután a felületet az oxidáció meggyengítette, ezek a feszültségek korábban repedéseket idéznek elő. Ha hárompontos vagy folyamatos támasztásra térünk át, vagy egyszerűen csak 15–20 %-vel csökkentjük a lemezenkénti maximális terhelést, az gyakran visszaállítja az eredeti cserélési intervallumot anélkül, hogy az anyagminőséget megváltoztatnánk.

A visszaküldött lemezeknél az oxidréteg vastagságát is ellenőrzöm. Normálisnak számít egy néhány száz mikron vastagságú, egyenletes, világosszürke felületi réteg; a helyenként vastagabb koromréteg vagy a széleken megjelenő porosodás általában vagy a kemencében kialakult túlmelegedési pontot, vagy az ajánlott határérték feletti hosszan tartó kitettséget jelzi. Azok a gyárak, amelyek rögzítik a légköri értékeket és a maximális polcterhelést, valamint az első repedések megjelenése előtti ciklusszámot, általában körülbelül 10 hónapról 14–16 hónapra tudják növelni az átlagos élettartamot ugyanazon a nitridkötésű szilícium-karbidon. Azok a gyárak, amelyek továbbra is az eredeti sűrű terhelési mintát és a teljes levegőatmoszférát alkalmazzák, egyszerűen rövidebb, drágább ütemezés szerint cserélik ki a lemezeket, és folyamatosan azon tűnődnek, hogy az új készlet miért nem tart tovább, mint az előző.

Maga az anyag hosszú élettartamra képes, ha a kötőfázis védelmet élvez. A gyakorlatban tapasztalt eltérés szinte soha nem a nyersanyag minőségének hirtelen változásából fakad; hanem abból, hogy az üzem az oxidációt és a terhelést szabályozható változóknak tekinti-e, vagy elkerülhetetlen háttérfeltételeknek.