Mengapa Silikon Karbida yang Diikat Nitrida Kehilangan Kekuatannya Setelah 8–12 Bulan dalam Atmosfer Oksidatif

Saya telah menghabiskan dua belas tahun menangani peralatan bersuhu tinggi di sekitar Shanghai serta pabrik-pabrik keramik dan metalurgi di sekitarnya. Salah satu masalah yang paling sering saya temui pada silikon karbida yang diikat dengan nitrida adalah bahwa rak, pelat, dan penyangga tungku tampak kokoh saat dimasukkan, namun setelah beberapa bulan beroperasi secara normal, mereka mulai retak atau melengkung di bawah beban yang sebelumnya dapat ditangani tanpa masalah. Sebagian besar operator menganggap bahan tersebut sekadar “aus” atau bahwa siklus pembakaran terlalu agresif. Di lini produksi yang saya tangani, penyebab sebenarnya adalah oksidasi progresif pada fase ikatan nitrida begitu permukaannya terpapar udara pada suhu tinggi.

Silikon karbida yang terikat nitrida mengandalkan matriks silikon nitrida untuk menyatukan butiran-butiran silikon karbida serta memberikan kekuatan dan ketahanan terhadap guncangan termal pada komponen tersebut. Dalam atmosfer reduksi atau netral, ikatan tersebut relatif stabil. Begitu kiln atau tungku beroperasi dengan kelebihan udara—hal yang umum terjadi pada proses pembakaran keramik secara intermiten atau siklus perlakuan panas logam tertentu—oksigen akan menyerang nitrida. Lapisan tipis yang kaya silika terbentuk di permukaan dan, yang lebih penting, di batas-batas butiran. Komponen tersebut tidak langsung rusak; namun secara bertahap kehilangan kekuatan lentur dan menjadi lebih sensitif terhadap gradien termal. Saya sering menjumpai pelat yang awalnya memiliki nilai kekuatan lentur jauh di atas 40 MPa saat baru, namun turun menjadi di kisaran 20-an setelah 8–12 bulan mengalami siklus harian antara 1200 °C dan suhu kamar.

Konsekuensi praktisnya terlihat dalam dua hal. Pertama, rak-rak tersebut mengalami retakan halus yang bermula di tepi atau di sekitar titik penyangga, lalu menyebar akibat beban berat rak itu sendiri ditambah beban barang. Kedua, kapasitas penahan beban efektif menurun bahkan sebelum retakan terlihat, sehingga operator harus mengurangi jumlah barang per rak atau menerima tingkat kerusakan yang lebih tinggi. Dalam kedua kasus tersebut, pabrik akhirnya harus mengganti perabotan lebih cepat daripada yang diperkirakan dalam perhitungan pembelian awal. Pabrik yang mengoperasikan mesin dorong kontinu atau tungku rol dengan kontrol atmosfer yang lebih ketat biasanya mendapatkan masa pakai yang lebih lama dari bahan dengan kualitas yang sama; sedangkan tungku batch intermiten yang umum di wilayah Shanghai menunjukkan masalah ini lebih cepat karena setiap proses pendinginan memungkinkan udara segar mencapai permukaan yang panas.

Apa yang sebenarnya memperlambat degradasi menjadi jelas begitu Anda menganggap fase ikatan sebagai faktor pembatas. Jaga agar suhu puncak dan waktu pada suhu tersebut serendah mungkin sesuai dengan yang diizinkan oleh proses; setiap kenaikan 50 °C di atas 1350 °C secara nyata mempercepat laju oksidasi yang saya ukur pada komponen yang dikembalikan. Jika desain tungku memungkinkan, pembersihan singkat atau atmosfer yang sedikit reduktif selama penahanan suhu tinggi akan mengurangi tekanan parsial oksigen cukup untuk memperpanjang masa pakai hingga beberapa bulan. Yang tak kalah penting adalah beban mekanis. SIC terikat nitrida yang hanya ditopang di ujung-ujungnya dan menanggung beban barang yang berat dan tidak merata akan mengalami tegangan tarik yang lebih tinggi pada permukaan bawah; begitu permukaannya melemah akibat oksidasi, tegangan tersebut akan memicu retakan lebih awal. Beralih ke penyangga tiga titik atau penyangga kontinu, atau sekadar mengurangi beban maksimum per pelat sebesar 15–20 %, sering kali dapat mengembalikan interval penggantian semula tanpa mengubah kelas material.

Saya juga memeriksa ketebalan lapisan oksidasi pada pelat yang dikembalikan. Lapisan permukaan abu-abu muda yang seragam dengan ketebalan beberapa ratus mikron merupakan hal yang normal; adanya kerak yang lebih tebal secara lokal atau pengelupasan di tepi biasanya menandakan adanya titik panas di dalam tungku atau paparan yang berkepanjangan melebihi batas yang direkomendasikan. Pabrik yang mencatat pembacaan atmosfer dan beban rak maksimum bersama dengan jumlah siklus sebelum retakan pertama muncul biasanya dapat meningkatkan umur rata-rata dari sekitar 10 bulan menjadi 14–16 bulan pada SiC terikat nitrida yang sama. Pabrik-pabrik yang tetap menggunakan pola pemuatan padat asli dan atmosfer udara penuh hanya akan mengganti pelat sesuai jadwal yang lebih singkat dan lebih mahal, serta terus bertanya-tanya mengapa set pelat baru tidak bertahan lebih lama daripada set sebelumnya.

Bahan itu sendiri mampu bertahan lama jika fase ikatannya terlindungi. Perbedaan yang saya amati di lapangan hampir tidak pernah berupa perubahan mendadak dalam kualitas bahan baku; melainkan terletak pada apakah pabrik memperlakukan oksidasi dan beban sebagai variabel yang dapat dikendalikan atau sebagai kondisi latar belakang yang tak terhindarkan.