窒化物結合炭化ケイ素が、酸化性雰囲気中で8～12ヶ月経過後に強度を低下させる理由

私は12年間、上海およびその周辺のセラミックス・冶金工場において、高温設備の取り扱いに携わってきました。 窒化物結合炭化ケイ素に関して私が最も頻繁に目にする問題の一つは、窯の棚板、プレート、セッターが投入時には頑丈に見えるにもかかわらず、数ヶ月間の通常の稼働を経て、以前は問題なく耐えていた荷重の下でひび割れやたわみが生じ始めることです。 多くのオペレーターは、単に材料が「摩耗した」か、あるいは焼成サイクルが過酷すぎたのだと推測しています。しかし、私が携わっている生産ラインにおいて、真の原因は、高温状態で表面が空気にさらされると、窒化物結合相が徐々に酸化していくことにあるのです。.

窒化物結合型炭化ケイ素は、窒化ケイ素マトリックスによって炭化ケイ素結晶粒が結合され、部品に強度と耐熱衝撃性を与えています。 還元性または中性雰囲気下では、この結合は比較的安定しています。しかし、窯や炉で過剰な空気が流入すると（これは間欠的なセラミック焼成や特定の金属熱処理サイクルでよく見られます）、酸素が窒化物を侵食します。その結果、表面、そしてより重要なことに粒界に、シリカを豊富に含む薄い層が形成されます。 部品は突然破損するわけではありませんが、曲げ強度が徐々に低下し、温度勾配に対する感受性が高まります。新品時には40 MPaを大幅に上回っていたプレートが、1200 °Cと室温の間で8～12ヶ月間毎日温度サイクルを繰り返した結果、20 MPa台前半まで低下してしまう例を、私は頻繁に目にします。.

この実用上の影響は、2つの形で現れます。第一に、棚の端や支持点周辺から発生した微細なひび割れが、棚自体の重量と積載物の重みによって広がっていきます。第二に、目に見えるひび割れが現れる前から実効耐荷重が低下するため、オペレーターは棚あたりの積載数を減らすか、あるいは破損率の上昇を受け入れるかのいずれかを選択せざるを得なくなります。 いずれの場合も、工場は当初の購入計画で想定していたよりも早く設備を交換することになる。連続式プッシャーや、より厳密な雰囲気制御が施されたローラーキルンを稼働している工場では、通常、同じグレードの設備でも耐用年数が長くなる。一方、上海地域で一般的な間欠式バッチキルンでは、冷却のたびに外気が高温の表面に接触するため、この問題がより早く顕在化する。.

結合相を制限要因とみなせば、実際に劣化を遅らせる要因は単純明快です。ピーク温度と保持時間を、プロセスが許す限り低く抑えてください。1350 °Cを超えるごとに50 °C上昇するごとに、返却された部品で私が測定した酸化速度は著しく加速します。 窯の設計上可能な場合は、高温保持中に短時間のパージを行うか、わずかに還元性の雰囲気を与えることで、酸素分圧を十分に低下させ、耐用期間を数ヶ月延長することができます。 同様に重要なのが機械的負荷です。両端のみで支持され、不均一な重い製品荷重がかかる窒化物結合SiCは、底面に高い引張応力が発生します。表面が酸化によって弱体化すると、これらの応力が早期に亀裂を誘発します。 3点支持や連続支持に変更するか、あるいは単にプレートあたりの最大荷重を 15～20 % 低減するだけで、材料のグレードを変更することなく、多くの場合、元の交換間隔に戻すことができます。.

また、返却されたプレートについて、酸化層の厚さも確認しています。数百ミクロン程度の均一な薄灰色の表面膜があれば正常ですが、局所的に厚いスケールが付着していたり、縁に粉化が見られたりする場合は、通常、窯内のホットスポット、あるいは推奨限度を超えて長時間加熱されたことを意味します。 雰囲気測定値や最大棚積載量、そして最初の亀裂が現れるまでのサイクル数を記録している工場では、通常、同じ窒化物結合SiCプレートを使用しても、平均寿命を約10ヶ月から14～16ヶ月に延ばすことができます。 当初の密な積載パターンと完全な空気雰囲気を維持し続ける工場は、より短期間でコストのかかるスケジュールでプレートを交換し続け、なぜ新しいセットが前のセットと同じくらいしか持たないのかと不思議に思い続けることになる。.

結合相が保護されていれば、この材料自体は長期間にわたって使用可能です。現場で見られる違いは、原材料の品質が突然変化することなどほとんどなく、その工場が酸化や負荷を「制御可能な変数」として扱うか、それとも「避けられない背景条件」として扱うかという点にあります。.