Kodėl nitridu sujungtas silicio karbidas praranda stiprumą po 8–12 mėnesių oksiduojančioje aplinkoje

Dvylika metų dirbau su aukštos temperatūros įranga Šanchajuje ir aplinkinėse keramikos bei metalurgijos gamyklose. Viena iš dažniausiai pasitaikančių problemų, susijusių su nitridu sujungtu silicio karbidu, yra ta, kad krosnių lentynos, plokštės ir laikikliai atrodo tvirti, kai juos įdedama, tačiau po kelių mėnesių įprasto eksploatavimo jie pradeda trūkinėti arba išlinkti dėl apkrovų, kurias anksčiau išlaikydavo be jokių problemų. Dauguma operatorių mano, kad medžiaga tiesiog “nusidėvėjo” arba kad degimo ciklas buvo pernelyg intensyvus. Linijose, su kuriomis dirbu, tikroji priežastis yra laipsniškas nitrido rišiklio fazės oksidavimas, kai paviršius aukštoje temperatūroje susiliečia su oru.

Nitridu sujungtas silicio karbidas remiasi silicio nitrido matrica, kuri laiko silicio karbido grūdelius kartu ir suteikia detalei stiprumą bei atsparumą terminiams smūgiams. Redukuojančioje arba neutralioje aplinkoje šis ryšys išlieka palyginti stabilus. Kai krosnyje arba degimo krosnyje susidaro oro perteklius – tai dažnai pasitaiko periodinio keramikos degimo arba tam tikrų metalų terminio apdorojimo ciklų metu – deguonis ardo nitridą. Ant paviršiaus, o svarbiausia – grūdelių ribose, susidaro plonas silicio dioksidu turtingas sluoksnis. Detalė nesugenda staiga; ji palaipsniui praranda lenkimo stiprumą ir tampa jautresnė temperatūriniams gradientams. Aš nuolat matau plokštes, kurių stiprumas, kai jos buvo naujos, gerokai viršijo 40 MPa, o po 8–12 mėnesių kasdienio ciklų tarp 1200 °C ir kambario temperatūros stiprumas nukrenta iki maždaug 20 MPa.

Praktinės pasekmės pasireiškia dviem būdais. Pirma, lentynose atsiranda ploni įtrūkimai, kurie prasideda nuo kraštų arba aplink atraminius taškus ir vėliau plinta dėl pačių lentynų svorio bei ant jų esančių indų apkrovos. Antra, faktinis apkrovos atsparumas sumažėja dar prieš atsirandant matomiems įtrūkimams, todėl operatoriai turi arba sumažinti vienoje lentynoje dedamų indų skaičių, arba susitaikyti su didesniu indų lūžimo dažniu. Abiem atvejais gamykla galiausiai turi pakeisti baldus anksčiau, nei buvo numatyta pradiniuose pirkimo skaičiavimuose. Gamyklos, kuriose naudojami nepertraukiamo veikimo stūmikai arba ritininės krosnys su griežtesne atmosferos kontrole, paprastai pasiekia ilgesnį to paties tipo baldų tarnavimo laiką; Šanchajaus regione paplitusios periodinio veikimo partijų krosnys šią problemą atskleidžia greičiau, nes kiekvieno atvėsinimo metu šviežias oras patenka į karštus paviršius.

Kai ryšio fazę laikote ribojančiu veiksniu, tampa aišku, kas iš tikrųjų lėtina susidėvėjimą. Maksimalią temperatūrą ir buvimo toje temperatūroje trukmę išlaikykite kuo žemesnes, kiek leidžia procesas; kiekvienas papildomas 50 °C virš 1350 °C pastebimai pagreitina oksidacijos greitį, kurį matuoju grąžintose detalėse. Jei krosnies konstrukcija leidžia, trumpas prapūtimas arba šiek tiek redukuojanti atmosfera aukštoje temperatūroje pakankamai sumažina deguonies dalinį slėgį, kad naudingo tarnavimo laikas pailgėtų keliais mėnesiais. Ne mažiau svarbi yra mechaninė apkrova. Nitridu sujungtas SiC, kuris remiasi tik galuose ir išlaiko dideles, nevienodai paskirstytas apkrovas, patiria didesnes tempimo įtampas apatinėje pusėje; kai paviršius susilpnėja dėl oksidacijos, tos įtampos anksčiau sukelia įtrūkimus. Perėjimas prie trijų taškų arba nuolatinio atraminio tvirtinimo, arba tiesiog maksimalios apkrovos vienai plokštei sumažinimas 15–20 % dažnai atkuria pradinį keitimo intervalą, nekeičiant medžiagos rūšies.

Taip pat tikrinu grąžintų plokščių oksiduoto sluoksnio storį. Įprasta, kad paviršiuje būtų vienodas šviesiai pilkas plėvelės sluoksnis, kurio storis siekia kelis šimtus mikronų; vietomis pasitaikanti storesnė apnaša arba milteliai kraštuose paprastai reiškia, kad krosnyje buvo karšta vieta arba kad plokštės buvo ilgai veikiamos viršijant rekomenduojamą ribą. Gamyklos, kurios registruoja atmosferos rodmenis ir maksimalią lentynos apkrovą kartu su ciklų skaičiumi iki pirmųjų įtrūkimų atsiradimo, paprastai gali prailginti vidutinį tarnavimo laiką nuo maždaug 10 mėnesių iki 14–16 mėnesių naudojant tą patį nitridu sujungtą silicio karbidą. Tos įmonės, kurios ir toliau taiko pradinį tankų pakrovimo modelį bei visišką oro atmosferą, tiesiog keičia plokštes pagal trumpesnį ir brangesnį grafiką bei nuolat stebisi, kodėl naujas komplektas tarnauja ne ilgiau nei ankstesnis.

Pati medžiaga gali tarnauti ilgai, jei apsaugoma jos rišamoji fazė. Skirtumas, kurį pastebiu praktikoje, beveik niekada nėra staigus žaliavos kokybės pasikeitimas; jis susijęs su tuo, ar gamykla laiko oksidaciją ir apkrovą kaip kontroliuojamus kintamuosius, ar kaip neišvengiamas fonines sąlygas.