Por que o carboneto de silício ligado com nitreto perde resistência após 8 a 12 meses em atmosferas oxidantes

Passei doze anos lidando com equipamentos de alta temperatura na região de Xangai e nas fábricas de cerâmica e metalurgia vizinhas. Um dos problemas mais recorrentes que observo com o carboneto de silício ligado por nitreto é que as prateleiras, placas e suportes do forno parecem sólidos quando são colocados lá dentro, mas, após vários meses de operação normal, começam a rachar ou ceder sob cargas que antes suportavam sem problemas. A maioria dos operadores presume que o material simplesmente “se desgastou” ou que o ciclo de queima foi muito agressivo. Nas linhas com as quais trabalho, o verdadeiro fator determinante é a oxidação progressiva da fase de liga de nitreto, uma vez que a superfície é exposta ao ar em temperatura elevada.

O carboneto de silício ligado por nitreto depende da matriz de nitreto de silício para manter os grãos de carboneto de silício unidos e conferir à peça sua resistência mecânica e resistência ao choque térmico. Em uma atmosfera redutora ou neutra, essa ligação permanece relativamente estável. Quando o forno opera com excesso de ar — o que é comum em queimas intermitentes de cerâmica ou em certos ciclos de tratamento térmico de metais —, o oxigênio ataca o nitreto. Uma fina camada rica em sílica se forma na superfície e, mais importante ainda, nos limites dos grãos. A peça não falha repentinamente; ela perde gradualmente a resistência à flexão e se torna mais sensível aos gradientes térmicos. Vejo regularmente placas que, quando novas, apresentavam valores bem acima de 40 MPa, caindo para valores na casa dos 20 após 8 a 12 meses de ciclos diários entre 1.200 °C e a temperatura ambiente.

A consequência prática se manifesta de duas maneiras. Primeiro, as prateleiras apresentam fissuras finas que se iniciam nas bordas ou ao redor dos pontos de apoio e, em seguida, se propagam sob o próprio peso, somado à carga de louças. Segundo, a capacidade efetiva de suporte de carga diminui antes mesmo que fissuras visíveis apareçam; assim, os operadores ou reduzem o número de peças por prateleira ou aceitam taxas de quebra mais elevadas. Em ambos os casos, a fábrica acaba substituindo os móveis mais cedo do que o previsto no cálculo original de compra. Fábricas que operam empurradores contínuos ou fornos de rolos com controle mais rigoroso da atmosfera geralmente obtêm maior vida útil com o mesmo tipo de material; os fornos de lote intermitentes, comuns na região de Xangai, apresentam o problema mais rapidamente, pois cada resfriamento permite que o ar fresco alcance as superfícies quentes.

O que realmente retarda a degradação fica claro quando se considera a fase de ligação como o fator limitante. Mantenha a temperatura máxima e o tempo de permanência nessa temperatura tão baixos quanto o processo permitir; cada 50 °C a mais acima de 1.350 °C acelera visivelmente a taxa de oxidação que eu meço nas peças devolvidas. Quando o projeto do forno permitir, uma purga curta ou uma atmosfera levemente redutora durante a manutenção em alta temperatura reduz a pressão parcial de oxigênio o suficiente para prolongar a vida útil em vários meses. Igualmente importante é a carga mecânica. O SiC ligado por nitreto que é apoiado apenas nas extremidades e suporta cargas pesadas e desiguais desenvolve tensões de tração mais elevadas na face inferior; uma vez que a superfície tenha sido enfraquecida pela oxidação, essas tensões provocam rachaduras mais cedo. Mudar para um suporte de três pontos ou contínuo, ou simplesmente reduzir a carga máxima por placa em 15–20 %, muitas vezes restaura o intervalo de substituição original sem alterar o tipo de material.

Também verifico a espessura da camada oxidada nas placas devolvidas. Uma película superficial uniforme de cor cinza-clara, com algumas centenas de mícrons, é normal; a presença de incrustações mais espessas em áreas localizadas ou de pulverização nas bordas geralmente indica um ponto quente no forno ou exposição prolongada acima do limite recomendado. Fábricas que registram as leituras da atmosfera e a carga máxima nas prateleiras, juntamente com o número de ciclos antes do surgimento das primeiras rachaduras, geralmente conseguem aumentar a vida útil média de aproximadamente 10 meses para 14 a 16 meses com o mesmo SiC ligado por nitreto. Aquelas que continuam operando com o padrão original de carga densa e atmosfera de ar puro simplesmente substituem as placas em um intervalo mais curto e mais caro, e ficam se perguntando por que o novo conjunto não dura mais do que o anterior.

O próprio material é capaz de ter uma longa vida útil quando a fase de ligação é protegida. A diferença que observo na prática quase nunca é uma mudança repentina na qualidade da matéria-prima; trata-se de saber se a fábrica trata a oxidação e a carga como variáveis controláveis ou como condições de fundo inevitáveis.