De ce carbură de siliciu cu liant de nitrură își pierde rezistența după 8–12 luni în atmosfere oxidante

Am petrecut doisprezece ani lucrând cu echipamente de înaltă temperatură în zona orașului Shanghai și în fabricile de ceramică și metalurgie din împrejurimi. Una dintre cele mai frecvente probleme pe care le observ în cazul carburii de siliciu cu legătură de nitrură este că rafturile, plăcile și suporturile cuptorului par solide la momentul introducerii, însă, după câteva luni de funcționare normală, încep să se fisureze sau să se deformeze sub sarcini pe care le suportau anterior fără probleme. Majoritatea operatorilor presupun că materialul pur și simplu “s-a uzat” sau că ciclul de ardere a fost prea agresiv. În liniile de producție cu care lucrez, adevărata cauză este oxidarea progresivă a fazei de legătură din nitrură odată ce suprafața este expusă la aer la temperatură ridicată.

Carbura de siliciu legată cu nitrură de siliciu se bazează pe matricea de nitrură de siliciu pentru a menține împreună granulele de carbură de siliciu și pentru a conferi piesei rezistența și rezistența la șocuri termice. Într-o atmosferă reducătoare sau neutră, această legătură rămâne relativ stabilă. Odată ce cuptorul funcționează cu un exces de aer — situație frecventă în cazul arderilor ceramice intermitente sau al anumitor cicluri de tratament termic al metalelor — oxigenul atacă nitrura. Se formează un strat subțire bogat în siliciu la suprafață și, mai important, la limitele dintre granule. Piesa nu cedează brusc; își pierde treptat rezistența la încovoiere și devine mai sensibilă la gradientele termice. Observ frecvent plăci care, atunci când erau noi, înregistrau valori cu mult peste 40 MPa, iar după 8–12 luni de cicluri zilnice între 1200 °C și temperatura camerei, acestea scad la valori de puțin peste 20 MPa.

Consecința practică se manifestă în două moduri. În primul rând, rafturile prezintă fisuri fine care pornesc de la margini sau din jurul punctelor de sprijin și se propagă apoi sub propria greutate, la care se adaugă greutatea încărcăturii. În al doilea rând, capacitatea efectivă de susținere a sarcinii scade chiar înainte de apariția fisurilor vizibile, astfel încât operatorii fie reduc numărul de piese pe raft, fie acceptă rate mai mari de spargere. În ambele cazuri, fabrica ajunge să înlocuiască mobilierul mai devreme decât se presupunea în calculul inițial de achiziție. Fabricile care utilizează împingătoare continue sau cuptoare cu role cu un control mai strict al atmosferei obțin, de obicei, o durată de viață mai lungă pentru același tip de mobilier; cuptoarele cu funcționare intermitentă, comune în regiunea Shanghai, prezintă problema mai repede, deoarece fiecare răcire permite aerului proaspăt să ajungă la suprafețele fierbinți.

Ceea ce încetinește efectiv degradarea devine evident odată ce se consideră faza de legătură drept factorul limitativ. Mențineți temperatura maximă și timpul de menținere la această temperatură la cele mai scăzute valori permise de proces; fiecare 50 °C în plus peste 1350 °C accelerează în mod vizibil rata de oxidare pe care o măsor pe piesele returnate. În cazul în care proiectarea cuptorului permite acest lucru, o scurtă purjare sau o atmosferă ușor reducătoare în timpul menținerii la temperatură ridicată reduce presiunea parțială a oxigenului suficient pentru a prelungi durata de viață utilă cu câteva luni. La fel de importantă este și încărcarea mecanică. Piesele din SiC cu legătură de nitrură, care sunt susținute doar la capete și suportă sarcini grele și inegale, dezvoltă tensiuni de tracțiune mai mari pe fața inferioară; odată ce suprafața a fost slăbită de oxidare, aceste tensiuni provoacă apariția fisurilor mai devreme. Trecerea la un suport în trei puncte sau continuu, sau pur și simplu reducerea sarcinii maxime pe placă cu 15–20 %, restabilește adesea intervalul inițial de înlocuire fără a schimba calitatea materialului.

De asemenea, verific grosimea stratului oxidat de pe plăcile returnate. Un strat superficial uniform, de culoare gri deschis, de câteva sute de microni, este normal; prezența unor zone localizate cu strat mai gros sau a pulverizării la margini indică, de obicei, fie un punct fierbinte în cuptor, fie o expunere prelungită peste limita recomandată. Fabricile care înregistrează valorile atmosferei și încărcarea maximă a rafturilor, alături de numărul de cicluri până la apariția primelor fisuri, pot, de obicei, să prelungească durata medie de viață de la aproximativ 10 luni la 14–16 luni pentru același SiC cu legătură de nitrură. Cele care continuă să utilizeze modelul inițial de încărcare densă și atmosfera cu aer pur pur și simplu înlocuiesc plăcile la intervale mai scurte și mai costisitoare și se întreabă în continuare de ce noul set nu durează mai mult decât cel anterior.

Materialul în sine are o durată de viață îndelungată atunci când faza de legătură este protejată. Diferența pe care o observ în practică nu constă aproape niciodată într-o schimbare bruscă a calității materiei prime; ci în faptul dacă fabrica tratează oxidarea și încărcarea ca variabile controlabile sau ca condiții de fond inevitabile.