Prečo karbid kremíka spojený nitridom stráca pevnosť po 8–12 mesiacoch v oxidačných atmosférach

Dvanásť rokov som sa zaoberal zariadeniami pracujúcimi pri vysokých teplotách v Šanghaji a v okolitých keramických a hutníckych závodoch. Jedným z najčastejších problémov, s ktorými sa stretávam pri karbide kremíka spojenom nitridom, je to, že police, dosky a podložky v peci vyzerajú pevne pri vložení do pece, avšak po niekoľkých mesiacoch bežnej prevádzky začnú praskať alebo sa prehýbať pod zaťažením, ktoré predtým zvládali bez problémov. Väčšina prevádzkovateľov predpokladá, že sa materiál jednoducho “opotreboval” alebo že vypaľovací cyklus bol príliš agresívny. V linkách, s ktorými pracujem, je skutočnou príčinou postupná oxidácia fázy s nitridovým spojivom, akonáhle je povrch vystavený vzduchu pri vysokej teplote.

Karbid kremíka spojený nitridom využíva maticu z nitridu kremíka, ktorá drží zrná karbidu kremíka pohromade a dodáva dielu pevnosť a odolnosť voči tepelným šokom. V redukčnej alebo neutrálnej atmosfére zostáva táto väzba relatívne stabilná. Akonáhle pec pracuje s nadbytkom vzduchu – čo je bežné pri prerušovanom vypaľovaní keramiky alebo pri určitých cykloch tepelného spracovania kovov – kyslík napadá nitrid. Na povrchu a, čo je ešte dôležitejšie, na hraniciach zŕn sa vytvára tenká vrstva bohatá na oxid kremičitý. Súčiastka sa nezlomí náhle; postupne stráca pevnosť v ohybe a stáva sa citlivejšou na teplotné gradienty. Pravidelne sa stretávam s doskami, ktorých pevnosť bola v novom stave výrazne nad 40 MPa, ale po 8–12 mesiacoch každodenného striedania teplôt medzi 1200 °C a izbovou teplotou klesla na hodnoty v nízkych 20-tich.

Praktický dôsledok sa prejavuje dvoma spôsobmi. Po prvé, na policiach vznikajú vlasové trhliny, ktoré začínajú na okrajoch alebo v okolí oporných bodov a následne sa šíria pod vplyvom vlastnej hmotnosti a zaťaženia tovarom. Po druhé, efektívna nosnosť klesá ešte skôr, ako sa objavia viditeľné trhliny, takže prevádzkovatelia buď znižujú počet kusov na polici, alebo akceptujú vyššiu mieru poškodenia tovaru. V oboch prípadoch závod nakoniec vymení regály skôr, ako sa predpokladalo v pôvodnej kalkulácii nákupu. Závody prevádzkujúce kontinuálne posúvače alebo valcové pece s prísnejšou reguláciou atmosféry zvyčajne dosahujú dlhšiu životnosť pri použití rovnakého druhu materiálu; v prípade prerušovaných dávkových pecí, bežných v oblasti Šanghaja, sa tento problém prejaví rýchlejšie, pretože pri každom ochladení sa na horúce povrchy dostane čerstvý vzduch.

Keď považujete fázu viazania za limitujúci faktor, je jasné, čo vlastne spomaľuje degradáciu. Udržujte maximálnu teplotu a dobu zotrvania pri tejto teplote na najnižšej úrovni, akú proces dovoľuje; každých ďalších 50 °C nad 1350 °C výrazne urýchľuje rýchlosť oxidácie, ktorú meriam na vrátených dieloch. Ak to konštrukcia pece dovoľuje, krátke preplachovanie alebo mierne redukčná atmosféra počas udržovania vysokej teploty znížia parciálny tlak kyslíka natoľko, že sa životnosť predĺži o niekoľko mesiacov. Rovnako dôležité je mechanické zaťaženie. Nitridom spojené SiC, ktoré sú podoprené len na koncoch a nesú ťažké, nerovnomerné zaťaženie, vyvíjajú vyššie ťahové napätia na spodnej ploche; akonáhle je povrch oslabený oxidáciou, tieto napätia spôsobujú skoršie vznik trhlín. Prechod na trojbodovú alebo nepretržitú oporu, alebo jednoduché zníženie maximálneho zaťaženia na jednu dosku o 15–20 %, často obnoví pôvodný interval výmeny bez zmeny triedy materiálu.

U vrátených dosiek tiež kontrolujem hrúbku oxidovanej vrstvy. Normálny je rovnomerný svetlosivý povrchový film s hrúbkou niekoľkých stoviek mikrónov; miestne silnejšie okují alebo práškovanie na okrajoch zvyčajne znamená buď horúce miesto v peci, alebo dlhodobé vystavenie nad odporúčaným limitom. Závody, ktoré zaznamenávajú hodnoty atmosféry a maximálne zaťaženie políc spolu s počtom cyklov pred vznikom prvých trhlín, môžu zvyčajne predĺžiť priemernú životnosť z približne 10 mesiacov na 14–16 mesiacov pri použití rovnakého nitridom viazaného SiC. Tie, ktoré naďalej používajú pôvodný hustý vzor zaťaženia a atmosféru s plným prúdom vzduchu, jednoducho vymieňajú dosky podľa kratšieho a nákladnejšieho harmonogramu a neustále sa čudujú, prečo nová sada nevydrží dlhšie ako tá predchádzajúca.

Samotný materiál má dlhú životnosť, ak je chránená väzbová fáza. Rozdiel, ktorý v praxi pozorujem, takmer nikdy nespočíva v náhlej zmene kvality suroviny; ide skôr o to, či závod považuje oxidáciu a zaťaženie za riaditeľné premenné, alebo za nevyhnutné rámcové podmienky.