Zakaj silicijev karbid, vezan z nitridom, izgubi trdnost po 8–12 mesecih v oksidativnih atmosferah

Dvanajst let sem se ukvarjal z visokotemperaturno opremo v Šanghaju in okoliških keramičnih ter metalurških obratih. Ena najpogostejših težav, ki jih opažam pri silicijevem karbidu z nitridno vezavo, je, da se police, plošče in nosilci v peči ob vstavljanju zdijo trdni, vendar po nekaj mesecih običajnega delovanja začnejo pokati ali se upogibati pod obremenitvami, ki so jih prej brez težav prenesli. Večina upravljavcev domneva, da se je material preprosto “izrabil” ali da je bil žgalni cikel preveč agresiven. V proizvodnih linijah, s katerimi delam, je pravi vzrok postopna oksidacija nitridne vezne faze, ko je površina izpostavljena zraku pri visoki temperaturi.

Pri silicijevem karbidu, vezanem z nitridom, matrica iz silicijevega nitrida drži zrna silicijevega karbida skupaj ter delu zagotavlja trdnost in odpornost proti toplotnim šokom. V redukcijski ali nevtralni atmosferi ta vez ostane relativno stabilna. Ko peč deluje s presežkom zraka – kar je pogosto pri prekinitvenem žganju keramike ali nekaterih ciklih toplotne obdelave kovin – kisik napade nitrid. Na površini in, kar je še pomembneje, na mejah zrn se oblikuje tanek sloj, bogat s silicijevim dioksidom. Del se ne poškoduje nenadoma; postopoma izgublja upogibno trdnost in postane bolj občutljiv na temperaturne gradientne spremembe. Redno opažam, da se vrednosti plošč, ki so bile, ko so bile nove, precej nad 40 MPa, po 8–12 mesecih vsakodnevnega cikličnega izpostavljanja temperaturam med 1200 °C in sobno temperaturo znižajo na vrednosti v nizkih 20-ih.

Praktične posledice se kažejo na dva načina. Prvič, na policah se pojavijo lasaste razpoke, ki se začnejo na robovih ali okoli točk opore ter se nato širijo pod lastno težo in težo blaga. Drugič, dejanska nosilnost se zmanjša še preden se pojavijo vidne razpoke, zato upravljavci bodisi zmanjšajo število kosov na polici bodisi sprejmejo višjo stopnjo poškodb. V obeh primerih mora obrat pohištvo zamenjati prej, kot je bilo predvideno v prvotnem izračunu nakupa. Obrati, ki uporabljajo neprekinjene potisne peči ali valjčne peči s strožjim nadzorom atmosfere, običajno dosežejo daljšo življenjsko dobo pri isti kakovosti; v regiji Šanghaja pogoste peči s prekinitvenim delovanjem ta problem pokažejo hitreje, saj vsak ohladitev omogoči, da svež zrak doseže vroče površine.

Kaj dejansko upočasni razgradnjo, je jasno, ko vezno fazo obravnavamo kot omejevalni dejavnik. Najvišjo temperaturo in čas zadrževanja pri tej temperaturi je treba ohraniti na najnižji ravni, ki jo proces dopušča; vsakih dodatnih 50 °C nad 1350 °C opazno pospeši hitrost oksidacije, ki jo merim na vrnjenih delih. Kjer to omogoča zasnova peči, kratko izpiranje ali rahlo redukcijska atmosfera med zadrževanjem pri visoki temperaturi zmanjša parcialni tlak kisika dovolj, da se uporabna življenjska doba podaljša za več mesecev. Enako pomembna je tudi mehanska obremenitev. Silicij karbid z nitridno vezavo, ki je podprt le na koncih in nosi težke, neenakomerno porazdeljene obremenitve, razvije večje natezne napetosti na spodnji ploskvi; ko je površina oslabljena zaradi oksidacije, te napetosti povzročijo zgodnejše nastajanje razpok. Prehod na tritočkovno ali neprekinjeno podprtje ali preprosto zmanjšanje največje obremenitve na ploščo za 15–20 % pogosto ponovno vzpostavi prvotni interval zamenjave brez spreminjanja kakovostnega razreda materiala.

Preverjam tudi debelino oksidiranega sloja na vrnjenih ploščah. Enakomeren svetlo siv površinski film debeline nekaj sto mikronov je normalen; lokalno debelejša oksidacija ali prašenje na robovih običajno pomeni bodisi vročo točko v peči bodisi podaljšano izpostavljenost nad priporočeno mejo. Obrati, ki beležijo vrednosti atmosfere in največjo obremenitev polic skupaj s številom ciklov pred pojavom prvih razpok, lahko običajno podaljšajo povprečno življenjsko dobo z okoli 10 mesecev na 14–16 mesecev pri istem silicijevem karbidu z nitridno vezavo. Tisti, ki še naprej uporabljajo prvotni vzorec gostega natovarjanja in polno zračno atmosfero, preprosto zamenjujejo plošče po krajšem, dražjem urniku in se še naprej sprašujejo, zakaj novi komplet ne traja dlje kot prejšnji.

Material sam po sebi ima dolgo življenjsko dobo, če je vezna faza zaščitena. Razlika, ki jo opažam v praksi, skoraj nikoli ni v nenadni spremembi kakovosti surovin; gre za to, ali obrat obravnava oksidacijo in obremenitev kot spremenljivke, ki jih je mogoče nadzorovati, ali kot neizogibne okoliščine.