Nitrür Bağlı Silikon Karbür, Oksitleyici Ortamlarda 8–12 Ay Sonra Neden Mukavemet Kaybeder?

Şanghay ve çevresindeki seramik ve metalurji tesislerinde yüksek sıcaklıklı ekipmanlarla uğraşarak on iki yılımı geçirdim. Nitrür bağlı silikon karbürde karşılaştığım en sık görülen sorunlardan biri, fırın raflarının, plakalarının ve ayarlayıcıların fırına girdiklerinde sağlam görünmelerine rağmen, birkaç aylık normal kullanımın ardından daha önce sorunsuz bir şekilde taşıdıkları yükler altında çatlamaya veya sarkmaya başlamalarıdır. Çoğu operatör, malzemenin basitçe “aşındığını” veya pişirme döngüsünün çok agresif olduğunu varsayar. Çalıştığım hatlarda asıl neden, yüzey sıcaklıkta havaya maruz kaldığında nitrür bağ fazının kademeli olarak oksitlenmesidir.

Nitrür bağlı silikon karbür, silikon karbür tanelerini bir arada tutmak ve parçaya mukavemet ile termal şok direnci kazandırmak için silikon nitrür matrisine dayanır. İndirgenici veya nötr bir atmosferde bu bağ nispeten kararlı kalır. Fırın veya ocak fazla hava ile çalıştığında — ki bu durum aralıklı seramik pişirmelerinde veya belirli metal ısıl işlem döngülerinde yaygındır — oksijen nitride saldırır. Yüzeyde ve daha da önemlisi tane sınırlarında silika bakımından zengin ince bir tabaka oluşur. Parça aniden bozulmaz; eğilme mukavemetini kademeli olarak kaybeder ve termal gradyanlara karşı daha duyarlı hale gelir. Yeni iken 40 MPa'nın oldukça üzerinde ölçülen plakaların, 1200 °C ile oda sıcaklığı arasında 8–12 ay boyunca günlük döngüye maruz kaldıktan sonra 20'li düşük değerlere düştüğünü sık sık görüyorum.

Bunun pratikteki sonucu iki şekilde ortaya çıkar. Birincisi, raflarda kenarlardan veya destek noktalarının çevresinden başlayan ve daha sonra kendi ağırlıkları ile üzerinde bulunan ürün yükünün etkisiyle yayılan ince çatlaklar oluşur. İkincisi, görünür çatlaklar ortaya çıkmadan önce bile etkin yük taşıma kapasitesi düşer; bu nedenle operatörler ya raf başına ürün sayısını azaltır ya da daha yüksek kırılma oranlarını kabul eder. Her iki durumda da tesis, mobilyaları orijinal satın alma hesaplamasında öngörülenden daha erken bir zamanda değiştirmek zorunda kalır. Daha sıkı atmosfer kontrolüne sahip sürekli iticili veya makaralı fırınlar kullanan tesisler genellikle aynı kalitedeki mobilyalardan daha uzun ömür elde eder; Şanghay bölgesinde yaygın olan aralıklı kesimli fırınlarda ise her soğuma işlemi sırasında taze havanın sıcak yüzeylere ulaşması nedeniyle sorun daha hızlı ortaya çıkar.

Bağlanma aşamasını sınırlayıcı faktör olarak ele aldığınızda, bozulmayı aslında neyin yavaşlattığı oldukça açıktır. Tepe sıcaklığını ve bu sıcaklıkta kalma süresini, işlemin izin verdiği ölçüde mümkün olduğunca düşük tutun; 1350 °C’nin üzerindeki her 50 °C’lik artış, geri gelen parçalarda ölçtüğüm oksidasyon hızını belirgin şekilde hızlandırmaktadır. Fırın tasarımı izin verdiği durumlarda, yüksek sıcaklıkta bekletme sırasında kısa süreli bir tahliye veya hafif indirgeyici bir atmosfer, oksijen kısmi basıncını kullanma ömrünü birkaç ay uzatacak kadar azaltır. Aynı derecede önemli olan bir diğer faktör de mekanik yüklemedir. Yalnızca uçlarından desteklenen ve ağır, dengesiz yük taşıyan nitrürle bağlanmış SiC, alt yüzeyinde daha yüksek çekme gerilmeleri oluşturur; yüzey oksidasyon nedeniyle zayıfladığında bu gerilmeler çatlakların daha erken oluşmasına neden olur. Üç noktalı veya sürekli desteğe geçmek ya da basitçe plaka başına maksimum yükü –20 oranında azaltmak, genellikle malzeme kalitesini değiştirmeden orijinal değiştirme aralığını geri kazandırır.

Ayrıca iade edilen plakalarda oksitlenmiş tabakanın kalınlığını da kontrol ediyorum. Birkaç yüz mikron kalınlığında, düzgün ve açık gri bir yüzey tabakası normaldir; kenarlarda yer yer daha kalın bir tabaka veya tozlanma görülmesi genellikle fırında bir sıcak nokta olduğunu ya da önerilen sınırın üzerinde uzun süre maruz kalındığını gösterir. Atmosfer ölçümlerini, maksimum raf yükünü ve ilk çatlakların ortaya çıkmasından önceki döngü sayısını kaydeden tesisler, genellikle aynı nitrür bağlanmış SiC plakaların ortalama ömrünü yaklaşık 10 aydan 14–16 aya çıkarabilir. Orijinal yoğun yükleme düzenini ve tam hava atmosferini kullanmaya devam eden tesisler ise, plakaları daha kısa ve daha pahalı bir programla değiştirir ve yeni setin neden bir öncekinden daha uzun ömürlü olmadığını merak etmeye devam ederler.

Bağlanma aşaması korunduğunda, malzemenin kendisi uzun ömürlü olabilir. Sahada gözlemlediğim fark, neredeyse hiçbir zaman hammadde kalitesinde ani bir değişiklikten kaynaklanmaz; asıl mesele, tesisin oksidasyon ve yüklemeyi kontrol edilebilir değişkenler olarak mı, yoksa kaçınılmaz arka plan koşulları olarak mı ele aldığıdır.