Чому карбід кремнію з нітридним зв’язуванням втрачає міцність через 8–12 місяців у окислювальній атмосфері

Я вже дванадцять років працюю з високотемпературним обладнанням у Шанхаї та на навколишніх керамічних і металургійних заводах. Однією з найпоширеніших проблем, які я спостерігаю у випадку з карбідом кремнію з нітридним зв’язуванням, є те, що полиці, пластини та опорні елементи печі виглядають міцними під час завантаження, проте після кількох місяців нормальної експлуатації вони починають тріскатися або прогинатися під навантаженнями, які раніше витримували без проблем. Більшість операторів вважають, що матеріал просто “зносився” або що цикл випалу був занадто агресивним. На лініях, з якими я працюю, справжньою причиною є поступове окислення нітридної сполучної фази, що відбувається, коли поверхня піддається впливу повітря при високій температурі.

Карбід кремнію з нітридною зв’язувальною матрицею спирається на матрицю з нітриду кремнію, яка утримує зерна карбіду кремнію разом і надає деталі міцність та стійкість до термічних ударів. У відновлювальній або нейтральній атмосфері це з'єднання залишається відносно стабільним. Як тільки піч або топка починає працювати з надлишком повітря — що часто трапляється під час періодичного випалу кераміки або певних циклів термічної обробки металів — кисень руйнує нітрид. На поверхні, а що ще важливіше — на межі зерен, утворюється тонкий шар, багатий на діоксид кремнію. Деталь не виходить з ладу раптово; вона поступово втрачає міцність на згин і стає більш чутливою до температурних градієнтів. Я регулярно бачу, як пластини, міцність яких у новому стані значно перевищувала 40 МПа, опускаються до значень у нижній частині діапазону 20 МПа після 8–12 місяців щоденних циклів нагрівання від 1200 °C до кімнатної температури.

Практичні наслідки проявляються двояко. По-перше, на полицях з’являються мікротріщини, які починаються на краях або навколо точок опори, а потім поширюються під власною вагою полиць та вагою розміщеного на них посуду. По-друге, ефективна несуча здатність знижується ще до появи видимих тріщин, тому оператори або зменшують кількість предметів на полиці, або миряться з вищим рівнем розбиття посуду. В обох випадках підприємству доводиться замінювати обладнання раніше, ніж передбачалося в початкових розрахунках при закупівлі. Підприємства, що використовують безперервні штовхачі або роликові печі з більш суворим контролем атмосфери, зазвичай досягають більшого терміну експлуатації обладнання того самого класу; періодичні печі періодичної дії, поширені в регіоні Шанхая, демонструють цю проблему швидше, оскільки під час кожного охолодження свіже повітря потрапляє на гарячі поверхні.

Причина, яка насправді уповільнює деградацію, стає очевидною, якщо розглядати фазу зчеплення як обмежуючий фактор. Слід підтримувати пікову температуру та час перебування при цій температурі на найнижчому рівні, який дозволяє технологічний процес; кожні додаткові 50 °C понад 1350 °C помітно прискорюють швидкість окислення, яку я вимірюю на повернутих деталях. Якщо конструкція печі це дозволяє, короткочасна продувка або слабко відновна атмосфера під час витримки при високій температурі достатньо знижують парціальний тиск кисню, щоб продовжити термін експлуатації на кілька місяців. Не менш важливим є механічне навантаження. Силіцид кремнію з нітридним зв’язуванням, який підтримується лише на кінцях і несе великі, нерівномірно розподілені навантаження від виробу, створює вищі розтягувальні напруження на нижній поверхні; коли поверхня ослаблена окисленням, ці напруження призводять до більш раннього виникнення тріщин. Перехід на триточкову або безперервну опору, або просто зменшення максимального навантаження на одну плиту на 15–20 %, часто відновлює початковий інтервал заміни без зміни марки матеріалу.

Я також перевіряю товщину окисленого шару на повернутих пластинах. Рівномірна світло-сіра поверхнева плівка товщиною в кілька сотень мікрон є нормальним явищем; локальні потовщення окисного шару або поява порошку на краях зазвичай свідчать про наявність «гарячої точки» в печі або про тривале перебування матеріалу в умовах, що перевищують рекомендовані межі. Підприємства, які фіксують показники атмосфери та максимальне завантаження полиць разом із кількістю циклів до появи перших тріщин, зазвичай можуть збільшити середній термін експлуатації з приблизно 10 місяців до 14–16 місяців для того самого SiC з нітридним зв’язуванням. Ті ж, хто продовжує використовувати початкову схему щільного завантаження та повну повітряну атмосферу, просто замінюють пластини за коротшим і дорожчим графіком та постійно дивуються, чому новий комплект служить не довше, ніж попередній.

Сам матеріал здатний служити тривалий час, якщо фаза зв’язку захищена. Різниця, яку я спостерігаю на практиці, майже ніколи не полягає у раптовій зміні якості сировини; вона полягає в тому, чи розглядає завод окислення та навантаження як контрольовані змінні, чи як неминучі фонові умови.