Защо силициевият карбид с нитридна връзка се напуква в циклични пещи, дори когато показателите за якост изглеждат високи

Прекарах дванадесет години, работейки с карбид на силиций, свързан с силициев нитрид, в печни съоръжения и високотемпературни приспособления, и най-често срещаните повреди не се дължат на просто претоварване. Те възникват в резултат на повтарящи се термични цикли, които предизвикват окислителни повреди във фазата на нитридното свързване. Материалът първоначално притежава добра якост при стайна температура и прилична устойчивост на термичен шок, но след като претърпи достатъчно цикли на нагряване и охлаждане на въздух, силициевият нитрид, който свързва зърната на силициевия карбид, започва да се окислява. Това окисляване води до обемно разширение и микропукнатини, които в крайна сметка се свързват помежду си.

Силициевият карбид с нитридна връзка обикновено съдържа мрежа от силициев нитрид, образувана по време на нитриращото изпичане. Тази връзка придава на материала по-висока якост и по-добра устойчивост на термичен шок в сравнение с много видове силициев карбид с глинена или оксидна връзка. Ограничението се проявява, когато температурата редовно надвишава около 1400 °C в окислителна атмосфера. Силициевият нитрид се окислява до силициев диоксид, а свързаното с това разширение натоварва структурата. При продължителна експлоатация при високи температури увреждането се натрупва бавно. В пещи, които работят ежедневно или няколко пъти седмично, то се проявява много по-бързо.

Лабораторни данни от изпитвания за окисляване и циклично износване

Подложихме пръти от стандартен вид силициев карбид с нитридно свързване на комбиниран тест за окисляване и термичен цикъл. Пробите бяха поддържани при 1450 °C на въздух в продължение на 50 часа, след което бяха подложени на десет цикъла с промяна на температурата между 1450 °C и 200 °C. Якостта на огъване при стайна температура в началото беше около 180–200 MPa. След пълното излагане тя спадна до 110–130 MPa. Увеличението на теглото е средно 1,5–2,0%, а напречните сечения показват слой, богат на силициев диоксид, с дебелина 100–150 µm, с фини пукнатини, простиращи се от повърхността към областите с нитридна връзка. Паралелна серия, поддържана при същата температура, но без циклите на охлаждане, загуби по-малко якост — около 20 % вместо 35–40 %. Цикличното излагане явно ускори увреждането, след като окисляването вече беше започнало.

Пример от практиката с керамична пещ

Завод за санитарна керамика използваше греди и стълбове от силициев карбид с нитридно свързване в пещ с шатъл, която работеше при температура 1420–1440 °C. Поради производствения график пещта се охлаждаше до температура, близка до околната, между повечето цикли на изпичане. След около осем месеца по няколко греди се появиха надлъжни пукнатини и те трябваше да бъдат подменени. Идентични греди в тунелна пещ с непрекъснат цикъл при същата максимална температура все още бяха в експлоатация след повече от две години. Направихме разрез на пукната греда от пещта с шатъл и открихме същата окислена свързваща фаза и повърхностни пукнатини, които бяхме измерили в лабораторията. Максималната температура и атмосферата бяха сравними; разликата се състоеше в броя на пълните термични цикли. След като заводът намали охлажданията през уикенда и поддържаше пещта над приблизително 300 °C между производствените цикли, новите греди от същия клас силициев карбид с нитридна връзка издържаха забележимо по-дълго. Материалът не се беше променил – променил се беше работният цикъл.

Какво всъщност ограничава експлоатационния срок

Окисляването на нитридно-силициевата връзка е основният фактор, ограничаващ експлоатационния срок във въздушна среда, когато температурите се задържат над около 1400 °C за продължителни периоди. Термичните цикли влошават положението, тъй като разширяването и свиването създават пътища за проникване на повече кислород и превръщат малките окислени зони в пукнатини. В редуциращи атмосфери скоростта на окисляване спада рязко и експлоатационният срок обикновено е по-дълъг, поради което същият клас често показва по-добри резултати в определени металургични приложения, отколкото в керамични пещи, работещи на въздух.

Дебелината на стената и степента на рязкост на температурните промени също имат значение. По-дебелите участъци развиват по-големи термични градиенти при бързо охлаждане, което добавя механично напрежение към щетите от окисляване. При някои производствени процеси се приема по-кратък експлоатационен срок в замяна на по-високата якост при висока температура и термичната проводимост, които предлага силициевият карбид с нитридна връзка в сравнение с алтернативите с оксидна връзка. Други сменят класа на материала или променят режима на изпичане, когато напукването стане често явление.

Ако печните елементи или приспособленията от силициев карбид с нитридна връзка се напукват много преди това да може да се обясни с абразивно износване или просто претоварване, обикновено трябва да се обърне внимание на комбинацията от пикова температура, окислителна атмосфера и брой термични цикли. Първоначалните стойности на якостта са реални, но те не остават постоянни, след като нитридната връзка започне да се окислява при многократно нагряване и охлаждане.