Miért reped meg a nitriddel kötött szilícium-karbid a ciklikus kemencékben, még akkor is, ha a szilárdsági értékek magasnak tűnnek?

Tizenkét éven át dolgoztam szilícium-nitriddel kötött szilícium-karbiddal kemenceberendezésekben és magas hőmérsékletű szerelvényekben, és a leggyakrabban előforduló meghibásodások nem egyszerű túlterhelésből erednek. Ezeket az ismételt hőciklusok okozzák, amelyek oxidációs károsodást idéznek elő a nitrid kötőfázisban. Az anyag kezdetben jó szobahőmérsékleti szilárdsággal és megfelelő hőmérsékleti sokkállósággal rendelkezik, de ha elegendő felmelegedési és lehűlési cikluson megy keresztül a levegőben, a szilícium-karbid szemcséket összekötő szilícium-nitrid oxidálódni kezd. Ez az oxidáció térfogatbővülést és mikrorepedéseket okoz, amelyek végül összekapcsolódnak.

A nitridkötésű szilícium-karbid jellemzően a nitridáló égetés során kialakult szilícium-nitrid hálózatot tartalmaz. Ez a kötés nagyobb szilárdságot és jobb hőmérsékleti sokkállóságot biztosít a testnek, mint sok agyag- vagy oxidkötésű szilícium-karbid típus. A korlátozás akkor jelentkezik, amikor a hőmérséklet oxidáló légkörben rendszeresen meghaladja a 1400 °C-ot. A szilícium-nitrid szilícium-dioxidra oxidálódik, és az ezzel járó tágulás feszültséget gyakorol a szerkezetre. Folyamatos, magas hőmérsékletű üzemeltetés során a károsodás lassan halmozódik fel. Azokban a kemencékben, amelyek naponta vagy hetente többször is cikluson mennek keresztül, ez sokkal gyorsabban jelentkezik.

Az oxidációs és ciklusvizsgálatokból származó laboratóriumi adatok

Egy szabványos, nitridkötésű szilícium-karbid minőségű rudakat kombinált oxidációs és hőciklus-vizsgálatnak vetettünk alá. A mintákat 50 órán át 1450 °C-on tartottuk levegőn, majd tízszer váltottuk 1450 °C és 200 °C között. A szobahőmérsékleten mért hajlítószilárdság kezdetben körülbelül 180–200 MPa volt. A teljes expozíció után ez 110–130 MPa-ra csökkent. A tömeggyarapodás átlagosan 1,5–2,0% volt, a keresztmetszeteken pedig egy 100–150 µm vastagságú, szilícium-dioxidban gazdag réteg volt látható, amelyen finom repedések húzódtak a felülettől a nitridkötéses területek felé. Egy párhuzamos mintasorozat, amelyet ugyanazon a hőmérsékleten tartottak, de lehűtési ciklusok nélkül, kevesebb szilárdságvesztést mutatott – körülbelül 20%-ot a 35–40% helyett. A ciklusok egyértelműen felgyorsították a károsodást, miután az oxidáció megkezdődött.

Egy kerámiaégető kemence gyakorlati esete

Egy szaniteráru-gyár nitridkötésű szilícium-karbid gerendákat és oszlopokat használt egy 1420–1440 °C-ra hevített shuttle-kemencében. A gyártási ütemterv miatt a kemencét a legtöbb tétel között szinte környezeti hőmérsékletre hűtötték le. Körülbelül nyolc hónap elteltével több gerendán hosszirányú repedések jelentek meg, ezért azokat ki kellett cserélni. Ugyanilyen gerendák egy folyamatos alagútkemencében, azonos csúcshőmérsékleten több mint két év után is még mindig üzemképesek voltak. A szállítókemencéből származó repedt gerendát felvágtuk, és ugyanazt az oxidált kötőfázist és felületi repedéseket találtuk, amelyeket a laboratóriumban is mértünk. A csúcshőmérséklet és a légkör összehasonlítható volt; a különbséget a teljes hőciklusok száma jelentette. Miután az üzem csökkentette a hétvégi lehűtéseket, és a gyártási ciklusok között a kemencét nagyjából 300 °C felett tartotta, az azonos nitridkötésű szilícium-karbid minőségű új gerendák észrevehetően hosszabb ideig tartottak. Az anyag nem változott – a működési ciklus viszont igen.

Mi korlátozza valójában az élettartamot?

A szilícium-nitrid kötés oxidációja a legfőbb élettartam-korlátozó tényező levegőben, ha a hőmérséklet hosszabb ideig 1400 °C felett marad. A hőciklusok tovább rontják a helyzetet, mivel a tágulás és összehúzódás utat nyit a további oxigén bejutásának, és a kis oxidált zónákat repedésekké alakítja. Redukáló légkörben az oxidációs sebesség meredeken csökken, és az élettartam általában hosszabb, ezért ugyanaz a minőségű anyag bizonyos kohászati alkalmazásokban gyakran jobb teljesítményt nyújt, mint a levegőn égetett kerámiaégetőkben.

A falvastagság és a hőmérsékletváltozás hirtelensége szintén fontos tényezők. A vastagabb szakaszokban gyors lehűlés során nagyobb hőgradiensek alakulnak ki, ami az oxidációs károsodáson felül további mechanikai igénybevételt jelent. Bizonyos alkalmazásoknál elfogadják a rövidebb élettartamot cserébe azért a nagyobb melegszilárdságért és hővezető képességért, amelyet a nitridkötésű szilícium-karbid nyújt az oxidkötésű alternatívákhoz képest. Mások pedig átállnak egy másik minőségre, vagy módosítják az égetési ütemtervet, amint a repedések gyakoriakká válnak.

Ha a nitridkötésű szilícium-karbid kemenceberendezések vagy szerelvények már jóval azelőtt megrepednek, hogy az kopás vagy egyszerű túlterhelés magyarázatot adna rá, akkor általában a csúcshőmérséklet, az oxidáló légkör és a hőciklusok számának együttes hatását kell vizsgálni. A kezdeti szilárdsági értékek valósak, de nem maradnak állandóak, miután a nitridkötés az ismételt hevítés és lehűtés hatására oxidálódni kezd.