Kāpēc nitrīda saistītais silīcija karbīds plaisā cikliskās krāsnīs, pat ja tā izturības rādītāji šķiet augsti

Esmu divpadsmit gadus strādājis ar silīcija nitrīda saistītu silīcija karbīdu krāsns aprīkojumā un augsttemperatūras ierīcēs, un visbiežāk novērotās bojājumu cēloņi nav saistīti ar vienkāršu pārslodzi. Tās rodas no atkārtotiem termiskajiem cikliem, kas izraisa oksidācijas bojājumus nitrīda saites fāzē. Sākotnēji materiālam ir laba izturība istabas temperatūrā un pietiekama izturība pret termiskajiem triecieniem, taču, kad tas gaisā tiek pakļauts pietiekami daudziem uzsildīšanas un atdzesēšanas cikliem, silīcija nitrīds, kas saista kopā silīcija karbīda graudiņus, sāk oksidēties. Šī oksidācija izraisa apjoma palielināšanos un mikroplaisu veidošanos, kas galu galā savienojas.

Nitrīda saistītajam silīcija karbīdam parasti piemīt silīcija nitrīda tīkls, kas veidojas nitridēšanas apdedzināšanas laikā. Šī saite nodrošina materiālam augstāku izturību un labāku termiskā šoka izturību nekā daudziem māla vai oksīda saistītajiem silīcija karbīda veidiem. Ierobežojums parādās, ja temperatūra oksidējošā atmosfērā regulāri pārsniedz apmēram 1400 °C. Silīcija nitrīds oksidējas, pārvēršoties par silīcija dioksīdu, un ar to saistītā izplešanās rada spriedzi struktūrā. Nepārtrauktas darbības apstākļos augstā temperatūrā bojājumi uzkrājas lēnām. Krāsnīs, kuras darbojas katru dienu vai vairākas reizes nedēļā, tie parādās daudz ātrāk.

Laboratorijas dati no oksidācijas un ciklisko slodžu testiem

Mēs veicām standarta nitrīda saistīta silīcija karbīda markas stieņu kombinētu oksidācijas un termiskā cikla testu. Paraugus 50 stundas turēja 1450 °C temperatūrā gaisā, pēc tam desmit reizes pakļāva ciklam starp 1450 °C un 200 °C. Lieces izturība istabas temperatūrā sākotnēji bija aptuveni 180–200 MPa. Pēc pilnīgas iedarbības tā bija samazinājusies līdz 110–130 MPa. Svara pieaugums vidēji bija 1,5–2,0 %, un šķērsgriezumos bija redzams 100–150 µm biezs silīcija dioksīda bagāts slānis ar smalkām plaisām, kas stiepās no virsmas uz nitrīda saites zonām. Paralēlais paraugs, kas tika turēts tajā pašā temperatūrā, bet bez atdzesēšanas cikliem, zaudēja mazāk izturības — apmēram 20 % vietā 35–40 %. Cikliski pārbaudījumi acīmredzami paātrināja bojājumu veidošanos, tiklīdz bija sākusies oksidācija.

Praktisks piemērs no keramikas krāsns

Santehnikas rūpnīca izmantoja nitrīda saistītas silīcija karbīda sijas un balstus šūpuļkrāsnī, kurā apdedzināšana notika 1420–1440 °C temperatūrā. Ražošanas grafika dēļ krāsni starp lielāko daļu kravu atdzesēja gandrīz līdz apkārtējās vides temperatūrai. Apmēram pēc astoņiem mēnešiem vairākās sijās parādījās gareniskas plaisas, un tās bija jānomaina. Identiskas sijas nepārtrauktas darbības tunelkrāsnī ar tādu pašu maksimālo temperatūru joprojām bija ekspluatācijā pēc vairāk nekā diviem gadiem. Mēs izgriezām plīsušo siju no šūpuļkrāsns un atklājām to pašu oksidēto saites fāzi un virsmas plaisāšanu, ko bijām novērojuši laboratorijā. Maksimālā temperatūra un atmosfēra bija salīdzināmas; atšķirība bija pilnu termisko ciklu skaitā. Tiklīdz rūpnīca samazināja atdzišanu nedēļas nogalēs un uzturēja krāsni virs aptuveni 300 °C starp ražošanas cikliem, jaunas sijas no tā paša nitrīda saistītā silīcija karbīda veida kalpoja ievērojami ilgāk. Materiāls nebija mainījies — bija mainījies darba cikls.

Kas patiesībā ierobežo kalpošanas laiku

Silīcija nitrīda saites oksidēšanās ir galvenais kalpošanas laika ierobežotājs gaisa vidē, ja temperatūra ilgstoši pārsniedz apmēram 1400 °C. Termiskie cikli situāciju vēl vairāk pasliktina, jo izplešanās un saraušanās atver ceļu lielākam skābekļa daudzumam un pārvērš nelielas oksidētās zonas par plaisām. Reducējošā vidē oksidēšanās ātrums strauji samazinās un kalpošanas ilgums parasti ir ilgāks, tāpēc šis pats materiāla veids noteiktos metalurģijas pielietojumos bieži vien uzrāda labākus rezultātus nekā keramikas krāsnīs, kuras tiek kurinātas gaisā.

Nozīme ir arī sienas biezumam un tam, cik strauji mainās temperatūra. Biezākās sekcijās straujas atdzišanas laikā veidojas lielāki termiskie gradienti, kas papildus oksidācijas radītajiem bojājumiem rada arī mehānisku slodzi. Dažos ražošanas procesos pieņem īsāku kalpošanas laiku apmaiņā pret augstāku karstuma izturību un siltumvadītspēju, ko nodrošina nitrīda saites silīcija karbīds salīdzinājumā ar oksīda saites alternatīvām. Citi maina materiāla marku vai pārkārto apdedzināšanas grafiku, tiklīdz plaisāšana kļūst bieža.

Ja nitrīda saistīti silīcija karbīda krāsns piederumi vai aprīkojums sāk plaisāt krietni pirms tam, kad to varētu izskaidrot ar abrazīvo nodilumu vai vienkāršu pārslodzi, parasti jāpievērš uzmanība maksimālās temperatūras, oksidējošas vides un termisko ciklu skaita kombinācijai. Sākotnējie izturības rādītāji ir reāli, taču tie nemainās, kad nitrīda saite sāk oksidēties atkārtotas karsēšanas un atdzesēšanas rezultātā.