Varför kiselkarbid med nitridbindning spricker i cykliska ugnar även när hållfasthetsvärdena verkar höga

Jag har arbetat i tolv år med kiselkarbid bundet med kiselnitrid i ugnsinredning och högtemperaturfästen, och de fel som uppstår oftast beror inte på enkel överbelastning. De orsakas av upprepade termiska cykler som leder till oxidationsskador i den nitridbundna fasen. Materialet har från början god hållfasthet vid rumstemperatur och hyfsad motståndskraft mot termisk chock, men när det utsätts för tillräckligt många uppvärmnings- och avkylningscykler i luft börjar kiselnitriden, som binder samman kiselkarbidkornen, att oxidera. Denna oxidation orsakar volymutvidgning och mikrosprickor som så småningom kopplas samman.

Kiselkarbid med nitridbindning innehåller vanligtvis ett nätverk av kiselnitrid som bildas under nitrideringsbränningen. Denna bindning ger materialet högre hållfasthet och bättre motståndskraft mot termisk chock än många kiselkarbidkvaliteter med lerbindning eller oxidbindning. Begränsningen uppstår när temperaturen regelbundet överstiger cirka 1400 °C i en oxiderande atmosfär. Kiselnitriden oxideras till kiseldioxid, och den därmed förknippade expansionen utsätter strukturen för påfrestningar. Vid kontinuerlig drift vid höga temperaturer ackumuleras skadorna långsamt. I ugnar som körs dagligen eller flera gånger i veckan märks skadorna mycket snabbare.

Laboratoriedata från oxidations- och cykeltester

Vi utsatte stänger av en standardkvalitet av nitridbundet kiselkarbid för ett kombinerat oxidations- och termiskt cykeltest. Proverna hölls vid 1450 °C i luft i 50 timmar och utsattes därefter för tio cykler mellan 1450 °C och 200 °C. Böjhållfastheten vid rumstemperatur låg initialt på cirka 180–200 MPa. Efter den fullständiga exponeringen hade den sjunkit till 110–130 MPa. Viktökningen uppgick i genomsnitt till 1,5–2,0 %, och tvärsnitten visade ett kiseldioxidrikt skikt med en tjocklek på 100–150 µm med fina sprickor som sträckte sig från ytan in i de nitridbundna områdena. En parallell uppsättning som hölls vid samma temperatur men utan nedkylningscyklerna förlorade mindre hållfasthet – cirka 20 % istället för 35–40 %. Cyklerna påskyndade tydligt skadorna så snart oxidationen hade börjat.

Praktiskt exempel från en keramikugn

En fabrik för sanitetsartiklar använde nitridbundna kiselkarbidbalkar och -stolpar i en pendelugn som brände vid 1420–1440 °C. Ugnen kyldes ned till nära omgivningstemperatur mellan de flesta bränningarna på grund av produktionsschemat. Efter cirka åtta månader uppstod längsgående sprickor i flera balkar, vilka då måste bytas ut. Identiska balkar i en kontinuerlig tunnelugn med samma topptemperatur var fortfarande i drift efter mer än två år. Vi snittade en sprucken balk från pendelugnen och fann samma oxiderade bindningsfas och ytsprickor som vi hade mätt i laboratoriet. Topp-temperaturen och atmosfären var jämförbara; skillnaden låg i antalet fullständiga termiska cykler. När anläggningen minskade nedkylningarna under helgerna och höll ugnen över ungefär 300 °C mellan produktionsomgångarna, höll de nya balkarna av samma nitridbundna kiselkarbidkvalitet märkbart längre. Materialet hade inte förändrats – det var driftscykeln som hade förändrats.

Vad är det egentligen som begränsar livslängden?

Oxidation av kiselnitridbindningen är den främsta faktorn som begränsar livslängden i luft när temperaturen ligger över cirka 1400 °C under längre perioder. Termisk cykling förvärrar situationen eftersom utvidgningen och sammandragningen öppnar vägar för mer syre och förvandlar små oxiderade områden till sprickor. I reducerande atmosfärer sjunker oxidationshastigheten kraftigt och livslängden blir vanligtvis längre, vilket är anledningen till att samma kvalitet ofta presterar bättre i vissa metallurgiska tillämpningar än i keramiska ugnar där bränningen sker i luft.

Väggtjockleken och hur abrupt temperaturförändringen sker spelar också roll. Tjockare sektioner utvecklar större temperaturgradienter vid snabb nedkylning, vilket medför ytterligare mekanisk påfrestning utöver oxidationsskadorna. Vissa tillämpningar accepterar en kortare livslängd i utbyte mot den högre varmhållfastheten och värmeledningsförmågan som nitridbundet kiselkarbid erbjuder jämfört med oxidbundna alternativ. Andra byter materialkvalitet eller ändrar bränningsschemat när sprickbildningen blir vanlig.

Om ugnsinredning eller fästelement av kiselkarbid med nitridbindning spricker långt innan slitage eller enkel överbelastning skulle kunna förklara det, bör man vanligtvis undersöka kombinationen av topptemperatur, oxiderande atmosfär och antalet termiska cykler. De ursprungliga hållfasthetsvärdena stämmer, men de förblir inte konstanta när nitridbindningen börjar oxidera vid upprepad uppvärmning och nedkylning.