为何在循环窑中，即使强度数值看似较高，氮化物结合碳化硅仍会开裂

我在窑具和高温夹具领域从事氮化硅结合碳化硅材料的研究已有十二年，其中最常见的失效原因并非简单的过载，而是反复的热循环导致氮化硅结合相出现氧化损伤。 这种材料在室温下具有良好的强度和不错的抗热震性，但一旦在空气中经历足够多的升温和冷却循环，将碳化硅晶粒粘合在一起的氮化硅就会开始氧化。这种氧化会导致体积膨胀并产生微裂纹，这些微裂纹最终会连通起来。

氮化物结合的碳化硅通常含有在氮化烧结过程中形成的氮化硅网络。与许多粘土结合或氧化物结合的碳化硅品种相比，这种结合赋予坯体更高的强度和更好的热震性能。当温度在氧化气氛中经常超过约1400°C时，其局限性便显现出来。 氮化硅会氧化为二氧化硅，由此产生的膨胀会对结构造成应力。在连续高温使用条件下，损伤会缓慢积累；而在每天或每周循环数次的窑炉中，这种损伤的表现则要快得多。

氧化和循环测试的实验室数据

我们对标准氮化物结合碳化硅材质的棒材进行了氧化与热循环联合试验。试样在空气中于1450°C下保持50小时，随后在1450°C和200°C之间进行十次循环。 室温弯曲强度初始值约为180–200 MPa。经过完整暴露后，该值降至110–130 MPa。 平均增重为1.5–2.0%，横截面显示存在一层厚度为100–150 µm的富硅层，其中有细微裂纹从表面延伸至氮化物粘结区域。 另一组样品在相同温度下保持，但未进行冷却循环，其强度损失较小——约为20%，而非35–40%。一旦氧化开始，这种循环显然加速了损伤的进程。

陶瓷窑的现场案例

某卫浴厂在温度高达1420–1440°C的往复式窑中使用氮化物结合的碳化硅梁和立柱。由于生产计划安排，该窑在每次装窑与下次装窑之间都会冷却至接近环境温度。 大约八个月后，几根横梁出现了纵向裂纹，不得不予以更换。而在峰值温度相同的连续隧道窑中，同类型的横梁使用两年多后仍能正常工作。我们对梭式窑中的一根开裂横梁进行了剖面分析，发现其中存在与我们在实验室测得的相同的氧化结合相和表面开裂现象。 峰值温度和气氛条件相当；区别在于完整的热循环次数。一旦工厂减少了周末的冷却时间，并在两次烧成之间将窑温维持在约300°C以上，同种氮化物结合碳化硅等级的新梁的使用寿命便明显延长。材料本身并未改变——改变的是工作循环。

究竟是什么因素限制了使用寿命

当温度在空气中长时间维持在约1400°C以上时，氮化硅接合处的氧化是其使用寿命的主要限制因素。热循环会加剧这一问题，因为材料的热胀冷缩会为更多氧气打开通道，并将微小的氧化区域转化为裂纹。 在还原气氛中，氧化速率会急剧下降，使用寿命通常更长，这就是为什么同一种等级的材料在某些冶金应用中往往表现优于在空气中烧制的陶瓷窑炉。

壁厚以及温度变化的急剧程度也至关重要。在快速冷却过程中，较厚的截面会产生更大的热梯度，这会在氧化损伤的基础上进一步增加机械应力。某些工艺会接受较短的使用寿命，以换取氮化物结合碳化硅相比氧化物结合替代品所提供的更高热强度和导热性。 还有一些用户一旦出现频繁开裂，就会更换材料等级或调整烧结工艺。

如果氮化物结合的碳化硅窑具或固定件在出现磨损或单纯过载之前就已开裂，通常应重点考察峰值温度、氧化性气氛以及热循环次数这三者的综合作用。 初始强度数据是真实的，但一旦氮化物粘结剂在反复加热和冷却过程中开始氧化，这些数值就无法保持恒定。