Kuumem kui RBSiC, tugevam kui vanad tellised: praktiline juhend nitriidiga seotud ränikarbiidi kohta

Nitriidiga seotud ränikarbiid ei pälvi sama palju tähelepanu kui reaktsiooniga seotud SiC või paagutatud SiC. See on täiesti normaalne. See on hõivatud ahjuvagunite toestamisega, alumiiniumkambrite vooderdamisega ja sellise kulumise talumisega, mida oksiidiga seotud tellised ei suuda vastu pidada. Olen veetnud piisavalt aega NSiC-ga – mida kirjutatakse ka NBSiC või nitriidiga seotud SiC – tegeledes, et seda selgelt öelda: see ei ole tiheda SiC “odavam versioon”. See on teistsugune materjal, millel on teistsugune ülesanne.

Retsept on paberil lihtne. Võetakse ränikarbiiditerad, lisatakse metalliline räni, vormitakse soovitud kuju ja seejärel kuumutatakse lämmastikus. Ränist saab räninitriid ja see nitriid muutub sideaineks, mis hoiab SiC-terad kokku. Tüüpilised koostisosad on umbes 70–80% SiC ja 20–30% Si₃N₄. Nitreerimise käigus on kahanemine väike, mistõttu saab valmistada suuri plaate, telliseid ja ebatavalisi kujundeid ilma mõnede teiste keraamikate puhul esineva kõverdumise probleemita.

Mida saad valmis detailina

Tihedus jääb tavaliselt vahemikku 2,6–2,8 g/cm³. Standardklasside avatud poorsus on sageli umbes 12–17%. Just seda poorsust mõistetakse kõige sagedamini valesti. See ei ole iseenesest defekt. Just sellepärast suudab materjal taluda termilist šokki, mis paneks täiesti tiheda keha pragunema, ja just sellepärast on see kergem kui ahjuvagunis kasutatav reaktsioonisidestatud SiC. Mõned kaasaegsed klassid on uuesti põletatud või koostatud nii, et pinnapoorid suletakse ränikihiga. Need käituvad pigem nagu hermeetiliselt suletud tulekindel materjal kui nagu käsn.

Tugevus on madalam kui tihedal SiSiC-l. Tavaliste ahju- ja tulekindlate klasside murdumismoodul toatemperatuuril võib olla kümneid MPa, mitte 250 MPa, nagu räägitakse reaktsioonisidestatud talade puhul. Oluline on see, mis juhtub kõrgel temperatuuril. Nitridiga seotud ränikarbiid säilitab kandevõime tunduvalt kõrgemal temperatuuril kui see, millest alates reaktsioonis seotud SiC-s sisalduv vaba räni hakkab pehmenema. Praktilist kasutustemperatuuri nimetatakse sageli vahemikus 1450–1600 °C, sõltuvalt keskkonnast, koormusest ja sellest, kas tegemist on peene libistamisvaluga tootega või jämedama pressitud tellisega. Kui kasutate turunduslikke numbreid ilma koormustingimusi kontrollimata, painutate plaadi ikkagi läbi.

Soojusjuhtivus on hea võrreldes kordieriidi või mulliidiga, kuid tavaliselt madalam kui tihedal RBSiC-l. Paisumine on väike. Just see kombinatsioon koos nitriidsidega on põhjuseks, miks mööbel talub kuumenemist ja jahtumist, ilma et sellele tekiks juba teisipäeval peenike pragu.

Keemiliselt on see paljudes tööstuslikes keskkondades vastupidav. Sulatatud alumiinium ja krüoliit on tuntud näited: nitriidiga seotud SiC sai redutseerimiskambrite seinamaterjaliks, kuna süsinik põles ära ja oksiidplokid ei pidanud vastu. Samuti talub see hõõrdumist, paljusid räbuid ja tsüklonites leiduvat saastunud gaasi paremini kui savisidestusega SiC-telliskivi. See ei ole siiski igavene. Tugevad leelised, puudulik nitreerimine, mille tagajärjel jääb järele vaba räni, ning hooletu oksüdeerimine kuumal pinnal söövad seda ikkagi ära.

Kus see tegelikult toimib

Ahjutarvikud on meie igapäevane tegevusala. Pannid, plaadid, alused, postid ja talad sanitaartehnika, lauanõude, elektriporslani ja tehnilise keraamika tootmiseks. Võrreldes kordieriidiga saavutatakse kõrgem temperatuur, suurem koormus, õhemad seinad ja vähem surnud massi ahjus. See viimane punkt pole luule. Ahjutarvikute väiksem mass tähendab rohkem tooteid ja vähem kütust ühe tsükli kohta.

Alumiinium on teine suur tööstusharu. Potline’i külgseinte plokid peavad omama soojusjuhtivust, mehaanilist tugevust ja vastupidavust sulami keemilisele koostisele. NSiC täidab need nõuded hinnaga, mis on tehastele vastuvõetav. Kõrgahju alumine korsten, jäätmete energiaks muundamise kulumiskohad ning kaevandus- ja energiatööstuse tsüklonite vooderdised toimivad samal põhimõttel: kõva SiC-terake, kuumust taluv sideaine ja kuju, mida saab paigaldada nii tellisena kui ka valatud detailina.

Ka kuluvad osad – plaadid, pihustid, pumbaosad – tulevad esile, kui keskkond on kuum ja abrasiivne, kuid ei ole vaja reaktsioonisidestatud SiC peaaegu nullilähedast poorsust. Kui suspensioon on külm ja ainus vaenlane on libisemisest tingitud kulumine, siis tihe SiSiC-vooder peab sageli kauem vastu. Kui vaenlaseks on kuumus, abrasiivsus ja termotsüklid, hakkab NSiC mõistliku valikuna paistma.

Kuidas see võrdub olukorraga, kus keegi küsib: “Miks mitte lihtsalt RBSiC-d kasutada?”

Reaktsioonisidestatud ränikarbiid on tihedam, tugevam ja ühtlasema struktuuriga. Sellest saab valmistada suurepäraseid talasid, rulle ja täppis-kulumisosad, mille töötemperatuur jääb alla umbes 1350–1380 °C. Sellest kõrgemal temperatuuril on määravaks teguriks vaba räni. NSiC-l puudub mikrostruktuuris see metallivarud, mistõttu see säilitab töövõime ka kõrgemal temperatuuril. See on ka praktiline valik suurte tulekindlate detailide puhul, kus räni imbumine hiiglaslikku plokki ei ole oluline.

Rekristalliseeritud SiC talub mõnes ahju keskkonnas veelgi kõrgemaid temperatuure ja jääb puhtamaks, kuid on poorsem ja tavaliselt nõrgem. Oksiidiga seotud SiC on odavam, kuid jääb maha kuumtugevuse ja löögikindluse poolest. Paagutatud SiC on tiheda struktuuriga tippklassi toode ja selle hind on vastav. NSiC asub selles vahemikus, kus tehased vajavad SiC omadusi suurtes tükkides, ilma et peaksid ostma laborikeraamikat.

Mis läheb praktikas valesti

Ebapiisav nitreerimine on vaikusetapja. Plokk võib väliselt näida korras, kuid selle sees võib peituda rägi jääke või nõrk südamik. Alumiiniumist elemendis põhjustab see varajast korrosiooni. Ahjuplaadis tekitab see oksüdeerumist, mis muudab pinna pulbriliseks ja vähendab tugevust. Niiskus poorse materjali sees, millele järgneb kiire põletamine, on veel üks klassikaline näide. Auru ei huvita teie tootmisgraafik.

Inimesed eeldavad liiga sageli, et tihe materjal käitub nagu poorne materjal. NSiC ei ole hermeetiliselt suletud toru. Kui õhk pääseb sisse, on oksüdeerumine ja kondensaadi keemilised omadused olulised. Ja kui tegemist on kõrge kiirusega suspensiooniga mõõdukal temperatuuril, võite olla ostnud endale soojusšoki kindlustuse, mida te tegelikult ei vajanud.

Kuidas koostada spetsifikatsioon nii, et see kajastaks sinu tõelisi kavatsusi

Ärge saatke lihtsalt “SiC-tellist” ja lootke parimat. Nimetage seda nitriidiga seotuks. Esitage tipptemperatuur, keskkond, koormus, tsükli kestus ja keemiline koostis – alumiiniumvann, leeliseaur, lendtuhk, glasuuritilgad, kõik, mis tegelikult detaili puudutab. Küsige tihedust, näivporoossust, kuummurdumismoodulit ja vaba räni jääki. Ahjutarvikute puhul küsige, kas tegemist on peeneteralise valatud või jämedateralise pressitud detailiga. Need kaks toodet ei kulu ega juhi soojust ühtmoodi.

Nitriidiga seotud SiC on materjal, mida kasutatakse siis, kui oksiidist valmistatud seadmed on kulunud, reaktsiooniga seotud SiC on liiga madala temperatuuritaluvusega või suuremate detailide puhul liiga kallis, kuid tootmine peab ikkagi jätkuma. See ei ole midagi eriti glamuurne. See on plaat, mis tuleb ahjust sirge, sein, mis ei vajugu, ja vooder, mis on alles ka pärast viimast tootmistsüklit. Valige materjali klass vastavalt kasutuskoormusele ja see püsibki sellisena.