Kuumempi kuin RBSiC, lujempi kuin vanhat tiilet: Käytännön opas nitridillä sidotusta piikarbidista

Nitridiliitoksella sidottu piikarbidi ei saa yhtä paljon huomiota kuin reaktioliitoksella sidottu SiC tai sintrattu SiC. Se ei haittaa. Se on kiireinen tukemassa uunivaunuja, vuoraamassa alumiinikennostoja ja kestämässä sellaista kulutusta, jota oksidiliitoksella sidotut tiilet eivät kestä. Olen viettänyt tarpeeksi aikaa NSiC:n – jota kirjoitetaan myös muodossa NBSiC tai nitridisidottu SiC – parissa voidakseni sanoa tämän selvästi: se ei ole tiheän SiC:n “edullisempi versio”. Se on erilainen materiaali, jolla on erilainen tehtävä.

Resepti on paperilla yksinkertainen. Otetaan piikarbidijyviä, lisätään metallista piitä, muotoillaan kappale ja poltetaan se typpikaasussa. Pii muuttuu piinitridiksi, ja tästä nitridistä tulee sideaine, joka pitää SiC-jyvät yhdessä. Tyypillisesti SiC:n osuus on noin 70–80% ja Si₃N₄:n 20–30%. Kutistuminen nitronoinnin aikana on vähäistä, minkä ansiosta voidaan valmistaa suuria levyjä, tiiliä ja hankalia muotoja ilman, että materiaali vääntyy kuten joissakin muissa keraamisissa materiaaleissa.

Mitä valmiista osasta löytyy

Tiheys on yleensä välillä 2,6–2,8 g/cm³. Vakiolaatujen avoin huokoisuus on usein noin 12–17%. Juuri tämä huokoisuus on se asia, jota ihmiset useimmiten ymmärtävät väärin. Se ei ole oletusarvoisesti vika. Juuri sen ansiosta materiaali kestää lämpöshokkeja, jotka murtavat täysin tiiviin kappaleen, ja sen vuoksi se on kevyempää kuin uunivaunussa käytettävä reaktiosidottu SiC. Jotkut nykyaikaiset laadut on poltettu uudelleen tai valmistettu siten, että pintahuokoset suljetaan piidioksidikerroksella. Ne käyttäytyvät enemmän kuin tiivistetty tulenkestävä materiaali kuin sieni.

Lujuus on alhaisempi kuin tiheässä SiSiC:ssä. Huoneenlämpötilassa mitattu murtomoduuli tavallisissa uuni- ja tulenkestävissä laaduissa voi olla kymmeniä MPa:ta, eikä suinkaan niitä 250 MPa:ta, joista reaktiosidottujen palkkien yhteydessä puhutaan. Merkittävää on se, mitä tapahtuu korkeissa lämpötiloissa. Nitridisidoksinen piikarbidi säilyttää kantokykynsä selvästi sen pisteen yläpuolella, jossa reaktiosidoksisessa SiC:ssä oleva vapaa pii alkaa pehmetä. Käytännön käyttölämpötila-alueeksi mainitaan usein 1450–1600 °C, riippuen ilmakehästä, kuormituksesta ja siitä, onko kyseessä hienorakeinen liukuvalu- vai karkeampi puristettu tiili. Jos vedät markkinointilukuja eteenpäin tarkistamatta käyttöolosuhteita, levy taipuu silti.

Lämmönjohtavuus on hyvä verrattuna kordieriittiin tai mulliittiin, mutta yleensä huonompi kuin tiheällä RBSiC:llä. Lämpölaajeneminen on vähäistä. Juuri tämä yhdistelmä sekä nitridisidos ovat syy siihen, että kalusteet kestävät lämpenemisen ja jäähtymisen ilman, että niihin syntyy hiuksenhienoja halkeamia jo tiistaina.

Kemiallisesti se on kestävä monissa teollisissa ympäristöissä. Sulanut alumiini ja kryoliitti ovat tunnetuin esimerkki: nitridisidoksinen SiC nousi suosituimmaksi sivuseinämateriaaliksi pelkistyskennoissa, koska hiili paloi ja oksiditiili ei kestänyt. Se kestää myös hankausta, monia kuonia ja sykloneissa esiintyvää likaista kaasua paremmin kuin savisidoksinen SiC-tiili. Se ei kuitenkaan ole ikuinen. Voimakkaat emäkset, puutteellinen nitridointi, jossa jää jäljelle vapaata piitä, sekä huolimaton hapettuminen kuumalla pinnalla syövyttävät sitä edelleen.

Missä se todella toimii

Uunitarvikkeet ovat arkipäivää. Eristelevyt, levyt, tukipalat, pylväät ja palkit saniteettituotteissa, astioissa, sähköposliinissa ja teknisessä keramiikassa. Kordieriittiin verrattuna saavutetaan korkeampi lämpötila, parempi kuormituskyky, ohuemmat osat ja vähemmän turhaa massaa uunissa. Viimeinen kohta ei ole runoutta. Pienempi kaluston massa tarkoittaa enemmän tuotteita ja vähemmän polttoainetta kierrosta kohden.

Alumiini on toinen tärkeä sovellusalue. Potline-prosessin sivuseinälohkoilta vaaditaan lämmönjohtavuutta, mekaanista lujuutta ja kestävyyttä sulan kemiallisia aineita vastaan. NSiC täyttää nämä vaatimukset tehtaiden kannalta hyväksyttävillä kustannuksilla. Masuunien alaosat, jätteiden energiakäytössä esiintyvät kulumisalueet sekä kaivos- ja energiateollisuuden syklonien vuoraukset noudattavat samaa periaatetta: kovaa SiC-rakeisuutta, lämmönkestävää sideainetta sekä muotoa, joka voidaan asentaa tiilinä tai valukappaleena.

Myös kulutusosat tulevat esiin – laatat, suuttimet, pumpun osat – kun ympäristö on kuuma ja hankaava, mutta reaktiosidotun SiC:n lähes nollatasoista huokoisuutta ei tarvita. Jos liete on kylmää ja ainoa uhkatekijä on liukuhankaaminen, tiheä SiSiC-vuoraus kestää usein pidempään. Jos haittatekijöinä ovat lämpö, hankaaminen ja lämpösyklit, NSiC alkaa vaikuttaa järkevältä valinnalta.

Miten asia näyttää, kun joku kysyy: “Miksi ei käytetä suoraan RBSiC:tä?”

Reaktiosidottu piikarbidi on tiheämpää, lujempaa ja tiiviimpää. Siitä valmistetaan erinomaisia palkkeja, rullia ja tarkkuusosien kulutusosia, joiden käyttölämpötila on alle noin 1350–1380 °C. Tämän lämpötilan yläpuolella vapaa pii on ratkaiseva tekijä. NSiC:n mikrorakenteessa ei ole tällaista metallivarastoa, joten se kestää korkeampia lämpötiloja. Se on myös käytännöllinen valinta suurille tulenkestävistä materiaaleista valmistetuille kappaleille, joissa piin tunkeutuminen valtavaan lohkoon ei ole tarkoituksena.

Uudelleenkiteytetty SiC kestää vielä korkeampia lämpötiloja ja pysyy puhtaampana tietyissä uunien ilmakehissä, mutta se on huokoisempaa ja yleensä heikompaa. Oksidilla sidottu SiC on halvempaa, mutta sen kuumalujuus ja iskunkestävyys ovat heikommat. Sintrattu SiC on tiheä huippulaatuinen vaihtoehto, jonka hinta on sen mukainen. NSiC sopii tilanteisiin, joissa tehtaat tarvitsevat SiC:n suorituskykyä suurina kappaleina ilman, että joudutaan ostamaan laboratoriokeraamia.

Mikä menee pieleen kentällä

Puutteellinen nitraus on hiljainen tappaja. Kappale voi näyttää ulkoisesti hyvältä, mutta sen sisällä voi piillä jäännöspiitä tai heikko ydin. Alumiinikennossa tämä johtaa varhaiseen korroosioon. Uunilevyssä se aiheuttaa hapettumista, joka jauhaa pinnan ja heikentää lujuutta. Toinen klassinen esimerkki on kosteus huokoisessa kappaleessa, jota seuraa nopea polttaminen. Höyry ei välitä tuotantoaikataulustasi.

Ihmiset soveltavat liian tiivistä ajattelutapaa myös huokoisiin materiaaleihin. NSiC ei ole suljettu putki. Jos ilmakehä pääsee sisälle, hapettuminen ja kondensaatin kemialliset reaktiot vaikuttavat asiaan. Ja jos kyseessä on korkean nopeuden lietesovellus kohtuullisessa lämpötilassa, olet ehkä hankkinut lämpöshokkivakuutuksen, jota et edes tarvinnut.

Kuinka laatia tekniset vaatimukset niin, että ne todella heijastavat aikeitasi

Älä lähetä vain “SiC-tiiliä” ja toivo parasta. Mainitse, että kyseessä on nitridisidottu tuote. Ilmoita huippulämpötila, ilmakehä, kuormitus, syklin kesto ja kemialliset olosuhteet – alumiinikylpy, alkalihöyry, lentotuhka, lasitepisarat tai mikä tahansa, mikä tosiasiallisesti koskettaa osaa. Kysy tiheyttä, näennäistä huokoisuutta, kuumamurtolujuutta ja jäljellä olevaa vapaata piitä. Uunikalusteiden osalta kysy, onko kyseessä hienorakeinen valettu vai karkea puristettu kappale. Nämä kaksi tuotetta eivät kulu tai johda lämpöä samalla tavalla.

Nitridiliitoksella sidottu SiC on materiaali, jota käytetään silloin, kun oksidipohjaiset osat ovat kuluneet, reaktioliitoksella sidottu SiC ei kestä riittävän korkeita lämpötiloja tai on liian kallista suurissa osissa, ja tuotantoa on kuitenkin jatkettava. Se ei ole mikään hohdokas ratkaisu. Se on levy, joka tulee uunista suorana, sivuseinä, joka ei painu kasaan, ja vuoraus, joka on edelleen paikallaan edellisen tuotantokierroksen jälkeen. Valitse laatu käyttötarkoituksen mukaan, niin se pysyy sellaisena.