Plus résistant à la chaleur que le RBSiC, plus solide que les briques traditionnelles : guide pratique sur le carbure de silicium lié au nitrure

Le carbure de silicium lié par nitrure ne bénéficie pas de la même attention que le SiC lié par réaction ou le SiC fritté. Ce n’est pas grave. Il est en effet très occupé à soutenir les wagons de four, à revêtir les cellules d’aluminium et à supporter une abrasion à laquelle les briques liées par oxyde ne pourraient pas résister. J'ai passé suffisamment de temps à côtoyer le NSiC — également appelé NBSiC ou SiC lié par nitrure — pour l'affirmer sans détour : il ne s'agit pas d'une “ version économique ” du SiC dense. C'est un matériau différent, destiné à une autre fonction.

Sur le papier, la recette est simple. On prend des grains de carbure de silicium, on y ajoute du silicium métallique, on donne la forme souhaitée, puis on procède à la cuisson sous azote. Le silicium se transforme en nitrure de silicium, et ce nitrure devient le liant qui maintient les grains de SiC ensemble. Les compositions typiques se situent autour de 70 à 80% de SiC et de 20 à 30% de Si₃N₄. Le retrait lors de la nitruration est faible, ce qui permet de fabriquer de grandes plaques, des briques et des formes complexes sans le problème de déformation que présentent certaines autres céramiques.

Ce que vous obtenez avec la pièce finie

La densité se situe généralement entre 2,6 et 2,8 g/cm³. La porosité ouverte des nuances standard se situe souvent entre 12 et 17%. Cette porosité est la première chose que les gens interprètent à tort. Elle ne constitue pas un défaut en soi. C'est ce qui permet au matériau de résister à des chocs thermiques qui fissureraient un corps entièrement dense, et ce qui explique pourquoi il est plus léger que le SiC lié par réaction utilisé dans un wagon de four. Certaines qualités modernes sont soumises à une nouvelle cuisson ou formulées de manière à obturer les pores superficiels à l'aide d'une couche de silice. Celles-ci se comportent davantage comme un réfractaire étanche que comme une éponge.

Sa résistance est inférieure à celle du SiSiC dense. Le module de rupture à température ambiante des nuances courantes de SiSiC cuit au four et réfractaire peut atteindre plusieurs dizaines de MPa, et non les 250 MPa que l'on entend souvent citer pour les poutres en SiSiC lié par réaction. Ce qui importe, c’est ce qui se passe à haute température. Le carbure de silicium lié par nitrure conserve une capacité de charge bien supérieure au seuil à partir duquel le silicium libre présent dans le SiC lié par réaction commence à ramollir. La plage de température d’utilisation pratique est souvent citée entre 1 450 et 1 600 °C, en fonction de l’atmosphère, de la charge et du type de produit : s’agit-il d’un corps fin moulé par coulée en barbotine ou d’une brique pressée à grain plus grossier ? Si vous vous fiez aux chiffres marketing sans vérifier les conditions d’utilisation, vous finirez quand même par déformer une plaque.

Sa conductivité thermique est bonne par rapport à celle de la cordiérite ou de la mullite, mais généralement inférieure à celle du RBSiC dense. Son coefficient de dilatation est faible. C’est cette combinaison, associée à la liaison nitrure, qui permet aux éléments de résister aux cycles de chauffage et de refroidissement sans présenter de fissures capillaires dès le mardi.

D’un point de vue chimique, il résiste bien à de nombreux environnements industriels. L’aluminium fondu et la cryolite en sont des exemples célèbres : le SiC lié au nitrure est devenu le matériau de prédilection pour les parois latérales des cellules de réduction, car le carbone brûlait et les briques d’oxyde ne résistaient pas. Il résiste également mieux à l'abrasion, à de nombreux types de scories et aux gaz polluants présents dans les cyclones qu'une brique en SiC à liant argileux. Il n'est toutefois pas indestructible. Les alcalis forts, une nitruration insuffisante laissant des résidus de silicium libre et une oxydation mal maîtrisée au niveau de la face chaude finiront tout de même par l'éroder.

Là où ça marche vraiment

Les accessoires de four font partie de notre quotidien. Plaques, disques, supports, tiges et poutres destinés à la vaisselle sanitaire, à la vaisselle de table, à la porcelaine électrique et aux céramiques techniques. Par rapport à la cordiérite, ils permettent d’atteindre des températures plus élevées, d’accueillir des charges plus importantes, d’utiliser des sections plus fines et de réduire la masse morte dans le four. Ce dernier point n’est pas de la poésie. Une masse de mobilier réduite signifie plus de pièces et moins de combustible par cycle.

L'aluminium est l'autre grand secteur d'application. Les blocs des parois latérales des cuves d'électrolyse doivent présenter une bonne conductivité thermique, une résistance mécanique élevée et une bonne résistance aux produits chimiques du bain. Le NSiC répond à ces exigences à un coût acceptable pour les usines. La partie inférieure de la cheminée d’un haut fourneau, les zones d’usure des installations de valorisation énergétique des déchets et les revêtements de cyclones dans les secteurs minier ou énergétique obéissent à la même logique : des grains de SiC durs, un liant résistant à la chaleur et une forme permettant une installation sous forme de brique ou de pièce moulée.

On retrouve également des pièces d’usure — carreaux, buses, éléments de pompe — lorsque l’environnement est chaud et abrasif, mais qu’une porosité quasi nulle, comme celle du SiC lié par réaction, n’est pas nécessaire. Si la boue est froide et que le seul ennemi est l’abrasion par glissement, un revêtement dense en SiSiC dure souvent plus longtemps. Si l’ennemi est à la fois la chaleur, l’abrasion et les cycles thermiques, le NSiC s’avère alors être un choix judicieux.

Quelle est la différence lorsque quelqu'un demande : “ Pourquoi ne pas simplement utiliser le RBSiC ? ”

Le carbure de silicium lié par réaction est plus dense, plus résistant et plus compact. Il permet de fabriquer d’excellentes poutres, rouleaux et pièces d’usure de précision à des températures inférieures à environ 1 350–1 380 °C. Au-delà de cette température, c'est le silicium libre qui devient le facteur limitant. Le NSiC ne contient pas ce réservoir de métal dans sa microstructure, ce qui lui permet de fonctionner à des températures plus élevées. C'est également le choix le plus pratique pour les pièces réfractaires de grande taille, lorsque l'infiltration de silicium dans un bloc géant n'est pas l'objectif recherché.

Le SiC recristallisé résiste à des températures encore plus élevées et reste plus propre dans certaines atmosphères de four, mais il est plus poreux et généralement moins résistant. Le SiC lié à l'oxyde est moins cher, mais présente des performances inférieures en termes de résistance à la chaleur et aux chocs. Le SiC fritté est la version haut de gamme, plus dense, et son prix est à l'avenant. Le NSiC se positionne dans la gamme où les usines ont besoin des performances du SiC sous forme de grandes pièces sans avoir à acheter une céramique de laboratoire.

Ce qui ne fonctionne pas sur le terrain

Une nitruration incomplète est un « tueur silencieux ». Un bloc peut paraître en bon état à l'extérieur tout en cachant du silicium résiduel ou un cœur fragile. Dans une cellule en aluminium, cela se traduit par une corrosion précoce. Dans une plaque de four, cela se traduit par une oxydation qui pulvérise la surface et réduit la résistance. La présence d'humidité dans un corps poreux, suivie d'une cuisson rapide, est un autre cas classique. La vapeur se moque bien de votre calendrier de production.

On a également tendance à appliquer une réflexion trop rigide à un matériau poreux. Le NSiC n'est pas un tube hermétique. Si l'atmosphère peut y pénétrer, l'oxydation et les réactions chimiques liées à la condensation entrent en jeu. Et si l'application concerne une boue à grande vitesse à une température modérée, vous avez peut-être souscrit une assurance contre les chocs thermiques dont vous n'aviez pas besoin.

Comment définir les spécifications comme il se doit

N'envoyez pas simplement une “ brique en SiC ” en espérant que cela suffise. Précisez qu'il s'agit d'un produit lié au nitrure. Indiquez la température maximale, l'atmosphère, la charge, la durée du cycle et la composition chimique — bain d'aluminium, vapeur alcaline, cendres volantes, coulures d'émail, ou tout autre élément entrant réellement en contact avec la pièce. Demandez la densité, la porosité apparente, le module de rupture à chaud et la teneur résiduelle en silicium libre. Pour les accessoires de four, demandez si la pièce est moulée par coulage en barbotine à grain fin ou pressée à grain grossier. Ces deux types de produits ne s'usent pas et ne conduisent pas la chaleur de la même manière.

Le SiC lié par nitrure est le matériau que l'on utilise lorsque les accessoires en oxyde sont usés, que le SiC lié par réaction présente des limites de température trop strictes ou qu'il est trop coûteux pour les grandes sections, et que l'usine doit continuer à fonctionner. Ce n'est pas très glamour. C’est la plaque qui sort droite du four, la paroi latérale qui ne s’affaisse pas, et le revêtement qui est toujours en place après la dernière campagne de production. Choisissez la qualité en fonction de l’usage prévu, et elle restera performante.