Più resistente del RBSiC, più duro dei vecchi mattoni: una guida pratica al carburo di silicio legato con nitruro

Il carburo di silicio legato con nitruro non riceve la stessa attenzione del SiC legato per reazione o del SiC sinterizzato. E va bene così. È impegnato a sostenere i carri dei forni, a rivestire le celle di alluminio e a sopportare un’abrasione che i mattoni legati con ossido non riuscirebbero a resistere. Ho trascorso abbastanza tempo a contatto con l’NSiC — scritto anche NBSiC o SiC legato con nitruro — per poterlo affermare chiaramente: non si tratta di una “versione economica” del SiC denso. È un materiale diverso con una funzione diversa.

La ricetta sembra semplice sulla carta. Si prendono granuli di carburo di silicio, si aggiunge silicio metallico, si modella la forma e poi si cuoce in atmosfera di azoto. Il silicio si trasforma in nitruro di silicio e quel nitruro diventa il legante che tiene insieme i granuli di SiC. I corpi tipici presentano una composizione di circa il 70–80% di SiC e il 20–30% di Si₃N₄. Il ritiro durante la nitrurazione è minimo, motivo per cui è possibile realizzare lastre di grandi dimensioni, mattoni e forme irregolari senza il problema della deformazione tipico di alcune altre ceramiche.

Cosa si ottiene nel pezzo finito

La densità si aggira solitamente tra 2,6 e 2,8 g/cm³. La porosità aperta nei gradi standard si attesta spesso intorno a 12–17%. Quella porosità è la prima cosa che viene fraintesa. Non si tratta di un difetto di per sé. È proprio il motivo per cui il materiale è in grado di sopportare shock termici che causerebbero la frattura di un corpo completamente denso, ed è anche il motivo per cui è più leggero del SiC legato per reazione utilizzato nei carri da forno. Alcuni tipi moderni vengono sottoposti a una seconda cottura o formulati in modo da chiudere i pori superficiali con uno strato di silice. Questi si comportano più come un refrattario sigillato che come una spugna.

La resistenza è inferiore rispetto al SiSiC denso. Il modulo di rottura a temperatura ambiente dei comuni gradi da forno e refrattari può essere dell’ordine di decine di MPa, non dei 250 MPa di cui si sente parlare per le travi legate per reazione. L’aspetto rilevante è ciò che accade a temperatura elevata. Il carburo di silicio legato con nitruro mantiene una capacità portante ben al di sopra del punto in cui il silicio libero presente nel SiC legato per reazione inizia ad ammorbidirsi. La temperatura di esercizio pratica è spesso indicata nell’intervallo 1450–1600 °C, a seconda dell’atmosfera, del carico e del fatto che il tipo di prodotto sia un corpo fine colato in stampo o un mattone pressato più grossolano. Se si spinge sul dato di marketing senza verificare le condizioni di impiego, si finirà comunque per deformare una piastra.

La conduttività termica è buona rispetto alla cordierite o alla mullite, ma solitamente inferiore a quella dell’RBSiC denso. Il coefficiente di dilatazione è basso. È proprio questa combinazione, unita al legame nitruro, a consentire ai mobili di resistere al riscaldamento e al raffreddamento senza che si formino microcrepe già il martedì.

Dal punto di vista chimico, è resistente in molte atmosfere industriali. L’alluminio fuso e la criolite ne sono un esempio famoso: il SiC legato con nitruro è diventato il materiale di elezione per le pareti laterali delle celle di riduzione, poiché il carbonio bruciava e i mattoni di ossido non duravano a lungo. Inoltre, resiste all’abrasione, a molti tipi di scorie e ai gas contaminanti presenti nei cicloni meglio di un mattone in SiC legato con argilla. Non è però immortale: alcali forti, una nitrurazione inadeguata con residui di silicio libero e un’ossidazione non controllata sulla superficie a contatto con il calore continuano a corrodere il materiale.

Dove funziona davvero

Gli accessori per forno sono all’ordine del giorno. Pannelli, piastre, supporti, montanti e travi per sanitari, stoviglie, porcellana per uso elettrico e ceramiche tecniche. Rispetto alla cordierite, consentono di raggiungere temperature più elevate, sopportare carichi maggiori, utilizzare sezioni più sottili e ridurre la massa morta nel forno. Quest’ultimo punto non è solo retorica. Una massa minore degli accessori significa più prodotti e meno combustibile per ciclo.

L’alluminio è l’altro grande settore di applicazione. I blocchi delle pareti laterali nelle linee di elettrolisi devono garantire conduttività termica, resistenza meccanica e resistenza agli agenti chimici del bagno. L’NSiC soddisfa questi requisiti a un costo sostenibile per gli impianti. La parte inferiore del camino dell’altoforno, le zone soggette a usura negli impianti di termovalorizzazione e i rivestimenti dei cicloni nel settore minerario o energetico seguono la stessa logica: grani di SiC duri, un legante resistente al calore e una forma che può essere installata sia come mattone che come pezzo fuso.

Si utilizzano anche parti soggette a usura — piastrelle, ugelli, componenti delle pompe — quando l’ambiente è caldo e abrasivo, ma non è necessaria la porosità quasi nulla del SiC legato per reazione. Se la sospensione è fredda e l’unico nemico è l’abrasione da scorrimento, un rivestimento denso in SiSiC spesso dura più a lungo. Se il nemico è il calore unito all’abrasione e ai cicli termici, l’NSiC inizia a sembrare la scelta più intelligente.

Come si presenta la situazione quando qualcuno chiede: “Perché non usare semplicemente l’RBSiC?”

Il carburo di silicio ottenuto per sinterizzazione reattiva è più denso, più resistente e più compatto. È ideale per la realizzazione di travi, rulli e componenti di precisione soggetti a usura a temperature inferiori a circa 1350–1380 °C. Al di sopra di tale temperatura, è il silicio libero a determinare il comportamento. L’NSiC non presenta quella riserva di metallo nella microstruttura, quindi continua a funzionare a temperature più elevate. Rappresenta inoltre la scelta pratica per elementi refrattari di grandi dimensioni, dove l’infiltrazione di silicio in un blocco gigante non è l’obiettivo principale.

Il SiC ricristallizzato resiste a temperature ancora più elevate e rimane più pulito in alcune atmosfere da forno, ma è più poroso e solitamente meno resistente. Il SiC legato con ossidi è più economico, ma presenta minori prestazioni in termini di resistenza al calore e agli urti. Il SiC sinterizzato è la versione più pregiata e compatta, con un prezzo in linea con le sue caratteristiche. L’NSiC si colloca nella fascia in cui gli impianti necessitano delle prestazioni del SiC in pezzi di grandi dimensioni senza dover ricorrere a ceramiche da laboratorio.

Cosa non funziona sul campo

La nitrurazione incompleta è un killer silenzioso. Un blocco può sembrare a posto all’esterno e nascondere silicio residuo o un nucleo debole. In una cella di alluminio ciò si traduce in corrosione precoce. In una piastra da forno si traduce in ossidazione che polverizza la superficie e riduce la resistenza. L’umidità in un corpo poroso, seguita da una cottura rapida, è un altro caso classico. Al vapore non importa nulla del vostro programma di produzione.

Inoltre, si tende a applicare un approccio troppo rigido a un materiale poroso. L’NSiC non è un tubo sigillato. Se l’atmosfera riesce a penetrare all’interno, l’ossidazione e i processi chimici legati alla condensa assumono rilevanza. E se l’applicazione prevede l’uso di una sospensione ad alta velocità a temperature moderate, potresti aver stipulato un’assicurazione contro gli shock termici di cui non avevi bisogno.

Come configurarlo come si deve

Non limitarti a inviare un “mattone in SiC” sperando che vada bene. Specifica che si tratta di un prodotto legato con nitruro. Indica la temperatura massima, l’atmosfera, il carico, il tempo di ciclo e la composizione chimica — bagno di alluminio, vapori alcalini, ceneri volanti, gocce di smalto, qualsiasi cosa entri effettivamente in contatto con il pezzo. Chiedete la densità, la porosità apparente, il modulo di rottura a caldo e il silicio libero residuo. Per gli accessori da forno, chiedete se il pezzo è realizzato con colata in stampo a grana fine o pressato a grana grossa. Questi due prodotti non si usurano né conducono il calore allo stesso modo.

Il SiC legato con nitruro è il materiale che si utilizza quando i componenti in ossido sono ormai logori, il SiC legato per reazione presenta limiti di temperatura troppo restrittivi o è troppo costoso per sezioni di grandi dimensioni, e l’impianto deve comunque continuare a funzionare. Non è certo un materiale affascinante. È la piastra che esce dritta dal forno, la parete laterale che non si affloscia e il rivestimento che è ancora al suo posto dopo l’ultima campagna produttiva. Si scelga il grado in base al servizio richiesto e rimarrà tale.