Nitridisidottu piikarbidi: Luotettava liittolainen lämpöä ja kulumista vastaan teollisuudessa
Vietettyäni yli kaksikymmentä vuotta tulenkestävien materiaalien parissa ja puuhasteltuani kaikenlaisten materiaalien kanssa, joiden on kestettävä kuumia lämpötiloja ja kovia olosuhteita, olen oppinut arvostamaan nitridisidoksissa olevaa piikarbidia. Se ei ole sellaista räikeää tekniikkaa, josta puhutaan TED-puheissa, mutta tehtaiden ja laitosten arjessa se on hengenpelastaja. Tässä aineessa yhdistyvät piikarbidin sitkeys ja nitridisideaine, joka tekee siitä erityisen sitkeän, ja siitä on tullut peruskamaa kaikille, jotka työskentelevät äärimmäisissä ympäristöissä. Pidän siitä, että se ratkaisee ongelmia ilman suurempaa hössötystä - kestävämmät vuoraukset, vähemmän seisokkeja ja sen sellaista. Tässä artikkelissa käyn läpi, mistä se on tehty, sen tärkeimmät vahvuudet, missä sitä käytetään, ja muutamia asioita, joita on syytä varoa kentällä näkemäni perusteella. Jos olet insinööri tai teknikko, joka etsii vaihtoehtoja korkealämpöisiin kokoonpanoihin, saattaisit saada tästä hyödyllisiä vinkkejä.
Aloitetaan perusasioista: miten nitridisidottu sic muodostuu. Tärkein ainesosa on piikarbidi eli SiC, joka on peräisin Acheson-prosessista. Siinä otetaan piihiekkaa ja hiiltä, kuumennetaan ne suuressa sähköuunissa noin 2000 celsiusasteeseen tai yli, ja ulos saadaan kovia SiC-kiteitä. Ne ovat kovia kuin naulat. Liimattua versiota varten SiC-hiukkaset sekoitetaan piijauheeseen ja muotoillaan siitä mitä tahansa - tiiliä, levyjä, ehkä jopa putkia. Sitten se poltetaan typpi-ilmakehässä noin 1400-1500 °C:ssa. Pii tarttuu typpeen ja muuttuu piidinitridiksi, Si3N4:ksi, joka muodostaa sitovan verkoston, joka pitää kaiken paikallaan. Se on enimmäkseen piikarbidia, esimerkiksi 85% tai jotain sellaista, ja nitridi täyttää aukot. Mikroskoopilla näkee, että neulanmuotoiset nitridikiteet kietoutuvat SiC-hiukkasten ympärille ja muodostavat rakenteen, joka on kiinteä mutta ei liian hauras. Ei tarvita ylimääräisiä sideaineita, jotka saattaisivat palaa loppuun korkeissa lämpötiloissa, mikä on hieno juttu.
Seuraavaksi puhutaan siitä, mikä saa sen toimimaan niin hyvin. Lämpöteknisesti tämä materiaali kestää jopa 1650 °C:n lämpötilaa ilmassa, ja joskus korkeammankin, jos ilmakehä on pelkistävä. Hapettuessaan se muodostaa pinnalle piidioksidikerroksen, joka toimii ikään kuin suojana lisävahinkoja vastaan. Lämmönjohtavuus on melko hyvä, 20-40 wattia metri-kelviniä kohti, joten se selviytyy ongelmitta lämpövirroista esimerkiksi lämmönvaihtimissa. Laajenemisnopeus on alhainen, noin 4 kertaa 10 miinus 6 C-astetta kohden, eli se ei halkeile helposti lämpötilojen heilahtaessa rajusti. Mekaanisesti se on vahvaa, puristuslujuus on yli 200 megapascalia, ja se kestää erittäin hyvin kulutusta, koska SiC on lähes yhtä kovaa kuin timantti. Olen tehnyt näytteille eroosiotestejä sulan kuonan kanssa, ja ne näyttävät paljon paremmilta kuin alumiinioksidia sisältävä materiaali.
Myös kemiallisesti se on mestari. Hapot, emäkset, sulat metallit - ne eivät juurikaan haittaa sitä. Alumiinityössä se kestää fluorideja, jotka söisivät muut tulenkestävät materiaalit elävältä. Tiheys on noin 2,7-3,1 grammaa kuutiosenttimetriä kohti, joten se ei ole liian raskas, ja huokoisuus on 10-20 prosenttia, mikä antaa sen hengittää hieman hajoamatta. Mutta tässä on varoitus: jos olet yli 1400 °C:n lämpötilassa olevassa höyryävässä ympäristössä, nitridi voi reagoida veden kanssa ja hajota. Se on otettava huomioon.
Missä se näkyy todellisessa maailmassa? Monessa paikassa. Teräksenvalmistuksessa se sopii erinomaisesti masuunin osiin, kuten tulppien tai piipun ympärillä oleviin alueisiin, joissa lämpö ja materiaalien aiheuttama paukutus ovat jatkuvia. Muistan erään työn, jossa vaihdoimme uunin vuorauksen SiC:hen, ja se kesti kaksi kertaa pidempään - se piti uusia kuuden kuukauden välein, mutta nyt se kestää yli vuoden. Siinä oli suuria säästöjä. Metalleissa, kuten kuparissa tai alumiinissa, sitä käytetään upokkaissa ja kanavissa; pinta ei anna metallin tarttua kiinni, joten tukoksia ei synny. Keramiikassa siitä valmistetaan hyviä uunitukia ja hyllyjä, jotka eivät vääntyile kuormituksen alla korkeilla paloilla.
Kyse ei ole myöskään vain vanhakantaisesta teollisuudesta. Sitä on myös jätteenpolttolaitoksissa, joissa käsitellään ikäviä kaasuja, tai kemiallisissa reaktoreissa, joissa käsitellään syövyttäviä aineita. Viime aikoina olen nähnyt sitä myös vihreän energian alalla, kuten biomassan kaasuttimissa tai aurinkoenergiakokoonpanoissa. Siitä voidaan muotoilla melkein mitä tahansa - tavallisia tiiliä tai yksilöllisiä kappaleita - ja se voidaan asentaa erikoislaastilla. Se maksaa aluksi enemmän, ehkä viisi tai kymmenen dollaria kilolta, mutta se maksaa itsensä nopeasti takaisin vaikeissa paikoissa.
Se ei kuitenkaan ole täydellinen. Jos nitraus ei mene loppuun asti, syntyy heikkoja kohtia. Leikkaaminen tai hionta nostattaa pölyä, joka on huono uutinen - se voi olla syöpää aiheuttavaa - joten käytä naamareita ja poistojärjestelmää. Tuotanto syö energiaa, mutta kierrätys on parantunut; joissakin paikoissa vanhoista osista otetaan takaisin 70% SiC:tä. Tutkimus ponnistaa myös rajoja, kuten lisäämällä aineita, jotka tekevät siitä kestävämmän halkeamia vastaan, tai käyttämällä 3D-tulostusta jätteen vähentämiseksi.
Kaiken kaikkiaan nitridisidottu piikarbidi on yksi niistä materiaaleista, jotka vain toimivat silloin, kun sitä tarvitaan. Sen perusteella, mitä olen käsitellyt, se on kääntänyt hankalat tilanteet ympäri, kuten tuossa sinkkitehtaassa, jossa se lisäsi tehokkuutta huomattavasti. Jos harkitset sen käyttöä, sovita se olosuhteisiisi - kuumuuteen, kemikaaleihin, rasitukseen - ja tarkista Saint-Gobainin kaltaisten yritysten tekniset tiedot. Sillä on vankka tulevaisuus, kun etsimme parempia ja vihreämpiä tapoja tehdä asioita.