چرا شوک حرارتی اغلب در خرابی قطعات SiC تشخیص نادرست داده می شود؟

مقدمه

در سیستم های صنعتی با دمای بالا، زمانی کهاجزای کربید سیلیکون (SiC)شکستن یا شکست، رایج ترین توضیح اغلب این است:

"این شکست شوک حرارتی است".

از آنجایی که تغییرات سریع دمای را به راحتی می توان مشاهده کرد، شوک حرارتی تشخیص پیش فرض در بسیاری از کوره ها، کوره ها و کاربردهای پردازش حرارتی می شود.

با این حال، در سیستم های مهندسی واقعی، این توضیح اغلب ناقص است و گاهی اوقات کاملا نادرست است.

تحقیقات میدانی نشان می دهد که بسیاری از شکست های مربوط به شوک حرارتی در واقع ناشی از:

• گرادیانت های حرارتی
• محدودیت های ساختاری
• فشار تماس
• یا انباشت استرس طولانی مدت.

درک این تفاوت برای بهبود قابلیت اطمیناناجزای کربید سیلیکونی بدون فشار (SSiC)در محیط های با دمای بالا.

آنچه مهندسان معمولا فرض می کنند

منطق معمولي ساده است:

گرم شدن یا خنک شدن سریع → فشار حرارتی → ترکیدن → شکست شوک حرارتی

در نگاه اول، این منطقی به نظر می رسد.

به هر حال، سرامیک های کربید سیلیکون مواد شکننده ای هستند و مواد شکننده به تغییرات دمایی حساس هستند.

اما این توضیح ساده اغلب نحوه رفتار سیستم های کوره واقعی را نادیده می گیرد.

شکستن واقعی شوک حرارتی چگونه است

شکست واقعی شوک حرارتی معمولا با:

• شکستگی ناگهانی
• ترک فوری پس از تغییر سریع دمای،
• توزیع نسبتاً تصادفی ترک،
• و رفتار شکست کوتاه مدت.

نمونه های معمول عبارتند از:

• خاموش کردن یک قطعه سرامیکی داغ،
• قرار گرفتن سریع در معرض هوای سرد
• یا شرایط بسیار خشن برای راه اندازی و خاموش کردن.

در این موارد، شکست تقریبا بلافاصله پس از رویداد حرارتی رخ می دهد.

آنچه که معمولا در سیستم های واقعی مشاهده می شود

با این حال، بسیاری از شکست های صنعتی SiC با این الگوی مطابقت ندارد.

در عوض، مهندسان اغلب مشاهده می کنند:

• شکاف هایی که در نزدیکی نوک رولر ایجاد می شوند،
• آسیب های متمرکز در مناطق تماس پشتیبانی
• تراشیدن پیشرفته لبه ها،
• شکستن به تاخیر پس از خاموش شدن
• یا شکست بعد از ماه ها کار کردن.

اين ويژگي ها نشان دهنده ي يک ميكانيزم کاملاً متفاوت است.

این آسیب به تدریج در طول زمان ایجاد می شود نه از یک رویداد ناگهانی.

مشکل واقعی: گرادیانت حرارتی، نه شوک حرارتی

در اکثر سیستم های کوره، دمای هرگز کاملا یکسان نیست.

مناطق مختلف قطعات دارای دماهای مختلف هستند:

• سطح بیرونی در مقابل هسته داخلی
• منطقه گرم در مقابل منطقه پشتیبانی،
• مناطق در معرض در مقابل مناطق محدود.

این باعث می شود:

شیب های حرارتی

به جای شوک حرارتی خالص

هنگامی که قسمت های مختلف قطعات به طور متفاوت گسترش یا انقباض می یابند، استرس داخلی به طور مداوم در طول چرخه های کار و خنک کننده ایجاد می شود.

بر خلاف شوک حرارتی، این فرآیند:

• جمع و جور
• پیشرفت،
• و به شدت وابسته به طراحی سیستم است.

خواندن مرتبط:

• فشارهای ناشی از گرادیانت حرارتی در اجزای SiC
• چرا شکست اغلب در زمان خاموش شدن شروع می شود، نه تولید؟

استرس ناشی از تنبیه اغلب بسیار مهم تر است

در سیستم های کوره واقعی، اجزای SiC به ندرت مستقل هستند.

معمولا این موارد هستند:

• حمایت شده،
• بسته شده
• با فواره
• یا به طور جزئی محدود شده.

با تغییر دما، گسترش حرارتی محدود می شود.

این باعث ایجاد فشار کششی محلی در نزدیکی:

• پشتوانه ها
• رابط های تماس
• لبه ها
• و گوشه ها

برای سرامیک های شکننده مانند SSiC، استرس کششی به ویژه خطرناک است.

به همین دلیل است که ترک ها اغلب در انتهای رولر شروع می شوند نه در فاصله وسط.

خواندن مرتبط:

• پشتیبانی چرخ در مقابل پشتیبانی بهار در سیستم های رول SSiC
• چرا بیشتر ترک های رولر از مناطق تماس شروع می شود؟

استرس تماس مشکل را تشدید می کند

در سیستم هایی مانند کوره های رولر:

انتقال بار از طریق مناطق تماس محلی اتفاق می افتد.

حتی اگر بار جهانی معتدل باشد، استرس محلی می تواند بسیار بالا باشد.

در ترکیب با گرادیانت های حرارتی، این ایجاد می کند:

• غلظت فشار
• شروع میکروشکاف،
• و خسارت سطحي تدريجي.

این امر مشاهدات رایج را توضیح می دهد مانند:

• برش لبه ها،
• پوشیدن مارپیچ
• اسپالینگ محلی
• و شکستن صورت آخر.

اين ها نشانه هاي شاک حرارتي معمولي نيستن

آنها شکست های ناشی از استرس تماس در شرایط محدود شده حرارتی هستند.

خواندن مرتبط:

• چرا در انتهای رولر در سیستم های کوره ی پرتاب شده به صورت مارپیچی ظاهر می شود؟
• چرا اجزای SiC در لبه ها شکست می خورند، نه در وسط؟

تخریب طولانی مدت اغلب نادیده گرفته می شود

یک دلیل دیگر که شوک حرارتی بیش از حد تشخیص داده می شود این است که مکانیسم های تخریب طولانی مدت کمتر قابل مشاهده هستند.

در دمای بالا، اجزای SiC ممکن است به تدریج:

• اکسید
• خوردگی لیتیوم
• تضعیف مرز دانه ها
• یا تخریب سطح.

با گذشت زمان:

مقاومت مواد کاهش می یابد،
میکروشکاف ها جمع می شوند.
و تحمل آسیب کاهش می یابد.

هنگامی که چرخه های خنک کننده بعدا رخ می دهد، شکست ممکن است ناگهانی به نظر برسد اما آسیب واقعی در طول ماه های کار به آرامی توسعه یافته است.

خواندن مرتبط:

• چگونه عمر رولرهای سی سی سی را در تولید NCM بهبود بخشیم؟

مقایسه شکست: شوک حرارتی در مقابل شکست سیستم واقعی

بینش مهندسی

یک اصل مهم مهندسی این است:

بیشتر شکست های سی سی سی در سطح سیستم هستند، نه شکست های مواد خالص.

خود قطعه تنها بخشی از مشکل است.

عوامل اصلی کنترل کننده اغلب:

• توزیع دمای
• ساختار پشتیبان
• وضعیت تماس
• رفتار خنک کننده
• و طراحی مسیر استرس.

به همین دلیل است که انتخاب یک "مواد قوی تر" اغلب مشکل را حل نمی کند.

چگونه تشخیص نادرست بیماری را کاهش دهیم؟

بهبود قابلیت اطمینان نیاز به یک رویکرد در سطح سیستم دارد.

1کاهش گرادیانت های حرارتی

• از گرمایش و خنک سازی نامتناسق اجتناب کنید
• نرخ شروع و خاموش شدن را کنترل کنید
• بهبود یکسانی دمای کوره

2. ساختار پشتیبانی را بهینه سازی کنید

• کاهش محدودیت سفت
• استفاده از سیستم های پشتیبانی سازگار در صورت لزوم
• حداقل کردن استرس تماس محلی

3بهبود شرایط تماس

• از بارگذاری متمرکز اجتناب کنید
• بهبود دقت تراز
• کاهش غلظت تنش لبه

4. نظارت بر آسیب های اولیه

به طور منظم بررسی کنید:

• برش لبه ها،
• پوشیدن محلی
• میکروشکافها
• و آسیب به ناحیه پشتیبانی.

چرا SSiC هنوز به طور گسترده ای استفاده می شود؟

اگرچه استرس حرارتی همچنان یک مسئله مهم است، کربید سیلیکون سینتر شده بدون فشار (SSiC) همچنان یکی از قابل اطمینان ترین مواد برای کاربردهای کوره با دمای بالا به دلیل:

• رسانایی حرارتی بالا
• مقاومت عالی در دمای بالا
• گسترش حرارتی کم
• و ثبات ساختاري برتر.

با این حال، حتی سرامیک های پیشرفته نیاز به طراحی سیستم مناسب برای دستیابی به عمر طولانی دارند.

نتیجه گیری

شوک حرارتی اغلب به اشتباه تشخیص داده می شود زیرا ترک کردن به تنهایی ثابت نمی کند که شکست شوک حرارتی واقعی است.

در بسیاری از سیستم های صنعتی، علل واقعی این هستند:

• گرادیانت های حرارتی
• محدودیت های ساختاری
• فشار تماس
• و مکانیسم های تخریب طولانی مدت.

درک این تعاملات برای بهبود قابلیت اطمیناناجزای SiCدر کاربردهای درجه حرارت بالا.

نکته مهم

اگر آسیب به تدریج ایجاد شود و در نزدیکی پشتیبانی یا مناطق تماس قرار گیرد، معمولاً شوک حرارتی خالص نیست.

این یک مشکل استرس حرارتی در سطح سیستم است.