Perché i tubi in carburo di silicio si rompono all’estremità fredda dopo solo pochi mesi nei forni discontinui

Dopo dodici anni di esperienza con apparecchiature ad alta temperatura nella zona di Shanghai, il guasto che riscontro più spesso nei tubi in carburo di silicio non è un assottigliamento graduale né un attacco chimico. Si tratta invece di una frattura netta che ha origine vicino all’estremità fredda o in corrispondenza della flangia di montaggio, dopo solo pochi mesi di normale funzionamento in ciclo discontinuo. Gli operatori di solito presumono che il tubo fosse difettoso o che la temperatura del forno fosse semplicemente troppo alta. Negli impianti che controllo, il tubo stesso è raramente la causa principale. Il problema è la combinazione di un forte gradiente termico e del modo in cui il tubo è fissato.

I tubi in carburo di silicio, utilizzati come guaine di protezione per termocoppie o come elementi radianti corti, resistono bene alla zona calda. Una volta riscaldato in modo uniforme, il materiale presenta una buona resistenza meccanica e una buona conduttività termica. Il problema si presenta ogni volta che il forno viene raffreddato e poi riscaldato nuovamente. La sezione immersa o riscaldata rimane più calda più a lungo, mentre la sezione che sporge nell’aria ambiente più fredda si raffredda rapidamente. Ciò crea una forte differenza di temperatura lungo un breve tratto dei tubi in carburo di silicio. Il carburo di silicio presenta una bassa espansione termica, ma è comunque fragile. Quando le sezioni calde e fredde tendono a variare di lunghezza a velocità diverse e il tubo è fissato rigidamente o sigillato all’estremità fredda, si accumula una sollecitazione di trazione proprio nella zona di transizione. Dopo un numero sufficiente di cicli, la sollecitazione supera la resistenza locale e si forma una crepa, che spesso ha origine sulla superficie esterna.

Questo fenomeno lo osservo con maggiore chiarezza nei forni intermittenti per ceramica e nei piccoli forni per il trattamento termico dei metalli che funzionano quotidianamente o più volte alla settimana. I forni continui, caratterizzati da rampe di temperatura più lente e da un migliore isolamento della zona terminale, raramente presentano le stesse fessurazioni precoci su tubi di identico tipo. La differenza non sta nel carburo di silicio in sé, ma nel numero di volte in cui il tubo è sottoposto a un forte gradiente di temperatura assiale mentre viene mantenuto fermo.

Le soluzioni pratiche che effettivamente prolungano la durata sono di natura meccanica e procedurale, piuttosto che un cambiamento nel tipo di materiale. Innanzitutto, evitare un serraggio rigido proprio nel punto in cui il tubo esce dalla zona calda. Un breve tratto di guarnizione flessibile, un pressacavo a molla o semplicemente consentire alcuni millimetri di movimento assiale permette al tubo di espandersi e contrarsi senza generare elevate sollecitazioni di trazione. In secondo luogo, aggiungere un breve collare isolante o uno schermo antiradiazioni attorno alla transizione dell’estremità fredda. Ridurre il calo di temperatura negli ultimi 100–150 mm del tubo abbassa il gradiente in misura tale che la stessa configurazione di montaggio resista a un numero di cicli molto maggiore. In terzo luogo, controllare le velocità di riscaldamento e raffreddamento del forno stesso. Anche un modesto rallentamento della rampa nell’intervallo 400–800 °C riduce la sollecitazione di picco a cui è sottoposto il tubo in ogni ciclo.

Anche lo spessore delle pareti è più importante di quanto molte specifiche di acquisto riconoscano. Pareti più spesse migliorano la resistenza meccanica e rallentano la velocità di propagazione di una crepa superficiale, ma aumentano anche la massa termica e possono peggiorare il gradiente se l’estremità fredda è scarsamente isolata. Per la maggior parte delle applicazioni di protezione delle termocoppie, ritengo che una parete di spessore moderato – abbastanza spessa da resistere ai danni causati dalla manipolazione, ma non così pesante da accumulare calore in eccesso – offra il miglior equilibrio, purché il montaggio consenta un certo movimento. Gli impianti che si limitano a specificare la densità più alta o la parete più spessa disponibile e poi fissano saldamente il tubo con un morsetto, continuano comunque a sostituire i tubi a intervalli brevi.

I tubi in carburo di silicio restituiti che hanno subito questo tipo di guasto presentano quasi sempre una crepa che ha origine in corrispondenza del punto di fissaggio o appena all'interno di esso, con scarse tracce di ossidazione o erosione estesa in altre zone. Quando lo stesso tipo di tubo viene installato con un leggero gioco assiale e un gradiente ridotto nella zona terminale, l’intervallo prima della formazione di crepe si estende comunemente da pochi mesi a ben oltre un anno a parità di ciclo di funzionamento. Il materiale è in grado di garantire una durata di servizio più lunga; il fattore limitante sul campo è solitamente il dettaglio di installazione che lo costringe a sopportare sollecitazioni termiche inutili ad ogni ciclo di riscaldamento e raffreddamento.