أكثر سخونة من كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد (RBSiC)، وأكثر صلابة من الطوب التقليدي: دليل عملي لكربيد السيليكون المرتبط بالنتريد

لا يحظى كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد بنفس الاهتمام الذي يحظى به كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل أو كربيد السيليكون المتكلس. ولا بأس بذلك. فهو مشغول بدعم عربات الأفران، وتبطين خلايا الألومنيوم، وتحمل التآكل الذي لا تستطيع الطوب المرتبط بالأكسيد تحمله. لقد أمضيت وقتًا كافيًّا في التعامل مع NSiC — الذي يُكتب أيضًا NBSiC أو كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد — لأقول هذا بوضوح: إنه ليس “نسخة اقتصادية” من كربيد السيليكون الكثيف. إنه مادة مختلفة لها وظيفة مختلفة.

الوصفة تبدو بسيطة على الورق. تأخذ حبيبات كربيد السيليكون، وتضيف معدن السيليكون، وتشكلها، ثم تحرقها في بيئة النيتروجين. يتحول السيليكون إلى نيتريد السيليكون، ويصبح هذا النيتريد المادة الرابطة التي تربط حبيبات كربيد السيليكون ببعضها. تتراوح التركيبات النموذجية بين 70–80% من كربيد السيليكون و20–30% من نيتريد السيليكون. الانكماش أثناء عملية النيترة ضئيل، ولهذا يمكنك صنع ألواح كبيرة ولبنات وأشكال غير تقليدية دون التعرض لمشاكل الالتواء التي تعاني منها بعض أنواع السيراميك الأخرى.

ما تحصل عليه في القطعة النهائية

تتراوح الكثافة عادةً بين 2.6 و2.8 غ/سم³. وغالبًا ما تتراوح المسامية المفتوحة في الدرجات القياسية بين 12 و17%. وهذه المسامية هي أول ما يسيء الناس فهمه. فهي ليست عيبًا بشكل افتراضي. وهذا هو السبب في أن المادة يمكنها تحمل الصدمات الحرارية التي من شأنها أن تتسبب في تشقق جسم كثيف تمامًا، والسبب في أنها أخف وزنًا من كربيد السيليكون (SiC) المربوط تفاعليًّا في عربة الفرن. ويتم إعادة تحميص بعض الدرجات الحديثة أو صياغتها لإغلاق المسام السطحية بطبقة من السيليكا. وتتصرف هذه الدرجات بشكل أشبه بمواد مقاومة للحرارة محكمة الإغلاق أكثر من كونها تشبه الإسفنج.

تقل قوة هذا المادة عن قوة مادة SiSiC عالية الكثافة. وقد يبلغ معامل الانكسار في درجة حرارة الغرفة للدرجات الشائعة من المواد المقاومة للحرارة والمصنوعة في الأفران العادية عشرات الميجا باسكال، وليس 250 ميجا باسكال كما يُقال عن العوارض المرتبطة تفاعليًّا. الجزء المهم هو ما يحدث عند ارتفاع درجة الحرارة. يحافظ كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد على قدرة تحمل الأحمال أعلى بكثير من النقطة التي يبدأ عندها السيليكون الحر في كربيد السيليكون المرتبط تفاعليًا في أن يصبح طريًا. غالبًا ما يُشار إلى نطاق الاستخدام العملي بين 1450 و1600 درجة مئوية، اعتمادًا على الغلاف الجوي والحمل وما إذا كانت الدرجة عبارة عن جسم مصبوب ناعم أو قرميد مضغوط أكثر خشونة. إذا اعتمدت على الأرقام التسويقية دون التحقق من ظروف التشغيل، فستظل الألواح عرضة للانحناء.

تتميز هذه المادة بموصلية حرارية جيدة مقارنة بالكوردييريت أو الموليت، وهي عادةً ما تكون أقل من تلك الخاصة بـ RBSiC عالي الكثافة. كما أن معدل تمددها منخفض. وهذا المزيج، إلى جانب الرابطة النيتريدية، هو السبب في أن الأثاث يتحمل عمليات التسخين والتبريد دون أن تظهر عليه شقوق دقيقة في غضون يومين.

من الناحية الكيميائية، يتميز هذا المادة بمقاومته العالية في العديد من الأجواء الصناعية. ويُعد الألومنيوم المنصهر والكريوليت من الأمثلة الشهيرة على ذلك: فقد أصبح كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد (SiC) المادة المفضلة لتبطين الجدران الجانبية في خلايا الاختزال، لأن الكربون كان يحترق، كما أن الطوب المؤكسد لم يكن يدوم طويلاً. كما أنه يتحمل التآكل والعديد من أنواع الخبث والغازات الملوثة في الفصل الدوامي بشكل أفضل من طوب SiC المرتبط بالطين. لكنه ليس خالداً. فالقلويات القوية، والنترجة غير الكاملة مع بقاء السيليكون الحر، والأكسدة غير الدقيقة على السطح الساخن، ستؤدي جميعها إلى تآكله.

حيث يُثبت فعاليته بالفعل

تُعدّ أدوات الفرن جزءًا من العمل اليومي. وتشمل هذه الأدوات: الألواح العازلة، والألواح المسطحة، وقواعد التثبيت، والأعمدة، والعوارض المستخدمة في صناعة الأدوات الصحية، وأدوات المائدة، والخزف الكهربائي، والسيراميك التقني. وبالمقارنة مع الكوردييريت، فإنها تتيح درجات حرارة أعلى، وتحملًا أفضل، ومقاطع أرق، وكتلة ميتة أقل داخل الفرن. وهذه النقطة الأخيرة ليست مجرد كلام من وحي الخيال. فانخفاض كتلة أثاث الفرن يعني إنتاج كمية أكبر من المنتجات واستهلاك وقود أقل في كل دورة.

الألمنيوم هو المجال الرئيسي الآخر. تتطلب كتل الجدران الجانبية في خطوط صهر الألمنيوم الموصلية الحرارية والقوة الميكانيكية ومقاومة التركيب الكيميائي للحمام. ويؤدي مركب NSiC هذه المهمة بتكلفة يمكن للمصانع تحملها. وينطبق المنطق نفسه على المداخن السفلية للأفران العالية، ومناطق التآكل في محطات تحويل النفايات إلى طاقة، وبطانات الفراغات الدوامة في قطاعي التعدين أو الطاقة: حبيبات SiC صلبة، ورابطة تتحمل الحرارة، وشكل يمكن تركيبه كقطعة من الطوب أو قطعة مصبوبة.

تظهر أيضًا الأجزاء المعرضة للتآكل — مثل البلاطات، والفوهات، وأجزاء المضخات — عندما تكون البيئة حارة وكاشطة، لكنك لا تحتاج إلى المسامية شبه الصفرية التي يتميز بها كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (SiC). أما إذا كان الملاط باردًا وكان التآكل الانزلاقي هو التهديد الوحيد، فإن البطانة الكثيفة من SiSiC غالبًا ما تدوم لفترة أطول. أما إذا كان التحدي هو الحرارة بالإضافة إلى التآكل بالإضافة إلى الدورات الحرارية، فإن مادة NSiC تبدو الخيار الأمثل.

كيف يمكن مقارنة ذلك عندما يسأل أحدهم: “لماذا لا نستخدم RBSiC فحسب؟”

يتميز كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل بأنه أكثر كثافة وقوة وتماسكًا. وهو يُستخدم في صناعة العوارض والبكرات وقطع الغيار الدقيقة المقاومة للتآكل عند درجات حرارة تقل عن 1350–1380 درجة مئوية تقريبًا. أما عند درجات حرارة أعلى من ذلك، فإن السيليكون الحر هو العامل المحدد. ولا يحتوي NSiC على تلك الكمية من المعدن في البنية المجهرية، لذا فإنه يستمر في العمل عند درجات حرارة أعلى. كما أنه الخيار العملي للأشكال الكبيرة من المواد المقاومة للحرارة حيث لا يكون تسلل السيليكون إلى كتلة عملاقة هو الهدف المنشود.

يصل SiC المعاد بلورته إلى درجات حرارة أعلى ويحافظ على نظافته بشكل أفضل في بعض بيئات الأفران، لكنه أكثر مسامية وأضعف عادةً. أما SiC المرتبط بالأكسيد فهو أرخص ثمناً، لكنه أقل متانةً في درجات الحرارة العالية وأقل مقاومةً للصدمات. أما SiC المتكلس فهو النوع عالي الكثافة ذو الجودة الفائقة، وسعره يتناسب مع جودته. يقع NSiC في النطاق الذي تحتاج فيه المصانع إلى أداء SiC في قطع كبيرة الحجم دون الحاجة إلى شراء سيراميك مختبري.

ما الذي يفشل في الميدان

النترجة غير الكاملة هي «القاتل الصامت». فقد تبدو القطعة سليمة من الخارج، لكنها تخفي بقايا سيليكون أو قلبًا ضعيفًا. وفي خلية الألومنيوم، يتحول ذلك إلى تآكل مبكر. أما في لوح الفرن، فيتحول إلى أكسدة تؤدي إلى تحول السطح إلى مسحوق وتقلل من المتانة. كما أن وجود الرطوبة في جسم مسامي، ثم التعرض لحرارة عالية سريعة، هو مثال كلاسيكي آخر. فالبخار لا يكترث بجدول إنتاجك.

كما أن الناس يفرطون في تقدير درجة الحرارة عند تطبيق التفكير القائم على الكثافة على مادة مسامية. فـ NSiC ليس أنبوبًا مغلقًا. وإذا تمكنت الغازات من الدخول إلى الداخل، فإن الأكسدة والكيمياء المتعلقة بالمكثفات تصبحان عاملين مهمين. وإذا كان التطبيق يتعلق بملاط عالي السرعة عند درجة حرارة معتدلة، فربما تكون قد اشتريت تأمينًا ضد الصدمات الحرارية لم تكن بحاجة إليه.

كيف تحدد المواصفات بجدية

لا ترسل “لبنة SiC” وتنتظر النتيجة. أطلق عليها اسم «مربوطة بالنتريد». حدد درجة الحرارة القصوى، والبيئة الجوية، والحمل، ومدة الدورة، والتركيب الكيميائي — حمام الألومنيوم، وبخار القلويات، والرماد المتطاير، وتقطير الطلاء الزجاجي، أو أي مادة تلامس القطعة فعليًّا. اطلب معرفة الكثافة، والمسامية الظاهرية، ومعامل الانكسار عند الحرارة العالية، والسيليكون الحر المتبقي. بالنسبة لأثاث الأفران، اسأل عما إذا كانت القطعة مصبوبة بالطريقة الانزلاقية ذات الحبيبات الدقيقة أم مضغوطة ذات الحبيبات الخشنة. هذان المنتجان لا يتآكلان ولا يوصلان الحرارة بنفس الطريقة.

يُستخدم مادة SiC المرتبطة بالنتريد عندما تصبح الأجزاء المصنوعة من الأكسيد بالية، أو عندما تكون مادة SiC المرتبطة بالتفاعل مقيدة جدًّا بدرجات الحرارة أو باهظة الثمن في المقاطع الكبيرة، ويكون المصنع لا يزال بحاجة إلى العمل. إنها ليست مادة مبهرة. إنها الصفيحة التي تخرج من الفرن مستقيمة، والجدار الجانبي الذي لا ينهار، والبطانة التي تظل في مكانها بعد انتهاء دورة التشغيل الأخيرة. حدد درجة الجودة وفقًا لمتطلبات العمل وستظل على هذا النحو.