لماذا يفقد كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد قوته بعد 8–12 شهرًا في الأجواء المؤكسدة

لقد أمضيت اثني عشر عامًا في التعامل مع المعدات التي تعمل في درجات حرارة عالية في شنغهاي والمصانع المحيطة بها المتخصصة في صناعة السيراميك والمعادن. من أكثر المشكلات التي ألاحظها باستمرار في كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد هي أن أرفف الفرن والألواح ووحدات التثبيت تبدو صلبة عند إدخالها، لكن بعد عدة أشهر من التشغيل العادي تبدأ في التصدع أو الترهل تحت الأحمال التي كانت تتحملها سابقًا دون مشكلة. يفترض معظم المشغلين أن المادة قد “بليت” ببساطة أو أن دورة الحرق كانت شديدة للغاية. أما في خطوط الإنتاج التي أعمل بها، فإن السبب الحقيقي هو الأكسدة التدريجية لمرحلة الرابطة النتريدية بمجرد تعرض السطح للهواء عند درجة الحرارة.

يعتمد كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد على مصفوفة نيتريد السيليكون لتماسك حبيبات كربيد السيليكون معًا ومنح القطعة قوتها ومقاومتها للصدمات الحرارية. في جو مختزل أو محايد، يظل هذا الارتباط مستقرًا نسبيًا. وبمجرد تشغيل الفرن بهواء زائد — وهو أمر شائع في عمليات حرق السيراميك المتقطعة أو بعض دورات المعالجة الحرارية للمعادن — يهاجم الأكسجين النتريد. تتشكل طبقة رقيقة غنية بالسيليكا على السطح، والأهم من ذلك، عند حدود الحبيبات. لا يتلف الجزء فجأة؛ بل يفقد قوته الانحنائية تدريجيًا ويصبح أكثر حساسية للتدرجات الحرارية. أرى بانتظام ألواحًا كانت قيمتها أعلى بكثير من 40 ميجا باسكال عندما كانت جديدة، تنخفض إلى أقل من 20 بعد 8–12 شهرًا من الدورات اليومية بين 1200 درجة مئوية ودرجة حرارة الغرفة.

تتجلى النتيجة العملية في شكلين. أولاً، تظهر شقوق دقيقة في الرفوف تبدأ من الحواف أو حول نقاط الدعم ثم تنتشر تحت تأثير وزنها الذاتي بالإضافة إلى حمولة الأواني. ثانياً، تنخفض القدرة الفعلية على تحمل الأحمال حتى قبل ظهور الشقوق المرئية، لذا يضطر المشغلون إما إلى تقليل عدد القطع في كل رف أو القبول بمعدلات كسر أعلى. في كلتا الحالتين، ينتهي الأمر بالمصنع إلى استبدال الأثاث في وقت أبكر مما كان متوقعًا في حسابات الشراء الأصلية. وعادةً ما تحصل المصانع التي تعمل بدافعات مستمرة أو أفران دوارة ذات تحكم أكثر إحكامًا في الغلاف الجوي على عمر افتراضي أطول لنفس الدرجة من المنتجات؛ أما أفران الدُفعات المتقطعة الشائعة في منطقة شنغهاي فتظهر المشكلة بشكل أسرع لأن كل عملية تبريد تسمح للهواء النقي بالوصول إلى الأسطح الساخنة.

إن ما يؤدي فعليًّا إلى إبطاء عملية التدهور أمر بسيط بمجرد اعتبار مرحلة الترابط هي العامل المحدد. حافظ على درجة الحرارة القصوى ومدة البقاء عند تلك الدرجة عند أدنى مستوى تسمح به العملية؛ فكل 50 درجة مئوية إضافية فوق 1350 درجة مئوية تُسرّع بشكل ملحوظ معدل الأكسدة الذي أقيسه على القطع المرتجعة. وحيثما يسمح تصميم الفرن بذلك، فإن عملية تطهير قصيرة أو وجود جو مخفض قليلاً أثناء فترة الاستقرار عند درجة الحرارة العالية يقلل من الضغط الجزئي للأكسجين بما يكفي لإطالة العمر الافتراضي لعدة أشهر. ولا يقل عن ذلك أهميةً الحمل الميكانيكي. فالسيليكون المربوط بالنتريد الذي يُدعم من الأطراف فقط ويحمل أحمالًا ثقيلة وغير متساوية من الأواني، يتعرض لضغوط شد أعلى على السطح السفلي؛ وبمجرد أن يضعف السطح بسبب الأكسدة، تؤدي تلك الضغوط إلى ظهور الشقوق في وقت أبكر. غالبًا ما يؤدي الانتقال إلى الدعم ثلاثي النقاط أو المستمر، أو ببساطة تقليل الحمولة القصوى لكل لوح بنسبة 15–20 %، إلى استعادة فترة الاستبدال الأصلية دون تغيير درجة جودة المادة.

كما أقوم بفحص الألواح المرتجعة للتحقق من سماكة الطبقة المؤكسدة. ويُعد وجود طبقة سطحية رمادية فاتحة موحدة السماكة تبلغ بضع مئات من الميكرونات أمرًا طبيعيًّا؛ أما وجود قشور محلية أكثر سماكة أو تفتت مسحوقي عند الحواف، فيشير عادةً إما إلى وجود نقطة سخونة زائدة في الفرن أو إلى التعرض المطول لدرجات حرارة تتجاوز الحد الموصى به. يمكن للمصانع التي تسجل قراءات الغلاف الجوي والحمولة القصوى للرفوف إلى جانب عدد الدورات قبل ظهور الشقوق الأولى أن تزيد عادةً متوسط العمر الافتراضي من حوالي 10 أشهر إلى 14–16 شهرًا على نفس الألواح المصنوعة من السيليكون المربوط بالنتريد. أما المصانع التي تستمر في استخدام نمط التحميل الكثيف الأصلي والبيئة الهوائية الكاملة، فإنها تكتفي باستبدال الألواح وفقًا لجدول زمني أقصر وأكثر تكلفة، وتظل تتساءل عن سبب عدم استمرار المجموعة الجديدة لفترة أطول من المجموعة السابقة.

تتمتع المادة نفسها بعمر خدمة طويل شريطة حماية مرحلة الارتباط. والفرق الذي ألاحظه في الميدان لا يكمن أبدًا تقريبًا في حدوث تغيير مفاجئ في جودة المواد الخام؛ بل يكمن في ما إذا كان المصنع يتعامل مع الأكسدة والحمولة باعتبارهما متغيرين قابلين للتحكم أم كظروف أساسية لا مفر منها.