كربيد السيليكون وكربيد التنغستن هما المادتان الأكثر شيوعًا الأختام الميكانيكية في المعدات الصناعية. يتميز كربيد السيليكون بمقاومة ممتازة للتآكل وأداء أفضل في السوائل النظيفة، بينما يوفر كربيد التنغستن متانة فائقة ويتحمل الظروف الملوثة بكفاءة أكبر. يعتمد الاختيار بينهما على متطلبات تطبيقك المحددة، بما في ذلك نوع السائل وظروف التشغيل والميزانية المحدودة.
خصائص المواد
| الممتلكات | كربيد السيليكون (SiC) | كربيد التنغستن (مرحاض) |
|---|---|---|
| صلابة (Mohs) | 9 – 9.5 (صعب للغاية) | 8.5 – 9 (صعب جدًا) |
| الكثافة (جم / سم مكعب) | ~3.1 (خفيف الوزن) | ~14.5 – 15.6 (كثيفة جدًا) |
| التوصيل الحراري | ~120–160 واط/م·ك (عالي) | ~85–110 واط/م·ك (متوسط إلى مرتفع) |
| التمدد الحراري | ~4.0 × 10^−6/°C (منخفض) | ~5.5 × 10^−6/°C (أعلى) |
| قوة الضغط | ~3900 ميجا باسكال (عالي جدًا) | ≥5000 ميجا باسكال (عالي للغاية) |
| كسر صلابة | أقل – هش (قوة تأثير منخفضة) | أعلى – قوي (يقاوم الصدمات) |
| الخمول الكيميائي | سيراميك خامد (مقاومة ممتازة للتآكل) | كربيد مرتبط بالمعادن (جيد، ولكن المادة الرابطة يمكن أن تتآكل) |
| الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة | ~¹1500–1800 درجة مئوية (يحافظ على قوته في درجات الحرارة العالية) | ~¹1000 درجة مئوية (حدود المادة الرابطة لدرجة الحرارة القصوى للاستخدام) |
ارتداء المقاومة
يتميز كلٌّ من كربيد السيليكون وكربيد التنغستن بمقاومتهما الممتازة للتآكل والتلف. وصلابتهما الفائقة تجعلهما أكثر مقاومة للتآكل من مواد السطح الأكثر ليونة مثل الكربون أو الفولاذ المقاوم للصدأ.
ومع ذلك، فإن صلابة كربيد السيليكون الفائقة (موس ~9.5) تمنحه أفضلية في الظروف الكاشطة، إذ يتفوق على كربيد التنغستن (موس ~8.5-9) في مقاومة الخدش ومتانة التآكل. في حالة الاستخدام في الطين أو الرمل، يُفضل استخدام كربيد السيليكون وجه الفقمة يميل إلى التعرض لأقل قدر من التآكل. كربيد التنغستن، على الرغم من ليونته، يبقى مادة "صلبة للغاية" (تأتي بعد الماس مباشرةً) ومقاومًا للتآكل بدرجة كبيرة.
يتفوق كربيد التنغستن غالبًا في حالات الاصطدام أو الانحناء أو اصطدام الجسيمات. ولأن كربيد التنغستن أكثر صلابة وأقل هشاشة، فإنه أقل عرضة للتشقق أو التشقق نتيجة الصدمات الميكانيكية العابرة (مثل التجويف، أو اهتزاز المعدات، أو الجسيمات الصلبة العرضية بين الأسطح). على سبيل المثال، في مضخات الملاط الكاشطة، قد تُسبب الجسيمات الكبيرة أو غير المنتظمة كسرًا هشًا في سطح كربيد السيليكون (SiC)، بينما قد يصمد سطح كربيد التنغستن أمام الصدمة.
المقاومة للتآكل
يعتبر كربيد السيليكون خاملًا كيميائيًا: فهو لا يتفاعل مع معظم الأحماض أو القلويات أو المذيبات، ويشكل طبقة من السيليكا الخاملة عند درجات الحرارة العالية، مما يجعله مقاومًا للتآكل بدرجة كبيرة.
على النقيض من ذلك، يُعد كربيد التنغستن مركبًا معدنيًا-كربيديًا؛ ويعتمد سلوكه التآكلي بشكل كبير على المعدن الرابط. يُعد كربيد التنغستن خاملًا نسبيًا (يقاوم معظم المواد الكيميائية باستثناء المؤكسدات القوية مثل خليط HF/HNO₃ الساخن)، ولكن روابط الكوبالت الشائعة معرضة للتأثر بالأحماض وبعض المواد الكيميائية.
التوافق الكيميائي
إن الخمول الكيميائي الواسع لكربيد السيليكون يعني أنه متوافق مع مجموعة واسعة جدًا من السوائل - بما في ذلك الأحماض القوية (الكبريتيك، والهيدروكلوريك، والنتريك)، والقلويات الكاوية (هيدروكسيد الصوديوم)، والمذيبات، والهيدروكربونات الحمضية (محتوى عالي من H₂S)، ومياه البحر، وما إلى ذلك.
يمكن لكربيد التنغستن التعامل مع العديد من السوائل أيضًا، ولكن مع بعض المحاذير. السوائل المتعادلة أو قليلة التآكل (مثل العديد من الزيوت، والماء ذي الرقم الهيدروجيني شبه المتعادل، ومخاليط الهيدروكربون، إلخ) مناسبة عمومًا لكربيد التنغستن. مع ذلك، تميل الأحماض القوية، والمحاليل الملحية، والمواد الكيميائية المؤكسدة إلى أن تكون مشكلة لكربيد التنغستن.
تشحيم
يُعطي كلٌّ من كربيد السيليكون (SiC) وكربيد WC أفضل أداء عند وجود طبقة رقيقة من السائل بين سطحيهما، إلا أن خصائص كربيد السيليكون (SiC) تمنحه أفضلية في ظروف التزييت الضعيفة. يتميز كربيد السيليكون (SiC) بمعامل احتكاك منخفض طبيعيًا وموصلية حرارية عالية، مما يجعله يعمل ببرودة واحتكاك أقل إذا كان التزييت ضئيلًا. في الواقع، يُمكن استخدام كربيد السيليكون غالبًا في التطبيقات ذات التزييت المنخفض أو حتى التشغيل الجاف المتقطع.
أداء درجات الحرارة العالية
يتحمل كربيد السيليكون درجات حرارة عالية جدًا (ثبات المادة يتراوح بين ١٦٠٠ و١٨٠٠ درجة مئوية تقريبًا)، وهو ما يتجاوز بكثير حدود معظم عمليات نشر السدادات. عمليًا، يمكن لأسطح كربيد السيليكون العمل في درجات حرارة قد تتعطل فيها العديد من المكونات الأخرى (مثل المطاط الصناعي والأجزاء المعدنية).
كربيد التنغستن، على الرغم من كونه مادة عالية الانصهار (درجة انصهاره حوالي ٢٧٨٠ درجة مئوية)، يتأثر بالمادة الرابطة عند درجات حرارة مرتفعة. قد تبدأ المواد الرابطة المصنوعة من الكوبالت أو النيكل باللين أو فقدان قوتها عند بضع مئات من الدرجات المئوية.
أداء الضغط العالي
تساهم الكثافة العالية ومعامل المرونة لكربيد التنغستن في تحمل الضغوط الهيدروليكية العالية دون تشقق أو تشوه. كما أن بنية WC الأكثر كثافة ومتانة تُمكّنه من تحمل الضغوط الشديدة بشكل أفضل من SiC.
كربيد السيليكون، على الرغم من قوته الفائقة في الضغط، أكثر هشاشةً وقابليةً للكسر إذا أدت الضغوط الناتجة عن الضغط إلى أحمال شد أو انحناء تتجاوز مقاومته للكسر. بالإضافة إلى ذلك، يتحمل كربيد السيليكون (WC) أي صدمات ضغط أو تذبذبات بأمان أكبر - فارتفاع الضغط المفاجئ أقل عرضة لتحطيم سطح كربيد السيليكون (WC) منه في سطح كربيد السيليكون (SiC).
التطبيقات الصناعية المشتركة
- النفط والغاز (الحفر المنبع، التكسير الهيدروليكي): كربيد التنغستن (الصدمة والتآكل في الطين والضغط العالي)
- تكرير النفط / البتروكيماويات: كربيد السيليكون (وسائط تآكلية، درجة حرارة عالية) في العديد من الخدمات؛ WC لبعض خدمات التنظيف بالضغط العالي
- المعالجة الكيميائية: كربيد السيليكون (الأحماض والمذيبات والمواد المسببة للتآكل)
- مضخات التعدين والطين: كربيد التنغستن (تآكل شديد، تأثير)
- معالجة المياه (المياه العدوانية أو القذرة): كربيد السيليكون (التآكل، كشط الرمال)؛ للحصول على مياه نظيفة أو خدمة خفيفة، يتم استخدام WC أيضًا
- توليد الطاقة: مزيج من WC (مضخات التغذية ذات الضغط العالي) و كربيد (مياه عالية الحرارة أو عدوانية) حسب النظام
- الأدوية/الأغذية: كربيد السيليكون (خامل، صحي)
التكلفة
غالبًا ما تكون تكلفة أختام كربيد التنغستن أولية أعلى. في الحالات التي قد يتشقق فيها سطح كربيد السيليكون ويتطلب استبداله، قد يستمر سطح WC في العمل، مما يؤدي إلى إطالة متوسط المدة بين عمليات الصيانة.
من ناحية أخرى، فإن أختام كربيد السيليكون، والتي تكون أقل تكلفة في البداية ومقاومة للغاية للتآكل والهجوم الكيميائي، يمكن أن توفر عمر خدمة طويل للغاية في ظروفها المثالية (مع الحد الأدنى من الصيانة).
