Silicijev karbid ni-enonamenski material. Ista spojina, ki reže orodje iz volframovega karbida, obloži tudi najbolj vroče območje industrijske peči in razoksidira toploto jekla. Kar ga naredi uporabnega pri tako različnih nalogah, je kombinacija lastnosti, ki se redko pojavljajo skupaj: izjemna trdota, visoka toplotna prevodnost, dobro ohranjanje trdnosti pri temperaturi in odpornost proti kemičnim napadom. Ta članek določa, za kaj je silicijev karbid najboljši, glede na uporabo in stopnjo, ki ustreza vsaki nalogi.
Kaj je silicijev karbid
Silicijev karbid je spojina silicija in ogljika s formulo SiC. Proizvaja se industrijsko z reakcijo-kremenovega peska visoke čistosti z virom ogljika v uporovni peči pri temperaturah nad 2200 stopinj, nato pa zdrobi in sortira nastali ingot. Material kristalizira v velikem številu politipov, od katerih heksagonalne alfa oblike prevladujejo pri abrazivnih in ognjevzdržnih razredih, kubična beta oblika pa se pojavlja v finih prahovih in pri kemičnih aplikacijah.
Trdota:približno 9 do 9,5 po Mohsovi lestvici in približno 2500 po Vickersovi lestvici, na drugem mestu med industrijskimi materiali v razsutem stanju za diamantom in kubičnim borovim nitridom.
Gostota:približno 3,21 g/cm³ za gost alfa material.
Toplotna prevodnost:visoka za keramiko in močno odvisna od politipa, velikosti zrn, čistosti in poroznosti.
Toplotna stabilnost:zmehča se in razpade le pri 2700 stopinjah v inertni atmosferi; na zraku se tvori zaščitna plast silicijevega dioksida nad približno 1200 stopinjami in upočasni nadaljnjo oksidacijo.
Kemična odpornost:stabilen proti večini kislin in staljenim neželeznim kovinam, vendar ga raztaljeno železo in močne alkalije pri temperaturi napadajo.
Električno obnašanje:polprevodnik s široko pasovno vrzeljo v čisti mono{0}}kristalni obliki in prevodnik z veliko odpornostjo, ko je dopiran ali vezan.
Abrazivi: največja industrijska uporaba
Vezani in prevlečeni abrazivi absorbirajo največjo količino silicijevega karbida. Njegova kombinacija trdote z ostrim, drobljivim zrnom je prednostno abraziv za nizko-natezno-trdnost in ne-neželezne materiale, ki obremenjujejo in topijo druga zrna. Tipične naloge vključujejo brušenje kolutov za sivo in nodularno lito, brušenje cementnega karbida in stekla, žično žaganje in rezanje brozge ingotov, sredstva za peskanje ter spojine za lepljenje in poliranje preciznih površin.
| Ocena | Tipična vsebnost SiC | Najbolj primeren za |
|---|---|---|
| Metalurški razred | Približno 88 do 90 odstotkov | Jeklarski in livarski dodatki namesto abrazivov |
| Črn abrazivni razred | Približno 95 do 97 odstotkov | Brušenje litega železa, kamna, stekla in -neželeznih kovin |
| Zeleni abrazivni razred | Približno 97 do 99 odstotkov | Brušenje karbida, orodnega jekla in trdih zlitin |
| Mikro in natančno zrnatost | Kontrolirane drobne frakcije | Lepanje, poliranje, honanje in priprava polprevodniških rezin |
Abrazivna zrna se kupujejo glede na standarde razvrščene velikosti in ne glede na eno samo velikost sita, ker je obnašanje pri rezanju odvisno od celotne porazdelitve velikosti delcev števila zrn. Prevlečeni izdelki in lepljena kolesa prav tako postavljajo različne zahteve glede žilavosti zrn, zato sta poleg trdote določena tudi oblika zrn in drobljivost.
Ognjevzdržni materiali, pohištvo za peči in obrabni deli
Ker silicijev karbid ohranja svojo trdnost tam, kjer se ognjevzdržni materiali iz aluminijevega oksida in silicijevega dioksida lezejo, se uporablja tam, kjer se sočasno srečata mehanska obremenitev in temperatura. Z-vezane oksidne,-nitridne in prekristalizirane oblike pokrivajo vrsto nalog:
Pohištvo za peči:set plošče, sagarji, batte in tramovi za žganje keramike, sanitarne in namizne posode, kjer morajo tanki deli prenesti velike obremenitve brez povesanja.
Obloge peči:območja ognjišča plavža in žlindre, vodov za železo in žlindro, območij odprtin in-talilnih peči za neželezo, kjer je potrebna odpornost na staljeni aluminij in cink.
Nosite podloge:ciklonske in žlebne obloge, gorilne šobe ter komponente črpalke in mešala, ki ravnajo z abrazivnimi goščami.
Toplotni izmenjevalniki:rekuperatorske cevi in sevalne cevi, kjer visoka prevodnost in dobra odpornost na toplotne udarce omogočata tanjše dele, kot bi jih potrebovala kovina.
Pri uporabi ognjevzdržnih materialov je omejevalni dejavnik običajno vez in ne zrno. Dobro-spojen material ohranja svojo trdnost pri skoraj 1600 stopinjah v čisti oksidativni atmosferi, medtem ko-okolja, bogata z oksidi, in staljeno železo neposredno napadajo zrno in znatno skrajšajo življenjsko dobo.
Metalurški dodatki za jeklo in železo
Silicijev karbid nosi dva uporabna elementa v enem samem dodatku, zato se pogosto uporablja v talilnici namesto ločenega polnjenja ferosilicija in recarburizerja. Na masni osnovi je stehiometrična sestava SiC 70 odstotkov silicija in 30 odstotkov ogljika, kar pomeni, da ena tona silicijevega karbida v talino dostavi približno 700 kg silicija in 300 kg ogljika.
| Dolžnost | Funkcija silicija | Funkcija ogljika |
|---|---|---|
| Proizvodnja jekla v elektroobločni peči | Deoksidacija, legiranje silicija | Prilagoditev ogljika, penjenje žlindre |
| Izdelava jekla v indukcijski peči | Deoksidacija in končna obdelava s silikonom | Preogljičenje do ciljnega ogljika |
| Obdelava nodularne litine | Dodatek silicija z nižjo temperaturno izgubo | Korekcija ogljika pred zdravljenjem z magnezijem |
| Dodatki za zajemalke in mešalnike | Ubijanje preostalega kisika | Zaščita taline pred ponovno oksidacijo |
Praktična privlačnost je okrevanje. Oba elementa se zlahka raztopita, reakcija z raztopljenim kisikom je eksotermna in pomaga vzdrževati temperaturo kopeli, dodatek pa ne vnaša nezaželenih stranskih elementov. Velikost polnjenja se ujema s prakso: grobe kepe za peč, drobnozrnate za lonec in polnjeno žico ter briketirana oblika, kjer so izgube zaradi prašenja pomembne. Vnos vlage je treba nadzorovati, ker mokri dodatek burno reagira v tekočem jeklu.
Elektronska, toplotna in posebna uporaba
Poleg tradicionalnih nalog je silicijev karbid cenjen tam, kjer je prednostna električna ali toplotna učinkovitost. En-kristalni material je polprevodnik s široko pasovno vrzeljo, ki se uporablja za močnostne preklopne naprave, ki delujejo pri višji napetosti, temperaturi in preklopni frekvenci kot silicijevi ekvivalenti, služi pa tudi kot substrat za gojenje plasti galijevega nitrida za polprevodniške razsvetljave in radiofrekvenčne naprave. Polikristalni in reakcijsko-vezan material se uporablja za hladilna telesa in plošče za upravljanje toplote, za mehanska tesnila in ležaje, ki delujejo na suho ali v agresivnih medijih, za elemente za filtriranje plinov in tekočin ter za balistične zaščitne plošče v oklepnih sistemih.
Ekonomika teh uporab se močno razlikuje od množičnih aplikacij. Materiali-za elektroniko se kupujejo glede na kakovost kristalov in življenjsko dobo nosilca, medtem ko se materiali za metalurške in ognjevarne materiale kupujejo glede na kemijo, velikost zrn in doslednost dobave. Kupci bi morali najprej določiti razred, nato pa frakcijo velikosti, ker tesna specifikacija velikosti na napačnem razredu še vedno povzroča slabo delovanje.
Pogosto zastavljena vprašanja
V: Za kaj je silicijev karbid na splošno najboljši?
Po tonaži je najboljši za abrazivne in ognjevzdržne materiale. Glede na rast vrednosti je najboljši za substrate in naprave močnostne elektronike, kjer njegova široka pasovna vrzel daje prednost učinkovitosti pred silicijem.
V: Ali je treba za brušenje izbrati črni ali zeleni silicijev karbid?
Zelena zrna so čistejša, ostrejša in bolj drobljiva, zato ustrezajo trdim in lomljivim obdelovancem, kot sta karbidna trdina in orodno jeklo. Črno zrno je trše in cenejše, kar je primerno za lito železo, kamen, steklo in neželezne kovine.
V: Ali lahko silicijev karbid nadomesti ferosilicij v polnilu peči?
Za deoksidacijo in hkratno prilagoditev ogljika pogosto lahko, in to z enim samim dodatkom. Kjer je potreben samo silicij in mora ostati malo ogljika, ostaja ferosilicij prava izbira.
V: Kaj omejuje življenjsko dobo ognjevarnih delov iz silicijevega karbida?
Vpad staljenega železa, žlindre in močnih alkalij pri temperaturi ter oksidacija pri dolgotrajnem oksidacijskem namakanju. Vezni sistem in poroznost sta običajno pomembnejša od samega zrna.
V: Kako je določena velikost zrn silicijevega karbida?
Abrazivna zrna so določena s številom zrn v skladu s standardi velikosti vezanega in prevlečenega abraziva ali z navedenim obsegom velikosti v mikrometrih za mikro zrnatost in za metalurški prah.
V: Ali je silicijev karbid električno prevoden?
Čisti monokristali so polprevodniki, ne prevodniki. Dopirani monokristali in številni polikristalni keramični razredi vodijo merljivo in to obnašanje se izkorišča v grelnih elementih in v antistatičnih aplikacijah.
