El carbur de silici no és un material d'ús-únic. El mateix compost que talla les eines de carbur de tungstè també cobreix la zona més calenta d'un forn industrial i desoxida la calor de l'acer. El que el fa útil en tasques tan diferents és una combinació de propietats que rarament apareixen juntes: duresa extrema, alta conductivitat tèrmica, bona retenció de resistència a la temperatura i resistència a l'atac químic. Aquest article estableix per a què és millor el carbur de silici, per aplicació i el grau que s'adapta a cada funció.
Què és el carbur de silici
El carbur de silici és un compost de silici i carboni amb la fórmula SiC. Es produeix industrialment fent reaccionar sorra de quars d'alta-puresa amb una font de carboni en un forn de resistència a temperatures superiors a 2.200 graus i després triturant i classificant el lingot resultant. El material cristal·litza en un gran nombre de politips, dels quals les formes alfa hexagonals dominen els graus abrasius i refractaris i la forma beta cúbica apareix en pols fines i en aplicacions químiques.
Duresa:d'uns 9 a 9,5 a l'escala de Mohs i aproximadament 2.500 a l'escala de Vickers, el segon entre els materials industrials a granel només després del diamant i el nitrur de bor cúbic.
Densitat:uns 3,21 g/cm³ per al material alfa dens.
Conductivitat tèrmica:alta per a una ceràmica, i depèn fortament del politip, la mida del gra, la puresa i la porositat.
Estabilitat tèrmica:s'estova i es descompon només prop de 2.700 graus en una atmosfera inert; a l'aire es forma una capa protectora de sílice per sobre d'uns 1.200 graus i frena l'oxidació.
Resistència química:estable contra la majoria dels àcids i contra els metalls no-ferrosos fosos, però atacats pel ferro fos i per àlcalis forts a temperatura.
Comportament elèctric:un semiconductor de banda ampla en forma de cristall simple-pura i un conductor amb una resistència substancial quan es dopa o s'uneix.
Abrasius: l'ús industrial més gran
Els abrasius lligats i recoberts absorbeixen el major tonatge de carbur de silici. La seva combinació de duresa amb gra afilat i friable el converteix en l'abrasiu preferit per a materials de baixa-tensió-resistència i no-ferrosos, que carreguen i despunten altres grans. Les funcions típiques inclouen moles per a ferro gris i ferro dúctil, mòlta de carbur i vidre cimentats, serrat de filferro i tall de purins de lingots, mitjans de granallament i compostos de poliment i poliment per a superfícies de precisió.
| Grau | Contingut típic de SiC | El més adequat per |
|---|---|---|
| Grau metal·lúrgic | Entre el 88 i el 90 per cent | Addicions de fabricació d'acer i fosa en lloc d'abrasius |
| Grau abrasiu negre | Entre el 95 i el 97 per cent | Mòlta de ferro colat, pedra, vidre i metalls no-ferrosos |
| Grau abrasiu verd | Al voltant del 97 al 99 per cent | Mòlta de carbur cimentat, acer per eines i aliatges durs |
| Gran micro i precisió | Fraccions fines controlades | Llapat, polit, rectificat i preparació d'hòsties de semiconductors |
El gra abrasiu es compra amb estàndards de mida graduada en lloc d'una mida de tamís únic, perquè el comportament de tall depèn de la distribució completa de la mida de les partícules d'un nombre de gra. Els productes recoberts i les rodes unides també exigeixen diferents exigències sobre la duresa del gra, de manera que la forma i la friabilitat del gra s'especifiquen juntament amb la duresa.
Refractaris, mobles de forn i peces de desgast
Com que el carbur de silici manté la seva força allà on es mouen els refractaris d'alúmina i sílice, s'utilitza quan la càrrega mecànica i la temperatura es troben alhora. Les formes enllaçades per òxid-, nitrur- i recristal·litzada cobreixen la gamma de funcions:
Mobles del forn:plaques de muntatge, saggars, batuts i bigues per a la cocció de ceràmica, sanitaris i vaixella, on les seccions primes han de suportar càrregues pesades sense caure.
Revestiments del forn:zones de llar i bosh d'alts forns, canals de ferro i escòries, zones de forats i forns de fusió no-ferrós on es necessita resistència a l'alumini fos i al zinc.
Usa folre:Revestiments de cicló i tobogans, broquets del cremador i components de la bomba i l'agitador que manipulen els purins abrasius.
Bescanviadors de calor:tubs recuperadors i tubs radiants, on l'alta conductivitat i la bona resistència als xocs tèrmics permeten seccions més fines del que necessitaria el metall.
En el servei refractari, el factor limitant és normalment l'enllaç més que el gra. Un material-ben lligat manté la seva resistència a prop dels 1.600 graus en una atmosfera oxidant neta, mentre que els ambients rics en òxid- i el ferro fos ataquen directament el gra i escurcen considerablement la vida útil.
Addicions metal·lúrgiques per a acer i ferro
El carbur de silici porta dos elements útils en una sola addició, de manera que s'utilitza sovint al taller de fusió en lloc de carregar ferrosilici i un recarburador per separat. En massa, la composició estequiomètrica de SiC és d'un 70 per cent de silici i un 30 per cent de carboni, el que significa que una tona de carbur de silici proporciona uns 700 kg de silici i 300 kg de carboni a la massa fosa.
| Deure | Funció del silici | Funció del carboni |
|---|---|---|
| Fabricació d'acer amb forn d'arc elèctric | Desoxidació, aliatge de silici | Ajust de carboni, escòria d'escuma |
| Fabricació d'acer al forn d'inducció | Desoxidació i acabat final de silici | Recarburació cap al carboni objectiu |
| Tractament de ferro dúctil | Addició de silici amb menor pèrdua de temperatura | Correcció de carboni abans del tractament amb magnesi |
| Addicions de cullerot i escull | Mata l'oxigen residual | Protecció de la fosa de la reoxidació |
L'atractiu pràctic és la recuperació. Ambdós elements es dissolen fàcilment, la reacció amb l'oxigen dissolt és exotèrmica i ajuda a mantenir la temperatura del bany, i l'addició no introdueix cap element no desitjat. La mida de la càrrega s'adapta a la pràctica: terròs gruixut per al forn, gra fi per al cullerot i per al filferro tubular, i forma briquetada on les pèrdues de pols són importants. S'ha de controlar l'absorció d'humitat, perquè una addició humida reacciona violentament en l'acer líquid.
Usos electrònics, tèrmics i especialitzats
Més enllà dels deures tradicionals, es valora el carbur de silici on el rendiment elèctric o tèrmic és la prioritat. El material de cristall-únic és un semiconductor de banda ampla que s'utilitza per a dispositius de commutació d'alimentació que operen a una tensió, temperatura i freqüència de commutació més elevada que els equivalents de silici, i també serveix com a substrat per al creixement de capes de nitrur de gal·li per a dispositius d'il·luminació d'estat sòlid i radiofreqüència. El material policristal·lí i lligat-de reacció s'utilitza per a dissipadors de calor i plaques de gestió tèrmica, per a segells i coixinets mecànics en sec o en medis agressius, per a elements de filtració de líquids i gasos i per a plaques de protecció balística en sistemes de blindatge.
L'economia d'aquests usos difereix molt de les aplicacions a granel. El material de grau electrònic-es compra segons la qualitat del cristall i la vida útil del portador, mentre que els graus metal·lúrgics i refractaris es compren en funció de la química, la mida del gra i la consistència del subministrament. Els compradors haurien d'arreglar primer el grau, després la fracció de mida, perquè una especificació de mida propera al grau incorrecte encara produeix un rendiment deficient.
Preguntes freqüents
P: Què és millor el carbur de silici en general?
Per tonatge és millor per a abrasius i refractaris. Pel creixement del valor, és millor per a substrats i dispositius d'electrònica de potència, on la seva gran bretxa de banda ofereix un avantatge d'eficiència respecte al silici.
P: S'ha de triar el carbur de silici negre o verd per a la mòlta?
El gra verd és més pur, més afilat i més friable, de manera que s'adapta a peces de treball dures i trencadisses com el carbur cimentat i l'acer per a eines. El gra negre és més dur i té un cost més baix, que s'adapta a ferro colat, pedra, vidre i metalls no-ferrosos.
P: El carbur de silici pot substituir el ferrosilici en una càrrega de forn?
Per a la desoxidació i l'ajust simultani del carboni sovint es pot fer, i ho fa amb una sola addició. Quan només es requereix silici i el carboni ha de mantenir-se baix, el ferrosilici segueix sent l'opció correcta.
P: Què limita la vida útil de les peces refractàries de carbur de silici?
Atac per ferro fos, escòries i àlcalis forts a temperatura, a més d'oxidació en llargs remulls oxidants. El sistema d'unió i la porositat solen importar més que el propi gra.
P: Com s'especifica la mida del gra de carbur de silici?
El gra abrasiu s'especifica pel nombre de gra segons estàndards de mida d'abrasiu lligat i recobert, o per un rang de mida indicat en micròmetres per a microgranes i per a pols metal·lúrgica.
P: El carbur de silici és conductor de l'electricitat?
Els cristalls simples purs són semiconductors, no conductors. Els cristalls simples dopats i molts graus de ceràmica policristalina condueixen de manera mesurable, i aquest comportament s'aprofita en elements de calefacció i en aplicacions antiestàtiques.
