АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

КАРБИД КРЕМНИЯ

Карбид кремния является химическим соединением кремния с углеродом (SiC), взаимодействующих в специальных печах при высоких температурах. Карбид кремния кристаллизуется глав­ным образом в виде тонких шестиугольных пластинок (гексого- нальная система), размерами от 2 до 15 мм, слабо связанных друг с другом по плоскостям спайности; плотность карбида крем­ния равна 3,16—3,39 г/см^3-, обычно ее принимают 3,22 г/см³, твер­дость карбида кремния по шкале Мооса 9,2, микротвердость на приборе ПМТ-8 3310 кГ/мм²; насыпной вес карбида кремния за­висит от степени его зернистости и- находится в пределах 1,8— 1,95 см³.

Карбид кремния является не только абразивным материалом с высокими режущими свойствами (превышающими абразивную способность электрокорунда в 2 раза), но и хорошим огнеупорным материалом, обладающим большой жаростойкостью; температура его разложения 2600° С. Карбид кремния хрупок; чем меньше раз­меры зерен, тем больше их прочность; карбид кремния устойчив к окислению, но под действием смеси азотной и плавиковой кислот он разлагается; модуль упругости карбида кремния 11 600— 14 500 кГ/мм². Предел прочности при сжатии перпендикулярно оптической оси равен 225 кГ/мм².

Производство карбида кремния является более энергоемким, материалоемким и трудоемким, чем производство электрокорунда.

Для получения 1 т карбида кремния расходуется от 8000 до 10 000 квт-ч электроэнергии; длительность плавки 25—30 ч.

Карбид кремния выпускается двух разновидностей: зеленый и черный. Его получают в печах сопротивления, принцип работы
которых основан на использовании свойства всякого проводника оказывать сопротивление прохождению тока той или другой силы в зависимости от материала проводника. В печи (рис. 3, 4) таким проводником в начальной стадии процесса является керн (сердеч­ник печи), состоящий из угле­родистых материалов, являю­щихся проводником второго рода.

Керн под действием электри­ческого тока, поступающего че­рез токоподводящие угольные электроды, заделанные в торцо­вые стенки печи, нагревается до 2600—2650° С и отдает тепло шихте, состоящей из размоло­тых до определенной крупности кварцитов, углеродистых мате­риалов (антрацита, нефтяного или пекового кокса) и древесных опилок; кварциты должны со­держать не менее 98,5% Si0₂, а антрациты не более 3% золы, так как в процессе производ­ства карбида кремния не про­исходит рафинирования- примесей. Эта шихта называется реак­ционной в отличие от заполняющей верхнюю и нижнюю части печи наполнительной шихты.

При производстве зеленого карбида кремния в шихту вводят до 6—7% (по весу) поваренной соли. В состав шихты добавляют «аморфный» карбид кремния и использованную («старую») шихту. «Аморфный» карбид кремния, содержащий до 85% SiC, является мелкокристаллическим продуктом производства карбида кремния (получается в зоне печи, имеющей температуру 1600—1700° С, недостаточную для образования товарного карбида кремния) и по этой причине повторно возвращается в шихту.

После смешивания компонентов шихта при помощи соответ­ствующих загрузочных устройств и распределительных ленточных транспортеров подается в печь. Загруженную печь перемещают в электротермический цех для подключения к питающему транс­форматору и включают ток. По мере нагрева тепло от керна пере­дается шихте и из нее удаляются влага, окись углерода и летучие вещества, содержащиеся в углеродистых материалах и опилках.

Для предотвращения хлопков, взрывов и распространения в цехе окиси углерода ее поджигают. При достижении в шихте тем­пературы 1450—1500° С начинается процесс восстановления и силицирования (насыщения парами кремния) частиц углерода, т. е. образование карбида кремния происходит в результате реак­ции между твердым и газообразным силицирующим углеродом: Si0₂ + ЗС = SiC -|~ 2СО — 119 000 кал. Чем скорее углерод поглощает кремниевую кислоту и чем медленнее она испаряется, тем скорее идет процесс образования карбида кремния.

Этому процессу способствует выделяющаяся окись углерода, которая, разрыхляя частицы углерода, помогает адсорбции паров кремниевой кислоты. При температуре шихты 1700—1750° С этот процесс почти завершается, но так как процесс роста кристаллов и их уплотнение продолжаются с ростом температуры, ее повы­шают до 2500—2550° С. При температуре около 1850° С кубиче­ская модификация карбида кремния переходит в гексагональную, при которой он получает большую плотность.

Содержащиеся в сырье примеси, взаимодействующие с кремне­земом (CaO, MgO и др.), отрицательно влияют на образование кар­бида кремния, ухудшая силицирование частиц углеродистого ма­териала и снижая выход карбида кремния из печи. Зеленый карбид кремния вообще не может стабильно получаться, если в шихте содержится повышенное против допустимого количество окиси кальция и алюминия.

По окончании процесса ток выключают и печь остывает, после чего с помощью гидромониторов производят разборку и сор­тировку полученных продуктов и передают их на последующую обработку (обогащение, дробление и т. д.). Выпускаемый промыш­ленностью карбид кремния содержит обычно 98—99% SiC.

На производство зеленого карбида кремния электроэнергии расходуется больше, чем на производство черного карбида кремния (примерно на 20%). Зеленый карбид кремния более хрупок, чем черный, и имеет отличный от последнего структурный состав, что и определяет его повышенную твердость и абразивную способ­ность.