Карбид кремния черный

Карбид кремния чёрный (карборунд) — синтетический абразивный материал на основе соединения кремния и углерода (SiC). Получают его в электрических печах сопротивления при температурах порядка 2000–2200 °C путём восстановления кварцевого сырья (SiO₂) углеродом нефтяного кокса. Чёрная окраска обусловлена примесями алюминия и железа, растворёнными в кристаллической решётке α-SiC. По содержанию основного вещества чёрный карбид кремния уступает зелёному, однако обладает более высокой вязкостью и прочностью зерна, что делает его предпочтительным для ряда абразивных и огнеупорных задач.

Кристаллическая структура и особенности чёрного карбида кремния

Стехиометрический состав SiC — 70,05 % кремния и 29,95 % углерода (молярная масса 40,10 г/моль). В технических продуктах присутствуют примеси свободного углерода, оксида кремния SiO₂, а также оксидов железа и алюминия.

Карбид кремния существует в двух основных кристаллических модификациях. α-SiC (гексагональная структура) кристаллизуется при 1800–2000 °C и устойчив до ~2300 °C. β-SiC (кубическая структура) кристаллизуется при 1500–1650 °C и устойчив до ~1800 °C. При температурах 1900–2300 °C β-форма перекристаллизовывается в α-форму. Абразивными свойствами обладает именно α-SiC — на его основе выпускаются все марки шлифовальных материалов.

Окраска чёрного карбида кремния определяется примесями алюминия и азота, суммарная концентрация которых может достигать 0,4 %. Химически чистый SiC бесцветен и прозрачен; технический окрашен от светло-зелёного до чёрного в зависимости от содержания примесей.

Марки чёрного карбида кремния по ГОСТ 26327-84

Технические требования к шлифовальным материалам из карбида кремния устанавливает ГОСТ 26327-84. Стандарт предусматривает две марки чёрного карбида кремния — 53С и 54С, которые различаются по содержанию SiC и допустимому уровню примесей. Марка 54С — более чистая и применяется в ответственных абразивных операциях; 53С допускает большее содержание примесей и используется там, где требования к чистоте менее строгие.

Содержание SiC в чёрном карбиде кремния марок 53С и 54С составляет от 95 до 99 % в зависимости от конкретной марки и зернистости. Для сравнения: зелёный карбид кремния (марки 63С и 64С) содержит 98–99,5 % SiC.

Химический состав чёрного карбида кремния (ГОСТ 26327-84)

Показатель	Марка 54С	Марка 53С
Массовая доля SiC, %, не менее	97–99 (в зависимости от зернистости)	95–96 (в зависимости от зернистости)
Массовая доля магнитного материала, %, не более	0,13 (зернистости 160–16); 0,2 (зернистости 12–6)	0,3

Остальные нормы (содержание свободного углерода, SiO₂, Fe₂O₃) регламентируются ГОСТ 26327-84 и зависят от конкретной зернистости продукта.

Физико-механические свойства карбида кремния

Карбид кремния — один из самых твёрдых искусственных материалов, уступающий только алмазу, кубическому нитриду бора и карбиду бора. Ниже приведены ключевые физические характеристики SiC.

Характеристика	Значение
Плотность	3,21 г/см³ (теоретическая)
Твёрдость по Моосу	9–9,5
Микротвёрдость по Кнупу (K100)	~2500 кгс/мм²
Температура начала диссоциации	~2300 °C (не плавится при атмосферном давлении)
Теплопроводность (спечённый SiC)	120–270 Вт/(м·К)
Коэффициент линейного расширения	4,0 × 10−6 1/°C

SiC не растворяется в кислотах и щелочах. Устойчив к окислению на воздухе до ~1500 °C в окислительной среде и до ~1600 °C в инертной или восстановительной. Разрушается щелочными расплавами и расплавами большинства металлов и их оксидов.

Формы выпуска шлифовальных материалов из чёрного карбида кремния

Согласно ГОСТ 26327-84 и ГОСТ Р 52381-2005 (гармонизирован с FEPA 42-D), шлифовальные материалы из чёрного карбида кремния выпускаются в трёх основных формах.

Шлифзерно

Крупнозернистый абразивный материал с размерами зёрен от 2000 до 160 мкм (обозначения по FEPA: F12–F80; по ГОСТ 3647-80: зернистости 160–16). Применяется для изготовления абразивного инструмента на керамической и бакелитовой связке, а также для обдирочного и чернового шлифования.

Шлифпорошок

Абразивный материал с размерами зёрен от 125 до 50 мкм (FEPA: F100–F220; ГОСТ 3647-80: зернистости 12–5). Используется для изготовления шлифовальных кругов с более тонкой обработкой, шлифовальных шкурок и паст.

Микрошлифпорошок

Тонкодисперсный абразивный материал с размерами зёрен от 63 до 3 мкм (FEPA: F230–F1200; ГОСТ Р 52381-2005). Применяется для доводки, полировки и суперфинишной обработки поверхностей.

Применение чёрного карбида кремния в промышленности

Сочетание высокой твёрдости, износостойкости, теплостойкости и химической инертности определяет широкий диапазон применения чёрного карбида кремния.

Абразивная обработка

Основная область — шлифование чугуна, цветных металлов и сплавов, твёрдых сплавов, а также неметаллических материалов: стекла, камня, керамики, пластмасс, древесины. Чёрный карбид кремния применяется в связанном виде (шлифовальные круги на керамической, бакелитовой и магнезиальной связке) и в несвязанном — для свободного шлифования, притирки и полировки. Из шлифзерна 53С и 54С изготавливают шлифовальные шкурки различных зернистостей, камнерезный инструмент, пасты для доводки.

Огнеупорные материалы и изделия

Благодаря высокой огнеупорности и теплопроводности карбид кремния используется для производства нагревательных элементов (силитов и глобаров) для электропечей сопротивления, карбидкремниевых огнеупорных плит, футеровки гидроциклонов и другого оборудования, работающего при высоких температурах и в абразивных средах.

Обработка полупроводниковых пластин

Микрошлифпорошки из чёрного карбида кремния применяются при резке и шлифовке кремниевых и германиевых пластин в электронной промышленности, включая процессы проволочной резки.

Применение в металлургии

В чёрной металлургии карбид кремния используется как раскислитель и легирующая добавка при выплавке стали. Для этих целей выпускается специальный продукт — металлургический карбид кремния с содержанием SiC не менее 88 %, который применяется вместо ферросилиция.

Основные ГОСТы на карбид кремния

Стандарт	Назначение
ГОСТ 26327-84	Шлифовальные материалы из карбида кремния. Химический состав, физико-механические свойства, маркировка
ГОСТ 3647-80	Классификация шлифовальных материалов по зернистости и зерновому составу
ГОСТ Р 52381-2005	Классификация по зернистости (гармонизация с FEPA)
ГОСТ 27595-88	Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение
ГОСТ 28924-91	Методы определения физических и физико-механических свойств

Формы поставки

Чёрный карбид кремния марок 53С и 54С поставляется в виде шлифзерна, шлифпорошков и микрошлифпорошков всех стандартных зернистостей по ГОСТ 3647-80 и ГОСТ Р 52381-2005 (ряд FEPA F). Упаковка — мешки, биг-бэги. Помимо абразивных фракций, доступен карбид кремния зелёный марок 63С и 64С для операций, требующих повышенной чистоты абразива.