Кремния карбид

Карбид кремния (карборунд, SiC) — бинарное неорганическое соединение кремния с углеродом. В природе практически не встречается: природный аналог — минерал муассанит — обнаруживается лишь в метеоритах и единичных геологических находках. Промышленный SiC получают исключительно синтетически — восстановлением кремнезёма (SiO₂) углеродом в электрических печах при температурах 1600–2400 °С. Химический состав соединения: ~70 % Si и ~30 % C, молекулярная масса 40,09.

Кристаллическая структура и модификации

Карбид кремния существует в двух основных полиморфных модификациях:

• β-SiC (кубическая) — кристаллизуется ниже 1700–1800 °С, кристаллическая решётка типа цинковой обманки (сфалерит). При нагреве выше 2100–2400 °С необратимо переходит в гексагональную α-форму.
• α-SiC (гексагональная) — политипная модификация; в зависимости от последовательности слоёв в кристаллической решётке насчитывается около 250 политипов (2H, 4H, 6H и др.). Основная форма, используемая в абразивных и огнеупорных материалах.

SiC не имеет точки плавления ни при каком давлении. При температурах выше 2050 °С начинается диссоциация, а интенсивная сублимация — при ~2700 °С. Именно поэтому к материалу неприменимо понятие «температура плавления».

В чистом виде кристаллы SiC бесцветны и прозрачны. Окраска технического продукта определяется примесями: зелёный цвет указывает на высокую чистоту (минимум Fe и Al), чёрный — на повышенное содержание примесей, прежде всего железа и алюминия. Радужный перелив поверхности кристаллов обусловлен тонким слоем SiO₂, образующимся при пассивации.

Физические и механические свойства

Свойство	Значение
Химическая формула	SiC
Молекулярная масса	40,09 г/моль
Плотность (α- и β-SiC)	3,12–3,23 г/см³
Твёрдость по Моосу	9,0–9,5
Микротвёрдость	3000–3600 кгс/мм²
Начало диссоциации	> 2050 °С
Интенсивная сублимация (начало)	~2700 °С
КТР (20–1000 °С)	4,0–4,5 × 10⁻⁶ К⁻¹
Ширина запрещённой зоны	2,2–3,2 эВ (зависит от политипа)

Высокая твёрдость карбида кремния объясняется ковалентным характером связи Si–C: энергия этой связи почти втрое превышает энергию связи Si–Si в кристаллическом кремнии. Благодаря этому SiC сохраняет механическую прочность при высоких температурах и обладает высокой стойкостью к истиранию.

Марки карбида кремния по ГОСТ 26327-84

Шлифовальные материалы из карбида кремния стандартизированы в России по ГОСТ 26327-84 (с изменениями). Зернистость нормируется по ГОСТ 3647 и ГОСТ Р 52381-2005 (ISO 8486). Различают два основных типа: зелёный и чёрный.

Зелёный карбид кремния — марки 63С и 64С

Содержание SiC — не менее 97–99 %. Зелёный цвет обусловлен минимальным количеством примесей. По сравнению с чёрной разновидностью зелёный SiC более хрупок, обладает несколько более высокой абразивной способностью и применяется для обработки твёрдых и хрупких материалов: твёрдых сплавов, технической керамики, стекла, камня, чугуна. Подробнее о характеристиках и зернистостях — на странице зелёный карбид кремния 63С.

Чёрный карбид кремния — марки 53С и 54С

Содержание SiC — не менее 95–98 % (зависит от марки и зернистости). Чёрный цвет — следствие примесей железа и алюминия. Применяется для шлифования чугуна, цветных металлов, резины, кожи, пластиков; в пескоструйной обработке. Несколько вязче зелёного, что снижает склонность к скалыванию режущих кромок зерна при ударных нагрузках. Подробнее — на странице карбид кремния чёрный.

Металлургический карбид кремния

Содержание SiC — не менее 88 % (нормируется по отдельным ТУ). Является исходным сырьём для производства шлифовальных фракций, а также применяется непосредственно как раскислитель и графитизирующий компонент при выплавке чугуна и стали. Допускает повышенное содержание примесей, недопустимое в абразивных марках. Подробнее — на странице карбид кремния металлургический.

Применение карбида кремния в промышленности

Абразивная обработка

Карбид кремния — один из основных абразивных материалов в промышленности. Применяется в виде шлифпорошков и шлифзерна для:

• шлифования и доводки твёрдосплавного и керамического инструмента;
• хонингования цилиндров и отверстий в чугунных и бронзовых деталях;
• пескоструйной обработки поверхностей металла, бетона, камня;
• водоструйной резки;
• изготовления шлифовальной шкурки и абразивных инструментов на связке.

SiC обеспечивает более высокую режущую способность по сравнению с электрокорундом на материалах с невысокой прочностью на растяжение: чугун, цветные металлы, стекло, керамика, резина, камень.

Огнеупорные и конструкционные изделия

Спечённый карбид кремния (SiSiC — реакционноспечённый, SSiC — спечённый без давления) применяется для изготовления жаростойких конструктивных элементов: футеровочных плит (до 1400 °С на воздухе, до 2000 °С в вакууме или инертной среде), сопел для подачи газов в зону плавления металлов и стекла, форсунок газовых горелок, деталей трубчатых и муфельных печей. Изделия из SiC-керамики выдерживают резкие термические удары благодаря низкому КТР и высокой теплопроводности.

Металлургия и литейное производство

Металлургический карбид кремния вводится в расплав при производстве серого и высокопрочного чугуна как источник кремния и углерода одновременно. Выполняет функции раскислителя и графитизирующего агента, улучшая структуру отливок. Также используется в качестве компонента шихты при выплавке ферросилиция и в производстве сталей с особыми свойствами.

Механические узлы и уплотнения

Спечённый SiC применяется в торцевых уплотнениях насосных агрегатов, перекачивающих агрессивные жидкости (кислоты, щёлочи, растворители), а также в подшипниках скольжения и сопловых вставках. Материал химически инертен к большинству кислот и щелочей при температурах до 800 °С; выше этой температуры на поверхности образуется пассивирующий слой SiO₂, замедляющий дальнейшее окисление.

Формы поставки

Карбид кремния поставляется в виде шлифпорошков и шлифзерна зернистостей F14–F220 (и микропорошков F230–F1200) по ГОСТ Р 52381-2005, а также в виде крупнодроблёных фракций для металлургических целей. Зернистости, марки (63С, 64С, 53С, 54С, металлургический), объём партии и форма упаковки уточняются при оформлении заявки.