Otkriće silicijevog karbida: 1891. eksperiment s peći za industrijski abraziv i metalurški dodatak
Ostavite poruku
1891.: Eksperiment koji je proizveo silicijev karbid
Silicijev karbid ušao je u industrijsku povijest 1891. Američki izumitelj Edward G. Acheson pokušavao je sintetizirati dijamant zagrijavanjem mješavine gline i praha koksa u željeznoj posudi, propuštanjem struje kroz naboj pri čemu je sama posuda djelovala kao jedna elektroda, a štap karbonske lučne-lampe kao druga. Umjesto dijamanta dobio je svijetlozelene, izuzetno tvrde kristale koji rastu na karbonskoj elektrodi. Acheson je pretpostavio da je glina dala novi spoj ugljika s glinicom, a budući da je prirodni mineralni oblik glinice korund, nazvao je proizvod karborund. Materijal je zapravo bio silicijev karbid (SiC), nastao kada je silicij iz gline reagirao s ugljikom na vrlo visokoj temperaturi.
Kemija i moderna peć
Reakcija koju je primijetio Acheson i dalje je osnova proizvodnje: silicij (kvarcni pijesak) reducira se ugljikom (petrolkoks ili antracit) u električno grijanom naboju. Ukupna reakcija je SiO2 + 3C=SiC + 2CO. U modernoj otpornoj peći tipa Acheson-jezgra doseže otprilike 2200 do 2500 stupnjeva Celzijusa, a grafitizirana jezgra provodi struju kroz pravokutni sloj miješanog pijeska i koksa nekoliko sati. Peć se zatim hladi nekoliko dana prije nego što se SiC ingot izlomi i smrvi. Rane elektrane građene su uz jeftinu hidroelektranu, zbog čega se proces povezivao s lokacijama poput područja slapova Niagare 1890-ih.
Zašto je otkriće bilo važno
Silicijev karbid bio je prvi-abraziv koji je napravio čovjek, a njegov dolazak promijenio je obradu metala, kamena i brušenje stakla u roku od jednog desetljeća. S Mohsovom tvrdoćom od oko 9 do 9,5, nalazi se odmah ispod dijamanta i bor karbida, ali košta samo djelić dijamanta i može se proizvoditi u količinama. Ista kombinacija tvrdoće, toplinske stabilnosti i kemijske inertnosti kasnije je gurnula SiC u vatrostalne materijale, habajuće dijelove, namještaj za peći, poluvodičke podloge i električne uređaje, tako da je eksperiment s loncem iz 1891. sada ishodišna točka više-industrijske obitelji materijala.
Vrste, veličine zrna i primjenjive specifikacije
Taljeni silicijev karbid prodaje se u dvije glavne vrste abraziva: crni SiC, koji se proizvodi od kvarcnog pijeska s naftnim koksom i koristi se za vezane i obložene abrazive, kao i vatrostalne materijale, i zeleni SiC, proizveden s -silicijevim dioksidom i dodatkom soli veće čistoće, koji je tvrđi i trošniji i preferira se za brušenje tvrdih metala i cementiranih karbida. Raspodjela veličine zrna ovih fuzioniranih proizvoda je standardizirani rad: ISO 8486-1:1996 postavlja metodu za određivanje i označavanje raspodjele veličine makrozrna od F4 do F220 u topljenom aluminijevom oksidu i silicijevom karbidu, dok popratni dio pokriva mikrozrnce. Kupci koji upravljaju vezanim ili obloženim abrazivnim linijama stoga bi trebali navesti zrnatost oznakom F i zahtijevati odgovarajuću distribucijsku potvrdu, umjesto da grubo opisuju zrnatost kao grubu ili finu.
| Vlasništvo | Tipična vrijednost za taljeni SiC |
|---|---|
| Kristalni oblik / tvrdoća | Alfa-SiC, heksagonalni; Mohs 9-9,5, tvrdoća po Knoop-u otprilike 2500 kg/mm2 na bazalnoj ravnini |
| Gustoća | Oko 3,1 do 3,2 g/cm3 |
| Toplinska stabilnost | Raspada se ili sublimira iznad otprilike 2700 stupnjeva Celzijusa; izvrsna otpornost na toplinski udar |
| Kemijsko ponašanje | Polako oksidira na zraku iznad oko 1200 stupnjeva Celzijusa stvarajući zaštitni film od silicija; napadnut rastaljenim alkalijama i nekim troskama |
| Standardi veličine zrna | ISO 8486-1:1996 (makrozrnatost F4-F220); FEPA F oznake granulacije za vezane i obložene abrazive |
Metalurške i vatrostalne primjene
Osim abraziva, najveća tonažna uporaba je metalurška. Silicijev karbid djeluje i kao silicij i kao nosač ugljika, pa se puni kao briketi ili grudice za deoksidaciju i za legiranje silicija, a također poboljšava toplinsku ravnotežu peći jer je reakcija redukcije egzotermna u talini. U vatrostalnim materijalima, SiC zrna se koriste u koritima visoke peći, oblogama lonca i uljevka i dijelovima stijenki visoke peći gdje dominiraju abrazija i toplinski ciklusi. Budući da je SiC električki vodljiv, dobavljač i kupac moraju se dogovoriti o veličini zrna, sadržaju SiC i, za vatrostalne stupnjeve, o količini slobodnog ugljika i slobodnog silicija, budući da ti čimbenici mijenjaju i ponašanje oksidacije i vijek trajanja obloge.
Često postavljana pitanja
Q:Tko je i kada otkrio silicijev karbid?
O: Edward G. Acheson 1891., dok je pokušavao uzgojiti sintetski dijamant u električno grijanoj glini i koksu. Kristale je nazvao karborund prije nego što je materijal identificiran kao SiC.
Q:Koji standard definira veličinu zrna abrazivnog silicijevog karbida?
O: ISO 8486-1:1996 definira određivanje i označavanje raspodjele veličine zrna makrozrna od F4 do F220 u fuzioniranom aluminijevom oksidu i silicijevom karbidu i pokriva F oznake zrna koje se koriste za vezane i obložene abrazive.
Q:Koja je razlika između crnog i zelenog silicijevog karbida?
O: Crni SiC se proizvodi od kvarcnog pijeska i petrol koksa i koristi se u abrazivima i vatrostalnim materijalima; zeleni SiC izrađen je od sirovina-više čistoće te je tvrđi i trošniji, pa je pogodan za mljevenje tvrdih metala i karbida.
Q:Koristi li se silicijev karbid u proizvodnji čelika, a ne samo u abrazivima?
O: Da. SiC briketi i komadi opskrbljuju i silicij i ugljik za deoksidaciju i legiranje, a SiC zrna su čest agregat u vatrostalnim materijalima za slavinu i lonac gdje je otpornost na habanje važna.
Q:Je li za kupnju silicijevog karbida potreban-certifikat o raspodjeli veličine zrna?
O: Za abrazivno korištenje, da. Zrnatost mora biti poredana prema F oznakom i potkrijepljena analizom sita tako da isporučena serija odgovara raspodjeli definiranoj u ISO 8486-1:1996 za taj broj zrnatosti.