Silicio karbido atradimas: 1891 m. krosnies eksperimentas su pramoniniu abrazyviniu ir metalurginiu priedu
Palik žinutę
1891 m.: eksperimentas, kurio metu buvo gautas silicio karbidas
Silicio karbidas į pramonės istoriją pateko 1891 m. Amerikiečių išradėjas Edwardas G. Achesonas bandė sintetinti deimantą, kaitindamas molio ir kokso miltelių mišinį geležies dubenyje, srovę leisdamas per krūvį, o pats dubuo veikia kaip vienas elektrodas, o anglies lanko{2}} lempos strypas kaip kitas. Vietoj deimanto jis gavo ryškiai žalius, ypač kietus kristalus, augančius ant anglies elektrodo. Achesonas manė, kad iš molio atsirado naujas anglies junginys su aliuminio oksidu, o kadangi natūrali mineralinė aliuminio oksido forma yra korundas, jis gaminį pavadino karborundu. Medžiaga iš tikrųjų buvo silicio karbidas (SiC), susidaręs, kai silicio dioksidas iš molio reaguoja su anglimi labai aukštoje temperatūroje.
Chemija ir šiuolaikinė krosnis
Achesono reakcija vis dar yra gamybos pagrindas: silicio dioksidas (kvarcinis smėlis) redukuojamas anglimi (naftos koksu arba antracitu) elektra šildomame krūvyje. Bendra reakcija yra SiO2 + 3C=SiC + 2CO. Šiuolaikinėje Acheson{5}}tipo atsparumo krosnyje šerdis pasiekia maždaug 2 200–2 500 laipsnių Celsijaus, o grafituota šerdis daugelį valandų neša srovę per stačiakampį smėlio ir kokso mišinio sluoksnį. Tada krosnis keletą dienų aušinama, kol SiC luitas išardomas ir susmulkinamas. Ankstyvosios elektrinės buvo pastatytos šalia pigios hidroelektrinės, todėl 1890-aisiais procesas buvo siejamas su tokiomis vietomis kaip Niagaros krioklys.
Kodėl atradimas buvo svarbus
Silicio karbidas buvo pirmasis{0}}žmogaus pagamintas abrazyvas, o jo atsiradimas per dešimtmetį pakeitė metalo apdirbimą, akmens apdirbimą ir stiklo šlifavimą. Kai Moso kietumas yra nuo 9 iki 9,5, jis yra tiesiai po deimantu ir boro karbidu, tačiau kainuoja tik deimantų dalį ir gali būti gaminamas dideliais kiekiais. Tas pats kietumo, terminio stabilumo ir cheminio inertiškumo derinys vėliau pastūmėjo SiC į ugniai atsparias medžiagas, susidėvinčias dalis, krosnių baldus, puslaidininkinius substratus ir maitinimo įrenginius, todėl 1891 m. tiglio eksperimentas dabar yra daugelio pramonės šakų medžiagų šeimos pradinis taškas.
Klasės, grūdelių dydžiai ir taikomos specifikacijos
Lydytas silicio karbidas parduodamas dviejų pagrindinių abrazyvinių rūšių: juodojo SiC, gaminamo iš kvarcinio smėlio su naftos koksu ir naudojamas klijuotiems ir padengtiems abrazyvinėms medžiagoms, taip pat ugniai atsparioms medžiagoms, ir žaliojo SiC, gaminamo pridedant didesnio -grynumo silicio dioksido ir druskos, kuris yra kietesnis ir puresnis ir tinkamas šlifuoti cementinius kietuosius metalus. Šių lydytų gaminių grūdelių dydžio pasiskirstymas yra standartizuotas darbas: ISO 8486-1:1996 nustato makrogrūdelių dydžio pasiskirstymą nuo F4 iki F220 lydytame aliuminio okside ir silicio karbide, o pagalbinė dalis apima mikrogrūdelius. Todėl pirkėjai, valdantys klijuotas arba dengtas abrazyvines linijas, turėtų nurodyti smėliavimą žymėjimu F ir reikalauti atitinkamo paskirstymo sertifikato, o ne laisvai apibūdinti rupius ar smulkius.
| Turtas | Tipinė lydyto SiC vertė |
|---|---|
| Kristalų forma / kietumas | Alfa-SiC, šešiakampis; Mohos 9–9,5, Knoop kietumas apytiksliai 2500 kg/mm2 bazinėje plokštumoje |
| Tankis | Apie 3,1–3,2 g/cm3 |
| Terminis stabilumas | Suyra arba sublimuojasi aukštesnėje nei 2700 laipsnių Celsijaus temperatūroje; puikus atsparumas šiluminiam smūgiui |
| Cheminis elgesys | Lėtai oksiduojasi ore aukštesnėje nei 1200 laipsnių Celsijaus temperatūroje, sudarydama apsauginę silicio dioksido plėvelę; puola išsilydę šarmai ir kai kurie šlakai |
| Grūdų dydžio standartai | ISO 8486-1:1996 (makrogratai F4-F220); FEPA F grūdėtumo žymėjimai, skirti klijuoti ir padengti abrazyvai |
Metalurgijos ir ugniai atsparios medžiagos
Už abrazyvų ribų didžiausias tonažo panaudojimas yra metalurgija. Silicio karbidas veikia ir kaip silicis, ir kaip anglies nešiklis, todėl jis įkraunamas kaip briketai arba gabalėliai deoksidacijai ir silicio legiravimui, taip pat pagerina krosnies šiluminį balansą, nes lydalo redukcijos reakcija yra egzoterminė. Ugniai atspariose medžiagose SiC grūdeliai naudojami aukštakrosnių lovių liejiniuose, kaušų ir kanalizacijos vamzdžių pamušaluose bei aukštakrosnių sienelėse, kur dominuoja dilimas ir terminis ciklas. Kadangi SiC yra laidus elektrai, tiekėjas ir pirkėjas turi susitarti dėl grūdelių dydžio, SiC kiekio, o ugniai atsparių rūšių atveju – dėl laisvos anglies ir laisvo silicio kiekio, nes šie veiksniai keičia ir oksidacijos elgesį, ir pamušalo tarnavimo laiką.
Dažnai užduodami klausimai
Q:Kas ir kada atrado silicio karbidą?
A: Edward G. Acheson 1891 m., kai jis bandė auginti sintetinį deimantą elektra šildomame molio ir kokso užtaise. Jis kristalus pavadino karborundu, kol medžiaga buvo identifikuota kaip SiC.
Q:Kuris standartas apibrėžia abrazyvinio silicio karbido grūdelių dydžius?
A: ISO 8486-1:1996 apibrėžia makrogrūdelių dydžio pasiskirstymą nuo F4 iki F220 lydytame aliuminio okside ir silicio karbide ir apima F grūdėtumo žymėjimus, naudojamus surištoms ir padengtoms abrazyvinėms medžiagoms.
Q:Kuo skiriasi juodas ir žalias silicio karbidas?
A: Juodasis SiC yra pagamintas iš kvarcinio smėlio ir naftos kokso ir naudojamas abrazyvinėms ir ugniai atsparioms medžiagoms; žalias SiC pagamintas iš didesnio{0}}grynumo žaliavos ir yra kietesnis bei puresnis, todėl tinka kietųjų metalų ir karbidų šlifavimui.
Q:Ar silicio karbidas naudojamas plieno gamyboje, ne tik abrazyvinėse medžiagose?
A: Taip. SiC briketai ir gabalėliai tiekia silicį ir anglį deoksidacijai ir legiravimui, o SiC grūdeliai yra įprastas užpildas ugniai atspariuose vamzdžiuose ir kaušuose, kur svarbus atsparumas dilimui.
Q:Ar perkant silicio karbidą reikalingas grūdelių{0}}dydžio platinimo sertifikatas?
A: Abrazyviniam naudojimui, taip. Smulkiai turi būti užsakomi pagal F žymėjimą ir pagrįsti sieto analize, kad pristatyta partija atitiktų paskirstymą, apibrėžtą ISO 8486-1:1996 tam grūdėtumo skaičiui.