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磨料磨具

绿碳化硅磨料

发布时间:17-01-09 17:03  来源:www.rsgy.org

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定义:
碳化硅(SiC)俗称金刚砂,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2。绿碳化硅微粉是指利用JZFZ设备来进行超细粉碎分级的微米级碳化硅粉体。它是硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。
 
产品简介:
绿碳化硅是以石英砂(SIO2)和石油焦(C)及氯化钠(NAC1)为基本原料在摄氏1800度以上高温条件下生成的非金属矿产品。它具有硬度高、膨胀系数小、性脆、导热性好等特点。广泛应用于磨料磨具、电子产品研磨、美洲杯免费直播、特种陶瓷、泡沫陶瓷、涂料塑料添加改性、汽车配件、军工航空、炼钢用脱氧剂等。绿碳化硅微粉呈绿色,晶体结构,硬度高,切削能力较强,化学性质稳定,导热性能好。微观形状呈六方晶体,碳化硅的莫氏硬度为9.2,威氏显微硬度为3000--3300公斤/毫米,努普硬度为2670—2815公斤/毫米,显微硬度3300千克每立方毫米。在磨料中硬度高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。密度一般认为是3.20克/毫米3,其碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2--1.6克/毫米3之间,比重为3.20~3.25,自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒,并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中,在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。人造莫桑石的宝石就是通过切割由Lely法制备的大块碳化硅单晶来获得的。

绿碳化硅特点:
一. 绿碳化硅的硬度与韧性
   绿碳化硅的硬度介于刚玉和金刚石之间。新莫氏硬度为13级,威氏硬度为3100~3400kg/mm以上的硬度是不相同的。 
   绿碳化硅的硬度也随温度的升高而下降,但各温度下的硬度值仍大于刚玉,
   绿碳化硅磨料的韧性值反映了颗粒状绿碳化硅在外力作用下破碎的难易程度。 
   绿碳化硅的机械强度高于刚玉。平均尺寸为0.1mm的高纯度绿碳化硅颗粒的抗压强度为186kN/cm-,而普通刚玉磨料为100kN/cm,绿碳化硅磨料愈细其抗破碎强度愈高。粒度尺寸为90~2500μm的绿碳化硅的平均抗破碎强度为5800kPa/cm,同样尺寸范围的刚玉磨料为5300kPa/cm。
 二. 绿碳化硅的色泽
    绿碳化硅微粉呈绿色,晶体结构。
  绿碳化硅的呈色原因有多种不同的解释。一般认为是同外来杂质的存在引起的。如:以碳化硼的形式引入硼时,会使晶体呈黑色;当晶体中含氮时则为绿色。 
  绿碳化硅的外观颜色除与晶体本身的色泽有关外还与自然光在晶体表面薄膜的干涉现象有关。当绿碳化硅晶体表面的氧化硅薄膜厚度不同时,或对光线的反射角度不同时,绿碳化硅晶体表面的呈色亦各不相同。因此在自然光下常常看到绿碳化硅具有绚丽多彩的色泽。
三. 绿碳化硅的热导率及线膨胀系数
   作为一种优质美洲杯免费直播,绿碳化硅具有优越的抗热震性能。这一点具体表现在它具有高的热导率(导热系数)和较低的线膨胀系数。表2-1-7为一定配比的粘土结合剂绿碳化硅试样的导热系统值。 
   一般工程计算上取绿碳化硅的导热系数为6.28~9.63 W/m。此值约为刚玉导热系数的4倍。 
   在25~1400℃范围内,绿碳化硅的平均线膨胀系数可取4.4×10-6K/m;而刚玉的线膨胀系数为(7~8)×10-6K/m。
 四. 绿碳化硅的导电性能
   工业绿碳化硅是一种半导体,其导电性能随晶体中引入杂质的种类和数量的不同而变化,电阻率在10Ω·㎝之间。其中对绿碳化硅导电性影响最大的杂质是铝,氮和硼,含铝较多的绿碳化硅导电性显著增大。 
  绿碳化硅的导电性随电场强度的增大面迅速提高,且具有非线性变化的特点。 
  绿碳化硅的电阻率随温度的变化而改变,但在一定的温度范围内与金属的电阻温度特性相反。

1.高纯度、大结晶的碳化硅原材料,保证了碳化硅切割微粉的优良切割性能和稳定的物理状态;

2.粒度形状为等积而具刀锋,保证了碳化硅微粉作为切割刃料的均衡自锐性,从而保证被切割材料TTV的最小化;

3.粒度分布集中并且均匀;

4.有高的热震稳定性和荷重软化温度,这确保了在荷重切割时的小的线膨胀系数,从而保证切割的稳定性;并且能够和切割机有很好的适配性;

5.表面经过特殊处理,微粉具备大的比表面积和清洁的外表,与聚乙二醇等切削液有很好的实配性;

 
物理指标:

粒度编号

粒径(um)

规格

特点

 

12#

2000

形狀:多角形
堆积密度:3.12g/cm3
典型成份(%):
sic≥:98
Fe2O3≤: 0.8 
顏色:绿色
包裝:25公斤裝

是以石英砂和石砂和石油焦碳为主要原料,
在电阻炉内经高温冶炼而成。呈绿色结晶,显微硬度。
    

 

16#

1400

24#

850

30#

710

36#

600

46#

425

60#

300

80#

212

100#

150

120#

125

150#

106

180#

90

220#

75

280#

50

320#

40

 
化学指标:

磨料磨具用碳化硅国家标准
磨料磨具用碳化硅 GB2480-83
本标准适用于制造磨具或作研磨材料等用的碳化硅。
技术条件
1、化学成份应符合下表规定:

粒度范围

SiC %不小于

游离碳 %不多于

Fe2O3 %不多于

黑碳化硅

12#-90#

98.5

0.2

0.6

100#-180#

98

0.3

0.8

220#-240#

97

0.3

1.2

绿碳化硅

20#-90#

99

0.2

0.2

100#-80#

98.5

0.25

0.5

220#-240#

97.5

0.25

0.7

W63-W20

97

0.3

0.7

W14-W10

95.5

0.3

0.7

W7-W5

94

0.3

0.7

2、密度:46#粒度(代表号)绿碳化硅不小于3.18克/厘米³”.黑碳化硅不小于3.12克/厘米³”。
3、粒度组成:应符合GB2477-83《磨料粒度及其组成》的规定。
4、铁合金粒的允许含量:30#及以粗的各号以不通过45#筛的铁合金粒为零;36#至90#各号以下通过粒度检查时最低层筛号的铁合金粒为零;100#及以细各号以不通过粒度筛检查时混合粒下层筛的铁合金为零。
5、磁性物允许含量:12#至240#的磁性物含量不大于0.20%。


使用范围(用途):
绿碳化硅主要用途:
  绿碳化硅和黑碳化硅同属于碳化硅行列,都是经过高温熔炼及提纯操作而成的晶体状磨料。不同的是绿碳化硅呈绿色半透明结晶体,纯度高,性脆,用它制成的磨具具适合加工硬度高
用于3-12英寸的单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体的线切割。是太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业的工程性加工材料。   
碳化硅的主要分析检测方法:   
碳化硅中硅的含量决定碳化硅的硬度。 碳化硅的粒径大小对线切割影响很大, 但最重要的是碳化硅的颗粒形状。因为线切割时碳化硅为游离状态切割 颗粒的形状变化对切割效率及切割质量要重要影响。   
检测办法:硅的含量需要原子吸收检测(检测效率高,数值较精确)。   
化硅粒径需要电阻法颗粒分析仪(效率高)。
碳化硅粒型检测需要瑞思RA200颗粒分析仪.(可以分析颗粒形状系数 圆度 较准确)
 绿碳化硅微粉有着很好的自锐性和优异的研磨、抛光性能。可用于晶体的切割和精密研磨、硬质玻璃的精密研磨、单晶硅和多晶硅棒的切片、单晶硅片的精密研磨、超硬金属的加工、铜及铜合金等软质金属的加工、多种树脂材料的加工等。

 
相关介绍:
中国标准:W63、W50、W40、W28、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5
欧洲标准:F280、F320、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500、F1800
发现和早期的合成方法
虽然早期有一些不系统的、不受认可或是未经证实的的碳化硅合成方法的报道,比如在1810年贝采里乌斯报道的用金属钾还原氟硅酸钾的合成方法、1849年Charles Mansuète Despretz报道的将通电的碳棒埋在沙粒中的合成方法、1881年Robert Sydney Marsden报道的在石墨坩埚中用熔融的银溶解硅石的合成方法、1882年Albert Colson在乙烯气氛中加热单质硅的合成方法以及1881年Paul Schützenberger报道的在石墨坩埚中加热硅单质和硅石混合物的合成方法,但真正实现碳化硅的大量制备还是在1890年由爱德华古德里奇艾奇逊率先实现的。艾奇逊尝试在铁锅中加热粘土(硅酸铝)和焦炭粉的混合物合成人造钻石的过程中发现了这个合成碳化硅的方法,他将得到的蓝色金刚砂晶体误认为是一种由碳和铝构成的类似刚玉的物质。1893年亨利·莫瓦桑在研究来自亚利桑那州的代亚布罗峡谷陨石样品时发现了罕有的在自然条件下存在的碳化硅矿石,将之命名为莫桑石。莫瓦桑也通过几种方法合成了碳化硅:包括用熔融的单质硅熔解单质碳、将碳化硅和硅石的混合物熔化和在电炉中用单质碳还原硅石的方法。但莫瓦桑在1903年时还是将碳化硅的发现归功于艾奇逊。

艾奇逊在1893年2月28日为合成碳化硅粉末的方法申请了专利保护。
碳化硅最早的用途是磨料,随后被用于电子器件中。在二十世纪初,第一批雷达中就是将碳化硅用为探测器的,1907年马可尼公司的雇员兼马可尼的助手Henry Joseph Round通过在碳化硅晶体上施加一定的电压后在阴极上观察到有黄色、绿色和橙色光放出,由此得到了世界上第一个发光二极管。这些实验结果后来在1923年被苏联科学家奥列格·洛谢夫重复证实。
自然界中的分布
自然界中的莫桑石仅微量分布于某几种陨石、刚玉矿床和金伯利岩中。几乎世界上所有的碳化硅固体包括莫桑石制成的珠宝都来自于人工合成。1893年费迪南德·亨利·莫桑在一小部分的代亚布罗峡谷陨石中发现了天然的莫桑石。莫桑的发现起初是有一定争议的,因为他手中的样品可能在切割时受到了由人造碳化硅制成的圆锯片的污染。虽然地球上的碳化硅非常稀有但在宇宙空间中却相当常见。宇宙中的碳化硅通常是碳星周围的宇宙尘埃中的常见成分。在宇宙和陨石中发现的碳化硅几乎无一例外都是β相晶形的。对在默奇森陨石这类碳质球粒陨石中发现的碳化硅颗粒进行分析后发现碳和硅元素的同位素比例均有异常,这表明陨石来自太阳系外,这些碳化硅颗粒中的99%来源于富碳的渐近巨星分支中的恒星。通过红外光谱推测碳化硅在这类恒星上很常见。
制造
由于自然界中的莫桑石非常罕有,所以碳化硅多为人造。它被用于磨料、半导体材料和具有钻石特点的仿制品。常见的方法是利用艾奇逊法将细的二氧化硅颗粒与焦炭混合,置入石墨为电极的电炉中,加热到1600至2500°C之间的高温制得。另一种方法是将纯净的二氧化硅颗粒在植物性材料(比如谷壳)中加热合成碳化硅,通过热分解有机质材料生成的碳还原二氧化硅产生硅单质,随后多余的碳与单质硅反应产生碳化硅。。还能利用生产金属硅化物和硅铁合金的副产物硅灰与石墨混合在1500°C的条件下加热合成碳化硅。
用艾奇逊法在电炉中合成的碳化硅因距离石墨电阻加热源远近的不同在纯度上有一定的差别。最靠近电阻加热源的地方产生的无色、淡黄色或绿色的碳化硅晶体纯度最高。随着离电阻加热源的距离越来越远生成的碳化硅颜色变为蓝色和黑色,这些深色晶体的纯度相对降低。氮和铝是碳化硅中常见的杂质,它们会影响碳化硅的电导率。
纯的碳化硅是用Lely法制造的。 通过将碳化硅粉末在2500°C的氩气氛下升华后再沉积形成鳞片状的单晶,在较冷的基底上可形成尺寸大到2×2cm2的单晶。Lely法能生长出高质量的碳化硅单晶。因为单晶的生长温度高,所以得到的单晶大多数是6H-SiC相的。在石墨坩埚中进行感应加热则是另一种改进后的艾奇逊法,它可以制造的碳化硅单晶尺寸是传统方法的81倍。立方体状的碳化硅一般是借助成本较为昂贵的化学气相沉积法来合成的。]通过气相和液相合成的方法可以制造同质外延和异质的碳化硅薄层。纯的碳化硅也能利用某些聚合物比如聚甲基硅烷在低温的惰性气氛中热分解来合成。相较于化学气相沉积法,热分解法的优势在于聚合物能在热裂解形成陶瓷状碳化硅之前塑造成各种不同的形状。

结构和性能

三种主要的碳化硅多形体

 

   

(β)3C-SiC

4H-SiC

(α)6H-SiC

碳化硅存在着约250种结晶形态。由于碳化硅拥有一系列相似晶体结构的同质多型体使得碳化硅具有同质多晶的特点。这些多形体的晶体结构可被视为将特定几种二维结构以不同顺序层状堆积后得到的,因此这些多形体具有相同的化学组成和相同的二维结构,但它们的三维结构不同。
α-碳化硅(α-SiC)是这些多型体中最为常见的,它是在大于1700°C的温度下形成的,具有类似纤锌矿的六方晶体结构。具有类似钻石的闪锌矿晶体结构的β-碳化硅(β-SiC)则是在低于1700°C的条件下形成的。β-碳化硅因其相较α-碳化硅拥有更高的比表面积,所以可用于非均相催化剂的负载体。
纯的碳化硅是无色的,工业用碳化硅由于含有铁等杂质而呈现棕色至黑色晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生的二氧化硅钝化层所致。
碳化硅高达2700°C的升华温度使得它适合作为制造轴承和高温熔炉的部件。它本身也具有较高的化学惰性。由于其相较于晶体硅具有更高的热电导率、电场击穿强度和最大电流密度,所以在高功率的半导体材料方面具有更好的应用前景。此外碳化硅的热膨胀系数也非常低(4.0×10-6/K)同时也不会发生可能引起的不连续性热膨胀的相变。
电导率
在碳化硅中掺杂氮或磷可以形成n型半导体而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性,但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。
用途
磨料和切割工具
由于金刚砂的耐用性和低成本,在现代宝石加工中作为常用磨料使用。金刚砂凭借其硬度使它在制造业中诸如砂轮切割、搪磨、水刀切割和喷砂等磨削加工过程。将碳化硅粒子层压在纸上就能制成砂纸和滑板的握带。
1982年由氧化铝和碳化硅须晶构成的超强复合材料问世,经过随后三年的发展这种复合材料走出实验室成为商品。1985年先进复合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具,工具就是由氧化铝和碳化硅须晶组成的加强型复合材料所制造的。
结构材料
在二十世纪80至90年代,几个欧洲、日本和美国的高温燃气涡轮机研究项目对碳化硅做了研究,项目的目标均打算以碳化硅代替镍高温合金制造涡轮机叶片或喷嘴叶片。但这些项目无一实现量产,主要原因在于碳化硅材料的耐冲击性和断裂韧度低。
不同于其他陶瓷材料比如氧化铝和碳化硼,碳化硅可用于制造复合装甲(比如乔巴姆装甲)和防弹背心中的陶瓷板。
天文学
碳化硅具备的低热膨胀系数、高的硬度、刚性和热导率使其能够作为天文望远镜的镜面材料。通过化学气相沉积制造的直径达3.5米和2.7米的多晶碳化硅圆盘已被分别安装在赫歇尔空间天文台和同温层红外线天文台等几个大型天文望远镜上。
催化剂载体
碳化硅本身的抗氧化性质和立方β-SiC所具有的大比表面积使其可作为非均相催化剂的载体。通过稻壳炭化合成的β-SiC已被用于作为非均相催化剂的载体应用于催化诸如正丁烷氧化生成顺丁烯二酸酐这类烃类的氧化反应。 

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