黑碳化硅和绿碳化硅的工艺和区别

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       碳化硅磨料通常以应时和石油焦炭为主要原料。他们在准备过程中经过机械加工,形成合适的粒度,然后根据化学计算混合成炉料。磨料调节炉料的透气性,并在分配炉料时添加适量的锯末。制造绿色碳化硅时,炉料中应添加适量的盐。

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炉子设置在间歇式电阻炉内。电阻炉的两端是端壁,中心附近有石墨电极。炉芯体连接在两个电极之间。炉芯周围设置了参加反应的炉子,外部设置了保温材料。制造时,电炉供电,炉芯体温度上升,达到2600~2700℃。电热通过炉芯表面传递给炉子,逐渐加热,达到1450℃以上时,发生化学反应,产生碳化硅,脱离一氧化碳。随着时间的推移,炉子的高温范围扩大,形成的碳化硅也在增加。在炉内不断形成,蒸发移动,结晶成长,聚集成圆筒形的结晶筒。结晶筒的内壁在高温下,超过2600℃的部分开始分解。分解的硅与炉子中的碳结合,成为新的碳化硅。炉子从送电初期开始,电热的主要部分用于加热炉子,形成碳化硅的热量只。在送电中期,形成碳化硅的热量所占的比例很大。在送电后期,热损失占主要部分。调整送电力和时间的关系,最好选择最有利的停电时间,获得最高的电热利用率。大功率电阻炉通常选择送电时间为24小时左右,利用作业安排。在此基础上,调整电炉功率和炉规格的关系。

电阻炉输电过程中,除了形成碳化硅这一基本反应外,炉材中的各种杂质也发生了一系列化学和物理的变化,发生了位移。食盐也是如此。炉材在制造过程中减少,炉材表面变形下沉。反应形成的一氧化碳弥漫在大气中,成为污染周围大气的有害成分。

停电后,反应过程基本结束。但由于炉子大,蓄热量大,暂时无法冷却,炉内温度足以引起化学反应,炉表面仍有少量一氧化碳逸出。对于大功率电炉,残余反应可持续3~4小时。此时的反应比送电时的反应微不足道。但由于当时炉面温度下降,一氧化碳燃烧不彻底。从劳动保护的角度来看,还是要足够重视的。

停电后冷却一段时间,可以拆除炉墙,然后逐渐取出炉内的各种物料。

炼制后炉内物料,由外向内,形成下列物层:

(1)未经反应的物料

这部分炉料在制造过程中没有达到反应温度,所以没有反应,只起到保温的作用。它在炉子中占据的位置叫做保温带。保温带炉料与反应带炉料的制备方法和制备后炉料的使用方法不同。有一种工艺方法,在保温带的特定区域内安装时装新材料,制备后取出配置到反应材料中,称为烘焙材料。如果保温带上的未反应材料经过再生处理,稍加焦炭和适量木屑,制成保温材料进行再利用,称为乏料。

(2)氧碳化硅层

这种材料实际上是半反应的材料,主要是未反应的碳和二氧化硅,一部分是已反应的碳化硅(约20~50%)。未反应的二氧化硅和碳,其形态发生了很大变化,与材料不同。氧化硅层的二氧化硅和碳不再出现原来的外观,两者结合成灰色或黄色的无定形材料。但是,它们的结合松散,冷却后轻轻按压就会成为粉末。材料中的二氧化硅,粒度的大小和形状与投入前相同,但透明度发生了变化。炭粉也只是烧成大粒子,除去挥发分。因此,氧化硅层很容易识别。

(3)粘合物层

粘结层是介于氧化硅和无定形层之间的粘结较紧的材料,含有较多的铁、铝、钙、镁等杂质,其量用金属氧化物表示。达到5~10%。粘结物的物相构成主要是未反应的二氧化硅、碳和形成的碳化硅(SiC约占40~60%)和铁、铝、钙、镁的硅酸盐类。这种材料有时很难与氧化硅和无定形物区分开来。但是,炉内杂质多的话,这个层很清楚,特别是在黑化硅炉内。

(4)无定形物层

无定形物层主要是立方碳化硅(β-SiC),其主要成分是碳化硅(约70~90%),反应不完全的碳和二氧化硅较多,铁、铝、钙、镁等金属氧化物的含量合计达到2~5%。该层材料松散,易碎成粉末状。黑碳化硅炉内的无定形物通常为黑色,绿碳化硅炉内的无定形物多为黄绿色,外部为黑色,内部为灰黄绿色。无定形物层一般均匀。使用的原料二氧化硅粒子过粗,焦炭中的固定碳过低时,无定形物层有很多小的泡状空洞。

(5)二级品碳化硅

该层已成为α-SiC,但结晶小、脆弱、杂质多,碳化硅含量仅为90~95%,不能作为研磨材料使用。二次品和无定形物的外观容易区分。无定形物层β-SiC为粉末状,无光泽,二次品为六方晶体,晶面清晰,有光泽,如镜面反射。二次品和一次品没有本质差异,在晶体筒上分为二次品和一次品,完全按用途和质量要求人工划分。上述其他材料层,有的材料本质不同,外观差异大,有的自然粘结成层。和无定形物一样,二次品有时也有小泡状空洞。

(6)一级品碳化硅结晶块

这是电阻炉的主要产品,是粗α-SiC晶体,SiC含量在96%以上,其厚度视炉功率和部位不同为50~450mm,晶体粗大紧密,有黑色或绿色。

(7)炉芯体石墨

接近结晶筒内壁的是碳化硅分解的石墨,其外形还保持着原有碳化硅结晶的样子。分解石墨层的内侧是原装入炉内的石墨炉芯体,经过炉子的高温,石墨化程度更加完整。但形态上与原装入时不同。两种石墨混合回收,作为下一个炉子的炉芯材料。

在生产过程中,以上各种材料是在电炉的不同工作阶段取出的。取出的顺序有时与上述顺序不一致,也不完全按照上述分类收集。通常工作分类是,无料和部分氧碳化硅统一作为无料收集;氧碳化硅的一部分与无定形物和二级产品一起收集,一般称为回收材料。粘合物有时归入回收材料中收集,有时选择其中一部分较大且粘合紧密,含杂质明显较多。

获得的一级产品结晶块应分级,然后经过粗碎、细碎、化学处理、干燥、筛分和磁选,制成各种粒度的黑碳化硅磨料和绿碳化硅磨料。对于微粉,需要经过水选过程制成W5~W40微粉。


绿碳化硅微粉

绿色碳化硅为绿色,含有97%以上的SiC晶体结构,硬度高,切削能力强,化学性能稳定,导热性能好。其微观形状为六方晶体,碳化硅莫氏硬度为9.5,显微硬度为3280-3400公斤/毫米,比重为3.20~3.25。它的硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。绿色碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,以盐为添加剂,通过电阻炉高温冶炼而成。

主要用途:太阳能硅片、半导体硅片、石英芯片的切割研磨水晶、纯粒铁的研磨陶瓷、特殊钢的精密研磨固定和涂装磨具,也可以研磨切割、自由研磨的玻璃、石材、玛瑙、高级珠宝玉器等非金属材料,制造高级耐火材料、工程陶瓷、加热部件和热能部件等。

黑碳化硅

黑色、脆性和锋利性,具有良好的导热性和导电性。微观形状为六方晶体,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,显微硬度为3300公斤/毫米。磨料高于刚玉,仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。密度一般被认为是3.20克/毫米,碳化硅磨料的自然堆积密度在1.2-1.6克/毫米之间,比重在3.20-3.25之间。黑碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加盐作为添加剂,通过电阻炉高温炼成。与绿色碳化硅相比,纯度、硬度和脆性稍低。

主要用途:太阳能硅片、半导体硅片、应时芯片的切割和研磨;固结磨具和涂装磨具的制造;石材的研磨和抛光;加工抗拉强度低的金属和非金属材料,如灰铸铁、黄铜、铝、石材、皮革、耐火材料行业等。


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