Kiselkarbid och karborundum

Kiselkarbid (SiC) är en legering som består av kisel och kol. SiC finns naturligt som moissanitmineral, men har massproducerats sedan 1893 för användning som slipmedel och långtidsverkande keramik som används i bilbromsar, kopplingar och skottsäkra västar.

Arbetare som exponeras för tillverkning av SiC kan utveckla lungsjukdomar som liknar silikos.

Historia

Edward Goodrich Acheson från Amerika upptäckte kiselkarbid av misstag när han försökte skapa konstgjorda diamanter 1891. När Acheson använde en elektrisk ström för att värma upp lera (aluminiumsilikat) med kol såg han några hårda kristaller från sitt experiment som liknade korund, som är en aluminiumoxidförening; på grund av denna likhet döpte han sin upptäckt till karborundum baserat på hur lika dess hårda kristaller såg ut som korund samt att de var hårdare än rubiner och safirer.

Acheson upptäckte snabbt att SiC kunde tillverkas i stora mängder genom att värma en blandning av kiseldioxid och koks i en elektrisk ugn, vilket gav ett pulver som kunde krossas och användas som slipmedel. SiC är också ett viktigt halvledarmaterial och kan dopas med antingen n-typ eller p-typ ledare som bor, fosfor eller kväve för att skapa olika versioner.

Carborundum blomstrade efter första världskriget och den industriella boomen på 1920-talet. Efter denna framgång expanderade de ytterligare under 1950-talet med utvecklingen av Fiberfrax keramiska fiber tillverkade av aluminiumoxid och kiseldioxid; detta bomullsliknande material tålde höga temperaturer samtidigt som det motstod vattenkorrosion och kemisk korrosion, överförde endast minimal värme och fick många användningsområden inom fordonsindustrin, kemisk papperstillverkning och elindustrin.

Carborundum utökade sin diversifiering under 1980-talet genom att öppna en fabrik i Niagara Falls som tillverkade elektriska motståndselement och tillverkade isoleringsprodukter av glasfiber. De investerade också i aluminiumoxid och zirkonium, men marknadsmättnaden ledde till att tillväxten i vinst per aktie för dessa produkter stagnerade. BP sålde slutligen Carborundum till St Gobain, som sedan länge hade köpt deras produkter av dem.

Fastigheter

Kiselkarbid är en hård och seg keramik med utmärkt mekanisk hållfasthet även vid temperaturer upp till 1400 grader Celsius. Som det tredje hårdaste materialet på jorden (efter diamant och borkarbid), med en Mohs-hårdhetsgrad på 13, ger det en enorm slitstyrka och är dessutom kemiskt inert och korrosionsbeständigt.

Karborundum används ofta som slipmedel i applikationer som kräver hög uthållighet, t.ex. bilbromsar och kopplingar, keramiska beläggningar, lysdioder (LED) och transistorer, bland andra elektroniska enheter.

Simulerad kiseldioxid-kol-keramik tillverkas genom att kiseldioxid reagerar med kol i en elektrisk ugn och finns i olika former, inklusive granulat, pulver, block och sintrade produkter. Genom sintring binds granulerna samman till stora, långlivade produkter med utmärkt slitstyrka och nötningsegenskaper.

Granulat av detta material kan malas till fint pulver för användning i olika applikationer för slipning, formning och efterbehandling. Dessutom används det som råmaterial för tillverkning av eldfasta glasfiberprodukter som har använts i stor utsträckning sedan 1881 för sin överlägsna värmestabilitet, värmeledningsförmåga och elektriska strömtäthet. Studier har dock visat att inandning kan orsaka fibrotisk lungsjukdom, vilket fortfarande är ett forskningsområde.

Tillverkning

Kiselkarbid eller karborundum är ett industriellt slipmedel som består av kiseldioxid och kol. Eldfasta keramiska fibrer som tillverkas på konstgjord väg har hög värmeledningsförmåga och elektrisk strömtäthet för användning i elektroniska apparater samt i friktionsprodukter som bromsar, friktionsplattor och bilkopplingar. Kolnanorör har ett av de högsta nötningsmotstånden och är kemiskt inerta mot de flesta alkalier, syror och kolväten, vilket gör dem till ett av världens hårdaste naturligt förekommande ämnen, endast överträffat av diamant, kubisk bornitrid och volframkarbid. Färgen kan variera från brun till svart på grund av järnföroreningar; för förbättrade egenskaper kan de också vara dopade av n-typ med kväve eller fosfor eller dopade av p-typ med beryllium, bor eller aluminium för förbättrade egenskaper.

Kiselkarbid framställdes för första gången kommersiellt för industriellt bruk av uppfinnaren Edward G Acheson i Pennsylvania 1893 och är idag ett av de viktigaste syntetiska slipmedlen. Achesons process, där finmalt kol (petroleumkoks) och sand smälts samman i en elektrisk ugn vid höga temperaturer för att bilda SiC, är fortfarande den primära tillverkningsmetoden över hela världen.

Susteon har utvecklat en innovativ lågutsläppsteknik för tillverkning av SiC genom Acheson-processen som avsevärt minskar utsläppen av kolväten och organiska ångor under produktionen. Tekniken utnyttjar dehydrogenering av petroleumkoks innan den används i en Acheson-ugn - detta ökar energiutbytet avsevärt samtidigt som förorenande gaser som släpps ut i miljön minskar betydligt.

Tillämpningar

Slipmedel av karborundum massproduceras i industriell skala genom att högvärdig kiselsand smälts samman med finmalt kol (petroleumkoks) i elektriska ugnar, vilket ger ett hårt, segt material med utmärkt motståndskraft mot vinkelslitage men mindre än strukturkeramik. Karborundum kräver höga temperaturer vid bearbetning men deformering bör inte uppstå lika lätt; dess styrka, slitstyrka och korrosionsbeständighet gör att det ofta väljs som slipmedel i fräs- och borrtillämpningar.

Kiselkarbidkorn har vassa kanter som är idealiska för skärning och fräsning av metaller. Dessutom utgör detta material grunden för slitstarka keramiska plattor i skottsäkra västar samt den primära ingrediensen i eldfasta material för masugnar, zinkugnsinfodringar, förbränningsugnsinfodringar och ugnssystem - medan dess elektriska egenskaper också visar sig ovärderliga när de används som blixtavledare i elkraftdistributionsnät.

Många studier visar att arbetare som exponeras för slipmedel av karborundum vid tillverkning eller användning kan utveckla symtom som liknar silikos. Partiklar från karborundummaterial och fint damm från dess partiklar har visat sig orsaka lungskador som kan överstiga dem som orsakas av exponering för kristallina silikapartiklar. Granulom i lungorna har till och med dokumenterats, vilket kan diagnostiseras med hjälp av röntgenbilder av bröstkorgen eller bekräftas genom biopsi eller obduktion.