Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid (även kallad karborundum) är ett avancerat keramiskt material. Kiselkarbid finns naturligt som det extremt sällsynta mineralet moissanit, men den mesta produktionen av kiselkarbid (karborundum) sker i form av pulver eller korn som kan bindas samman till sega och hållbara keramiska strukturer.

SiC tillverkas i en elektrisk motståndsugn genom att råmaterial som kvartssand och kolkällor som petroleumkoks smälts i en elektrokemisk reaktion som ger gröna och svartfärgade kristaller.

Kemisk sammansättning

Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård syntetisk kristallin förening av kisel och kol med den kemiska formeln SiC. SiC tillverkades för första gången kommersiellt 1893 för användning som slip- och skärslipmedel och är nu ett av de hårdaste kända naturliga och tillverkade materialen med utmärkt slitstyrka, kemisk inertitet mot både syror och alkalier, termiska egenskaper samt utmärkta slitstyrkaegenskaper.

Henri Moissan från Frankrike och Edward G. Acheson från USA upptäckte oberoende av varandra karborundum ungefär samtidigt och utformade processer för att tillverka det av kiselsand och kolkoks och gav det sitt handelsnamn: Carborundum.

De moderna produktionsmetoderna för kiselkarbid som används inom slipmedels-, metallurgi- och eldfasthetsindustrin följer Achesons ursprungliga teknik för att producera kiselkarbidgöt för olika industriella användningsområden och är likartade. En blandning av rå kiselsand och finmald koks kombineras i en elektrisk ugn av motståndstyp nära en grafitledare med hjälp av elektrisk ström; detta orsakar kemisk reaktion som ger kiselkarbid samt koldioxidgas vilket resulterar i ett göt som sedan måste skäras i sektioner och sorteras efter kornstorlek innan det bearbetas genom att skäras och sorteras igen när det svalnat igen innan det skärs upp och skärs för vidare användning eller återanvändning i en annan götproducerande ugn.

Kemi och kristallografi spelar en viktig roll när det gäller att definiera kvaliteten och användningsområdena för färdiga korn och pulver. Kornstorlekarna varierar normalt från en mikrometer till flera millimeter; produktionsmetoderna varierar från självbindning (med hjälp av Si+C-formar för att sammanfoga korn) eller kiselbindning för högtemperaturtillämpningar eller keramisk och metallurgisk användning.

Fysikaliska egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är en olöslig substans som är olöslig i vatten, alkohol och syror. Det är tätare än keramiska material men lättare än många metaller, och dess färg och utseende varierar beroende på renhetsgrad.

Moissanite finns naturligt som ett mineral i små mängder i jorden, men den mesta grafit som tillverkas idag är syntetisk och tillverkas genom malning av kol och kiselsand i en Acheson-grafitugn vid höga temperaturer på 2.550 degC (4.530 degF).

Rå kiselkarbid sticker ut bland sina likar på grund av sin hårdhet (Mohs hårdhet > 9), vilket gör det till ett av de hårdaste eldfasta materialen med utmärkta slitstyrkaegenskaper. Dessutom är det kemiskt inert mot alkalier och syror utom fluorvätesyra och har mycket höga elektriska fältstyrkor vid genombrott samt goda värmeledningsegenskaper.

En av SiC:s viktigaste egenskaper är dess motståndskraft mot oxidation, vilket gör att den kan användas i tuffa miljöer. SiC har en av de lägsta oxidationshastigheterna bland alla metallkarbider och till och med de flesta eldfasta oxider; dessutom är det en halvledare med brett bandgap så att elektronerna behöver mindre energi för att röra sig mellan ledningsbandet och valensbandet; denna egenskap gör att SiC kan arbeta vid högre spänningar och kopplingsfrekvenser.

Mekaniska egenskaper

Kiselkarbid är ett enastående material för mekaniska tillämpningar tack vare sin enastående styrka och hållbarhet. Det har hög brottseghet - som mäter motståndet mot sprickutbredning - samt höga värden för Youngs modul och böjhållfasthet, med låg termisk expansion vid temperaturer upp till 1600 grader Celsius.

Fusionsprocesser som används för att producera rå kiselkarbid resulterar i ett göt som kan gjutas i olika former med hjälp av gjutningstekniker som kallas eldfast gjutning eller eldfast beklädnad, t.ex. grafit för att skydda den under dess smältreaktion och skydda mot värmeexponering under smältreaktioner. Eldfast gjutning har många användningsområden, t.ex. foder till industriugnar, slitstarka delar till pumpar och halvledande substrat till lysdioder (LED).

Kiselkarbid utmärker sig bland keramiska material genom att kunna produceras i många olika kornstorlekar och sammansättningar, vilket gör det lättare för tillverkarna att uppnå önskade mekaniska egenskaper. En färdig produkts kvalitet beror på faktorer som förhållandet mellan Si- och C-innehåll, malnings- och storleksprocesser och vilken typ av sintringsprocess som används; Washington Mills använder olika kross-, malnings- och siktningsutrustning för att producera råa kiselkarbidkorn och pulver som är skräddarsydda specifikt för kundernas krav.

Kiselkarbidens atomstruktur består av fyrsidiga pyramider av kisel- och kolatomer som är sammanbundna via starka kovalenta bindningar i kristallgittret, vilket ger den exceptionella egenskaper i olika miljöer. Den angrips t.ex. inte av alkalier eller basiska salter upp till 800 grader Celsius och motstår inre oxidation vid högre temperaturer.

Tillämpningar

Kiselkarbid har många användningsområden. Tack vare sin styrka, slitstyrka, tolerans mot höga temperaturer och låga värmeutvidgningskoefficient används den i så vitt skilda applikationer som slipmedel, avancerade eldfasta material och metallurgiska råmaterial. Dessutom kan kiselkarbid till och med fungera som katalysatorbärare på grund av dess interaktion med syre och alkaliföreningar.

Edward Acheson från Edisons assistentföretag Carborundum utvecklade den mest använda metoden för att producera rå kiselkarbid; hans fusionsprocess. Den här produktionsmetoden innebär att kiselsand och kolpartiklar placeras i en elektrisk motståndsugn av grafit med elektrisk ström som går genom kolledare innan de värms upp till 2200 grader Celsius för att skapa kiselkarbidgöt.

Washington Mills använder den traditionella Acheson-processen för att tillverka smält kiselkarbidråvara för användning inom slipmedels-, metallurgi- och avancerade eldfasta industrier. Vår utrustning för krossning, malning och siktning säkerställer att partikelstorlekarna uppfyller processpecifikationerna för att skapa standard FEPA/ANSI-storlekar samt anpassade partikelstorleksintervall med anpassade densiteter och kemiska egenskaper - och ännu viktigare är att vi erbjuder standardstorlekar från dessa intervall baserat på FEPA- och ANSI-mått!

Rå kiselkarbid, mer allmänt kallad Moissanite, har exceptionella slipegenskaper och kan användas för att tillverka skärverktyg, slipskivor och skär av volframkarbid. Tack vare sin utmärkta temperaturbeständighet och korrosionsbeständighet är den dessutom ett utmärkt eldfast material vid ståltillverkning och tack vare sin låga expansionskoefficient har den isolerande egenskaper och elektrisk ledningsförmåga - idealiska egenskaper vid tillverkning av dessa verktyg eller skär.