Черный карбид кремния против зеленого карбида кремния: в чём разница?

Карбид кремния (SiC) является одним из самых популярных абразивных материалов, известных на сегодняшний день, благодаря своей твердости и остроте. Тем не менее, заглянув в каталог любого дистрибьютора абразивных материалов, вы увидите, что карбида кремния как однородного продукта не существует. Напротив, этот материал существует в двух основных видах — черный карбид кремния и зеленый карбид кремния. На первый взгляд они могут показаться довольно похожими — оба являются твердыми материалами. Их получают путем плавления кварцевого песка и углерода при высокой температуре с последующей самопроизвольной кристаллизацией. Однако их различия слишком велики, чтобы можно было выбрать наиболее подходящий тип для конкретной операции. В данной статье эти различия будут проанализированы по четырём основным аспектам.

Как они изготавливаются 

Как черный, так и зеленый карбид кремния производятся с использованием электропечей резистивного типа (также известных как печи Ачесона), в которых смесь высококачественного кварцевого песка и нефтяного кокса нагревается до температур около 2000°C. Основной химический процесс, лежащий в основе производства обоих материалов, одинаков:

SiO₂ + 3C → SiC + 2CO

Единственное различие в производстве этих двух материалов заключается в качестве используемого сырья и в условиях выжигания в печи. Чёрный карбид кремния изготавливают из кварцевого песка с небольшим количеством примесей, а также из опилок, что приводит к более низкому содержанию SiC в конечном продукте. «Зелёный» карбид кремния, в свою очередь, производится из более чистого кварцевого песка в особых условиях, при этом иногда используется соль. Различие в используемом сырье лежит в основе всех последующих различий.

Твёрдость

При обсуждении абразивных материалов первым делом обычно интересуются их твердостью; и хотя оба вида абразивов имеют схожие показатели твердости, между ними всё же есть некоторое различие. Как черный, так и зеленый карбид кремния имеют показатели твердости от 9,2 до 9,6 по шкале Мооса, и, таким образом, они тверже корунда (оксида алюминия), уступая лишь таким абразивным материалам, как карбид бора и алмаз.

«Зелёный» вариант карбида кремния, как правило, тверже «чёрного»; при испытаниях на микротвёрдость его показатели будут несколько выше благодаря более высокой степени чистоты и более однородной кристаллической структуре. По сути, это означает, что зерна «зелёного» SiC будут иметь более чёткое изломление и более острую режущую кромку при использовании. Показатель твёрдости чёрного карбида кремния очень высок и более чем достаточен для большинства задач шлифования и резки, хотя его значения могут незначительно колебаться из-за примесей в кристаллической структуре.

Чистота

И именно здесь эти два материала демонстрируют свои наиболее существенные различия. Содержание SiC в чёрном карбиде кремния составляет около 90% до 98%, в то время как остальная часть материала состоит из свободного углерода, диоксида кремния, оксида железа и других примесей, оставшихся от исходных материалов. Именно эти примеси придают чёрному SiC его характерный вид — тёмный, с металлически-чёрным или синевато-чёрным оттенком.

Процесс производства «зеленого» карбида кремния основан на использовании гораздо более чистого кварцевого песка и углеродных материалов, благодаря чему содержание SiC в материале составляет от 98,5% до 99% или даже выше. Именно благодаря меньшему содержанию свободного кремния и других примесей зеленый карбид кремния имеет светло-зеленый или изумрудный цвет. И, конечно же, более высокая чистота обеспечивает лучшее качество абразивных зерен, более предсказуемые свойства, а также меньшую склонность к перегреву при обработке некоторых материалов.

Поскольку степень чистоты влияет на физические свойства абразива, она становится ключевым параметром, определяющим “марку” обоих видов карбида кремния и объясняющим более высокую стоимость зелёного карбида кремния.

Выносливость

Под «прочностью» в контексте абразивных технологий понимается сопротивление разрушению при контакте с обрабатываемым изделием, и именно в этом заключается преимущество черного карбида кремния.

Черный карбид кремния обладает большей прочностью, чем зеленый карбид кремния. Наличие большего количества примесей и внутренних напряжений в материале позволяет зерну лучше выдерживать удары и не разбиваться при контакте с заготовкой. В данном случае чёрный карбид кремния идеально подходит для шлифования материалов, подверженных механическим нагрузкам (с низкой прочностью на разрыв, чугуна и цветных металлов), где сохранение кромки и предотвращение разрушения зерен важнее, чем поддержание максимальной остроты.

«Зелёный» карбид кремния отличается более высокой степенью чистоты и кристалличности, поэтому он гораздо более хрупок, чем предыдущий материал. Это приводит к более лёгкому разрушению, что в некоторых случаях является весьма востребованной характеристикой материала. Зерна зелёного SiC ломаются и образуют новую очень острую режущую кромку — это явление называется самозатачиванием и позволяет использовать зелёный SiC для прецизионного шлифования, где поддержание остроты кромки важнее, чем износостойкость, в то время как в последнем случае скорость износа зёрен увеличивается.

Области применения

Учитывая эти различия в твёрдости, чистоте и прочности, нетрудно понять, почему каждый тип карбида кремния находит своё применение.

Черный карбид кремния — более универсальный материал. Благодаря своей прочности и более низкой цене он отлично подходит для:

1. Шлифование и отделка чугуна, цветных металлов (например, латуни, меди и алюминия), а также неметаллических материалов (стекла, керамики, резины, камня)

2. Производство абразивных материалов на связующей основе (шлифовальные круги, точильные камни и наждачная бумага общего назначения)

3. Пескоструйная обработка и другие операции, при которых важна прочность при ударах, а не максимальная острота кромки

4. Огнеупорные изделия и металлургические добавки, в которых даже более высокое содержание карбида кремния не приводит к значительному удорожанию, но обеспечивает превосходную термическую и химическую стойкость

5. Резка водной струей и другие операции, связанные с струйной обработкой

Благодаря более высокой чистоте и самозатачивающимся свойствам зеленый карбид кремния в основном используется в условиях повышенных эксплуатационных нагрузок:

1. Шлифование твердых и хрупких материалов, таких как цементированный карбид, оптическое стекло, керамика и драгоценные камни

2. Операции хонингования и притирки, требующие очень высокой чистоты поверхности

3. Для производства высокоточных шлифовальных кругов, используемых для шлифования инструментов и режущих элементов, в частности твердосплавных инструментов

4. В полупроводниковой и электронной промышленности в связи с требованиями к чистоте

5. Области применения огнеупорной и технической керамики, в которых чистота играет непосредственную роль

Подводя итог, можно сказать: если вам требуется только шлифование металлических материалов и вам нужен долговечный инструмент, лучшим выбором станет черный карбид кремния. В противном случае, при шлифовании твердых и хрупких материалов, требующих высокой точности обработки поверхности, или если чистота материала играет важную роль в процессе, лучшим выбором станет зеленый карбид кремния, несмотря на его высокую стоимость.

Как выбрать между ними

При выборе между черным и зеленым карбидом кремния следует задать себе несколько полезных вопросов:

1. Какой материал подвергается обработке? Для более мягких и прочных материалов (чугун, цветные металлы) обычно лучше подходит черный SiC. Для более прочных и хрупких материалов (карбиды, керамика, стекло) требуется зеленый SiC.

2. Насколько острота кромки влияет на долговечность при резке поперек волокон? Если более важны такие свойства, как самозатачиваемость и хорошая чистота реза, то лучше выбрать «зелёный» вариант. В противном случае лучше остановиться на «чёрном».

3. Какой процесс более чувствителен к загрязнениям? Для применений, требующих высокой чистоты (некоторые процессы производства оптической и электронной продукции), необходим «зелёный» SiC.

4. Сколько у нас денег? Черный SiC обычно дешевле, поскольку стоимость сырья ниже, а процесс очистки проще.

Заключение

Хотя черный и зеленый карбиды кремния имеют схожий состав и кристаллическую структуру, различия между ними по степени чистоты, твердости и ударной вязкости делают их идеальными для использования в различных областях. В то время как черный карбид кремния отличается вязкостью и низкой стоимостью, что делает его предпочтительным выбором в качестве абразивного материала для металлообработки и шлифования, зеленый карбид кремния, обладающий высокой чистотой и самозатачивающимися свойствами, является предпочтительным материалом для прецизионного шлифования твердых и хрупких материалов. При выборе абразивного материала крайне важно понимать разницу между черным и зеленым карбидами кремния, а не рассматривать все карбиды кремния как одно и то же.