1.3　碳化物系磨料

碳化物有SiC、TiC、WC等多種化合物，在磨料中常見的有綠碳化硅（SiC）和黑碳化硅（C）。

①黑碳化硅（C）　以石英、石油、焦炭為原料，加入少量木屑，在1700℃以上的高溫電阻爐中冶煉而成。其化學(xué)成分含98.5％以上的SiC、游離碳小于0.2％，F(xiàn)e2O3小于0.6％，呈黑色光澤結(jié)晶。它的韌性較綠碳化硅高。

②綠碳化硅（GC）　以石英沙、焦炭為原料，加入木屑和食鹽，在電阻爐中冶煉而成。其化學(xué)成分為含99％以上的SiC，游離碳小于0.2％，F(xiàn)e2O3小于0.2％，呈綠色光澤結(jié)晶。其硬度比黑碳化硅高，切削能力強(qiáng)。

③立方碳化硅（SC）　又名β-碳化硅。立方碳化硅是碳化硅的低溫相，呈微粒狀立方晶體，生成于1450℃，在1600℃以上高溫開始轉(zhuǎn)變?yōu)榱教蓟?。通常以碳和硅、碳和石英為原料，在小型的管狀爐內(nèi)獲得。其化學(xué)成分為含SiC92％～94％，礦物成分為β-SiC。具有與金剛石相似的立方形晶體結(jié)構(gòu)。一般呈淡黃綠色，其硬度高于黑碳化硅而略次于綠碳化硅，切削能力較強(qiáng)。

④碳化硼（BC）　用硼酸與石墨粉（或炭粉）為原料熔煉而成。硼酸在250℃以下進(jìn)行脫水后，粉碎成粉末，與石墨按一定比例混合后，放入電弧爐（或電阻爐）內(nèi)，在1700～2500℃的高溫下，以碳直接還原硼酸生成。它是一種灰暗至金屬光澤的粉末，其硬度僅次于金剛石、立方氮化硼，耐磨性好，切削能力強(qiáng)。其分子式為B4C。

1.3.1　碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)及相圖

（1）SiC晶體結(jié)構(gòu)

用X射線對(duì)SiC晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行衍射分析證明，SiC的晶型有α-SiC、β-SiC。α-SiC為高溫穩(wěn)定型，β-SiC為低溫穩(wěn)定型。β-SiC向α-SiC轉(zhuǎn)變的溫度始于2160℃，但轉(zhuǎn)變速率很小，在0.1GPa的壓力下，分解溫度為2380℃。α-SiC為六方晶體結(jié)構(gòu)，晶體參數(shù)為a=b=d≠c（或a=b≠c），α=β=90°，γ=120°為簡單六方點(diǎn)陣，陣點(diǎn)坐標(biāo)為［0，0，0］。按拉斯德爾法命名將α-SiC分為4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC。β-SiC用3C-SiC命名。H表示六方晶系結(jié)構(gòu)，R表示菱面體結(jié)構(gòu)，C表示立方晶體結(jié)構(gòu)，4、6、15表示晶體沿c軸周期的層數(shù)。4H-SiC、6H-SiC為六方晶體結(jié)構(gòu)，15R-SiC為菱方三方體結(jié)構(gòu)。β-SiC（或3C-SiC）為面心立方體結(jié)構(gòu)（FCC）。SiC離子鍵性比例為12％，共價(jià)鍵性比例為88％。SiC可視為共價(jià)鍵化合物。其晶體結(jié)構(gòu)中單位晶胞由相同的四面體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，硅原子處于中心，如圖1-8所示。

（2）SiC系統(tǒng)相圖

圖1-9（a）所示為常溫下SiC系統(tǒng)相圖，該圖確定了硅基固溶體和熔體的存在范圍，SiC的分解溫度為2760℃，并確定了氣相+C、氣相+SiC、液相+氣相、液相+碳固溶體兩相區(qū)，碳及硅所形成的均相區(qū)，在1410℃出現(xiàn)液相+碳固溶體+SiC變量的三相平衡，在2760℃呈現(xiàn)氣相+SiC+C無變量三相平衡，圖中SiC是唯一的固相二元化合物。

圖1-9（b）所示為10MPa氣壓下SiC系統(tǒng)相圖，可以看出高壓下的三相平衡和升華曲線向高溫方向移動(dòng)，形成液相+SiC及液相+C的兩級(jí)分完全互溶的熔體區(qū)，SiC在熔融前后固、液相的化學(xué)成分不同，高壓時(shí)它轉(zhuǎn)熔分解為石墨（C）和富硅熔體，常壓下分解為石墨和氣相，在超高壓下可從碳化物熔融體直接制取SiC。

1.3.2　碳化硅磨料的生產(chǎn)工藝

（1）SiC的原材料

其主要原料為硅砂與碳素，輔助材料有木屑、食鹽與回爐料。

①硅砂（SiO2）　又稱石英砂。冶煉SiC常用河砂、海砂及脈石英。河砂及海砂用來冶煉黑色SiC，脈石英用來冶煉綠色SiC。硅砂的粒度大小影響SiC的產(chǎn)量，也是電能消耗的重要因素，因此要選用質(zhì)量合適的較細(xì)粒度的硅砂。

②碳素　提供生成SiC反應(yīng)的碳，常用石油焦炭、瀝青焦炭及低灰分的無煙煤。

③木粉（硬木屑）　為了增加透氣性，擴(kuò)大反應(yīng)區(qū)。

④食鹽　含量在97％～99％，粒度小于2mm。在冶煉綠色SiC時(shí)加入可加速排除雜質(zhì)，起凈化劑和催化作用。冶煉黑色SiC時(shí)不使用。

（2）SiC的生產(chǎn)工藝流程

電阻爐是冶煉SiC的主要設(shè)備。冶煉工藝方法有新料法與熔燒料法。新料法是將配好的原材料直接裝入電阻爐的反應(yīng)區(qū)冶煉SiC。熔燒料法是將配好的原材料裝入下一爐的反應(yīng)區(qū)進(jìn)行冶煉。SiC生產(chǎn)的工藝流程分為配料→裝爐→冶煉→冷卻與扒爐→混料除鹽→出爐與分級(jí)→造粒。

1.3.3　碳化硅制粒加工

一般將F4～F220粒度的磨料稱為磨粒，將F230～F1200粒度的磨料稱為微粉。磨粒加工采用篩分分級(jí)，微粉采用水力分級(jí)。

制粒工藝過程：結(jié)晶塊破碎→篩分→水洗→酸洗→堿洗→磁選→整形→煅燒（烘干）→精篩→檢查包裝。

微粉主要工藝過程：結(jié)晶塊破碎→球磨→篩分→水洗→脫水→干燥→水力分級(jí)→磁選→精篩→檢查→包裝。