1.3　碳化物系磨料

碳化物有SiC、TiC、WC等多种化合物，在磨料中常见的有绿碳化硅（SiC）和黑碳化硅（C）。

①黑碳化硅（C）　以石英、石油、焦炭为原料，加入少量木屑，在1700℃以上的高温电阻炉中冶炼而成。其化学成分含98.5％以上的SiC、游离碳小于0.2％，Fe2O3小于0.6％，呈黑色光泽结晶。它的韧性较绿碳化硅高。

②绿碳化硅（GC）　以石英沙、焦炭为原料，加入木屑和食盐，在电阻炉中冶炼而成。其化学成分为含99％以上的SiC，游离碳小于0.2％，Fe2O3小于0.2％，呈绿色光泽结晶。其硬度比黑碳化硅高，切削能力强。

③立方碳化硅（SC）　又名β-碳化硅。立方碳化硅是碳化硅的低温相，呈微粒状立方晶体，生成于1450℃，在1600℃以上高温开始转变为六方碳化硅。通常以碳和硅、碳和石英为原料，在小型的管状炉内获得。其化学成分为含SiC92％～94％，矿物成分为β-SiC。具有与金刚石相似的立方形晶体结构。一般呈淡黄绿色，其硬度高于黑碳化硅而略次于绿碳化硅，切削能力较强。

④碳化硼（BC）　用硼酸与石墨粉（或炭粉）为原料熔炼而成。硼酸在250℃以下进行脱水后，粉碎成粉末，与石墨按一定比例混合后，放入电弧炉（或电阻炉）内，在1700～2500℃的高温下，以碳直接还原硼酸生成。它是一种灰暗至金属光泽的粉末，其硬度仅次于金刚石、立方氮化硼，耐磨性好，切削能力强。其分子式为B4C。

1.3.1　碳化硅的晶体结构及相图

（1）SiC晶体结构

用X射线对SiC晶体结构进行衍射分析证明，SiC的晶型有α-SiC、β-SiC。α-SiC为高温稳定型，β-SiC为低温稳定型。β-SiC向α-SiC转变的温度始于2160℃，但转变速率很小，在0.1GPa的压力下，分解温度为2380℃。α-SiC为六方晶体结构，晶体参数为a=b=d≠c（或a=b≠c），α=β=90°，γ=120°为简单六方点阵，阵点坐标为［0，0，0］。按拉斯德尔法命名将α-SiC分为4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC。β-SiC用3C-SiC命名。H表示六方晶系结构，R表示菱面体结构，C表示立方晶体结构，4、6、15表示晶体沿c轴周期的层数。4H-SiC、6H-SiC为六方晶体结构，15R-SiC为菱方三方体结构。β-SiC（或3C-SiC）为面心立方体结构（FCC）。SiC离子键性比例为12％，共价键性比例为88％。SiC可视为共价键化合物。其晶体结构中单位晶胞由相同的四面体结构构成，硅原子处于中心，如图1-8所示。

（2）SiC系统相图

图1-9（a）所示为常温下SiC系统相图，该图确定了硅基固溶体和熔体的存在范围，SiC的分解温度为2760℃，并确定了气相+C、气相+SiC、液相+气相、液相+碳固溶体两相区，碳及硅所形成的均相区，在1410℃出现液相+碳固溶体+SiC变量的三相平衡，在2760℃呈现气相+SiC+C无变量三相平衡，图中SiC是唯一的固相二元化合物。

图1-9（b）所示为10MPa气压下SiC系统相图，可以看出高压下的三相平衡和升华曲线向高温方向移动，形成液相+SiC及液相+C的两级分完全互溶的熔体区，SiC在熔融前后固、液相的化学成分不同，高压时它转熔分解为石墨（C）和富硅熔体，常压下分解为石墨和气相，在超高压下可从碳化物熔融体直接制取SiC。

1.3.2　碳化硅磨料的生产工艺

（1）SiC的原材料

其主要原料为硅砂与碳素，辅助材料有木屑、食盐与回炉料。

①硅砂（SiO2）　又称石英砂。冶炼SiC常用河砂、海砂及脉石英。河砂及海砂用来冶炼黑色SiC，脉石英用来冶炼绿色SiC。硅砂的粒度大小影响SiC的产量，也是电能消耗的重要因素，因此要选用质量合适的较细粒度的硅砂。

②碳素　提供生成SiC反应的碳，常用石油焦炭、沥青焦炭及低灰分的无烟煤。

③木粉（硬木屑）　为了增加透气性，扩大反应区。

④食盐　含量在97％～99％，粒度小于2mm。在冶炼绿色SiC时加入可加速排除杂质，起净化剂和催化作用。冶炼黑色SiC时不使用。

（2）SiC的生产工艺流程

电阻炉是冶炼SiC的主要设备。冶炼工艺方法有新料法与熔烧料法。新料法是将配好的原材料直接装入电阻炉的反应区冶炼SiC。熔烧料法是将配好的原材料装入下一炉的反应区进行冶炼。SiC生产的工艺流程分为配料→装炉→冶炼→冷却与扒炉→混料除盐→出炉与分级→造粒。

1.3.3　碳化硅制粒加工

一般将F4～F220粒度的磨料称为磨粒，将F230～F1200粒度的磨料称为微粉。磨粒加工采用筛分分级，微粉采用水力分级。

制粒工艺过程：结晶块破碎→筛分→水洗→酸洗→碱洗→磁选→整形→煅烧（烘干）→精筛→检查包装。

微粉主要工艺过程：结晶块破碎→球磨→筛分→水洗→脱水→干燥→水力分级→磁选→精筛→检查→包装。