Карбид кремния
Для производства изделий из карбида кремния используется технология реакционного спекания. В процессе производства исходная заготовка, полученная прессованием смеси порошков карбида кремния и графита, пропитывается расплавом кремния, после чего спеченная заготовка подвергается механической обработке. Основное достоинство керамики на основе карбида кремния как материала для подшипников и уплотнений жидкостного трения - это очень высокая износостойкость в жестких условиях абразивного изнашивания и повышенных температур, обеспечиваемая сочетанием высокой твердости и высокой теплопроводности. Некоторые физико-механические свойства материала карбид кремния в сравнении с твердым сплавом и силицированным графитом приведены в следующей таблице.
Характеристика материала |
Карбид кремния |
Самосвязанный карбид кремния |
ВК6ОМ |
Силицированный графит СГ-Т |
|
Плотность, г/см3 |
3,05 |
3,1 |
14,8 |
2,6 |
|
Состав |
92 % карбида кремния |
99 % карбида кремния |
Карбид вольфрама |
50 % карбида кремния |
|
Предел прочности на изгиб, МПа |
320…350 |
350 - 450 |
1700…1900 |
90…110 |
|
Предел прочности на сжатие, МПа |
2300 |
2500 |
3500 |
300…320 |
|
Модуль упругости, ГПа |
380 |
390- 420 |
550 |
95 |
|
Твердость |
87…92 HRC |
90…95 HRC |
90 HRA |
50…70 HRC |
|
Трещиностойкость, МПа*м1/2, в пределах |
3.5 –4.5 |
4 – 5 |
8-25 |
2-3 |
|
Коэффициент теплопроводности при 100°С, Вт/(м°К) |
140 – 200 |
80 – 130 |
75…85 |
100…115 |
|
Коэфф. теплового расширения при 20-1000°С, К-1*10-6 |
3,5…4,0 |
2,8 – 4 |
4,5 |
4,6 |
|
Вязкость разрушения, МПа*м1/2 |
3,5 |
5 |
10…15 |
3…4 |
Область применения подшипников из карбида кремния обусловлена, в основном, его высокими износостойкостью и теплопроводностью. Известно, что ресурс работы деталей из карбида кремния в абразивных средах в разы выше, чем у инструментальных сталей и графитов, и в 1.5-2 раза, чем у твердых сплавов. Высокая теплопроводность существенно снижает градиент температуры в элементах подшипника и вместе с низким коэффициентом термического расширения обеспечивает стабильность геометрических характеристик (величину рабочего зазора и форму поверхности трения) в широком диапазоне рабочих температур. Указанное сочетание высокой теплопроводности и низкого коэффициента термического расширения определяет высокую термостойкость карбида кремния. Он способен выдерживать десятки термоударов до 1000-1300°С;. Карбид кремния работает до температуры 1350°С, что позволяет использовать его во всех известных нам процессах нефтепереработки. В качестве примера можно привести использование карбида кремния в нагревателях, длительно работающих на воздухе при температурах около 1400°С. Большое значение имеет химическая стойкость карбида кремния к продуктам нефтехимии. За рубежом в химической индустрии очень широко используются изделия из карбида кремния, в частности, при высоких температурах.
Благодаря своим уникальным физико-химическим и прочностным характеристикам керамика из карбида кремния особенно в последние 5-10 лет широко используется как наиболее удачный материал с точки зрения, инертности, прочности, износостойкости, термостойкости и теплопроводности.
Область применения: пары трения в узлах торцевого уплотнения насосных агрегатов используются для перекачки нефтепродуктов, сжиженного газа. Созданы и укомплектованы деталями (крылчатка, вал, пары трения) из карбида кремния химически стойкие насосы для работы в агрессивных средах, а также укомплектованы парами трения в узлах осевых опор в погружных насосах.
Карбид кремния также используется для изготовления сопел и форсунок для подачи газов в зону плавления стекла и металлов, спекания керамики.
· Сопла различных типоразмеров из карбида кремния:
- для пескоструйных установок;
- для высокотемпературных пескоструйных установок (температура песка около 1000 °С), используемых для очистки от нагара труб на предприятиях нефтедобывающей промышленности и нефтепереработки;
- для факелов газовых печей, в том числе стекловарочных печей с длительностью непрерывной работы более 2 лет;
· Конфузоры различных типоразмеров из карбида кремния для газовых стекловаренных печей для варки хрусталя, взамен чугуна. Работают на Никольском заводе «Красный гигант» более пяти лет при температуре 1300 °С, где чугунные работали 2-3 месяца;
· Плиты различных типоразмеров из карбида кремния для футеровки печей с рабочей температурой до 1400 °С в воздушной среде и до 2000 °С в вакууме;
· В плавильных печах, где сплавляемый материал не реагирует с кремнием или карбидом кремния, карбид кремния заменяет платину и графит;
· В индукционных печах по плавлению сплавов для корпусов часов графитовые тигли заменены на карбид кремния и работают третий год вместо двух месяцев при температурах до 1000 °С.
Химическая стойкость самосвязанного карбида кремния
Среда |
Концентрация, % |
Температура, o С |
Время, 24 часа |
Коррозия, мм/год |
Сопротивление коррозии |
|
Соляная кислота |
35 |
72 |
4.2 |
0.01 |
A |
|
Уксусная кислота |
50 |
70 |
4.2 |
0.00 |
A |
|
Фосфорная кислота |
50 |
70 |
4.2 |
0.01 |
A |
|
Серная кислота |
95-98 |
70 |
4.2 |
0.00 |
A |
|
Серная кислота |
50 |
70 |
4.2 |
0.01 |
A |
|
Азотная кислота |
60 |
70 |
4.2 |
0.00 |
A |
|
Едкий натр |
PH=14 |
70 |
4.2 |
0.02 |
A |
|
Едкий натр |
10 |
70 |
4.2 |
0.05 |
C |
|
Едкий натр |
30 |
70 |
4.2 |
0.1 |
C |
|
HF+HNO3 |
40+10 |
70 |
4.2 |
7.12 |
C |
A – <= 0.1; B = 0.1 - 0.8; C – >= 0.8
Химическая стойкость карбида кремния
Среда |
Концентрация, % |
Температура, o С |
Коррозия, мм/год |
|
Серная кислота |
95-98 |
160±10 |
0.06 |
|
Едкий натр |
30 |
100 |
0.06 |
|
Фосфорная кислота |
85 |
300±10 |
0.28 |
|
Азотная кислота |
60 |
20±1 |
0.06 |
|
Гидроокись калия |
45 |
100 |
0.12 |
|
Соляная кислота |
20 |
100 |
0.12 |
|
HF:HNO3 |
40+10 |
60±2 |
6.5 |
|
