Durezza del carburo di silicio

Struttura cristallina del SIC

Il carburo di silicio, in quanto carburo sintetizzato artificialmente, trova ampie applicazioni nell'industria, in particolare nel settore degli abrasivi. Il motivo per cui il carburo di silicio viene spesso utilizzato come abrasivo risiede nelle sue proprietà chimiche e fisiche intrinseche. In questo articolo ci accingiamo ad approfondire il tema della durezza del carburo di silicio.

1.Caratteristiche del carburo di silicio

1.1 Composizione chimica e struttura cristallina

Carburo di silicio Il carburo di silicio (SiC) è un composto formato da elementi di silicio (Si) e carbonio (C). La sua formula chimica è SiC e, in genere, il carburo di silicio si forma dalla combinazione di carbonio e silicio in rapporto 1:1. Il carburo di silicio puro è tipicamente un cristallo trasparente. Il carburo di silicio puro è tipicamente un cristallo trasparente; tuttavia, nelle applicazioni industriali, le impurità presenti nel carburo di silicio possono portare a variazioni di colore, come i comuni carburo di silicio nero e carburo di silicio verde. Il carburo di silicio presenta spesso diverse strutture cristalline, le più comuni delle quali sono quella cubica (β-SiC) e quella esagonale (α-SiC). A temperature superiori a 2100°C, il β-SiC passa alla struttura α-SiC. Attualmente sono state identificate più di 70 forme diverse di α-SiC. I metodi di preparazione del carburo di silicio sono diversi.

2.Durezza del carburo di silicio

2.1 Definizione e misurazione

La durezza è la capacità di un materiale di resistere alla scalfittura, alla perforazione o all'indentazione, indicando comunemente la resistenza del materiale all'abrasione e all'usura. I metodi di misurazione della durezza per il carburo di silicio includono i seguenti quattro:

Durezza Mohs: Il Mohs La durezza del carburo di silicio è tipicamente compresa tra 9-9,5.

Durezza Mohs per il carburo di silicio nero: 9.2-9.3

Durezza Mohs per il carburo di silicio verde: 9.4-9.5
Durezza di Moh

Durezza Vickers: La durezza Vickers del carburo di silicio è solitamente compresa tra 2800-3400 HV.

Intervallo di durezza Vickers per il carburo di silicio nero: 2800-3200 HV

Intervallo di durezza Vickers per il carburo di silicio verde: 3100-3400 HV

La prova di durezza Vickers prevede l'applicazione di un carico specifico sulla superficie del materiale e la misurazione della lunghezza diagonale dell'indentazione risultante, da cui è possibile calcolare il valore di durezza Vickers.

Durezza Brinell: La durezza Brinell si determina applicando un certo carico alla superficie del materiale e misurando il diametro dell'impronta risultante. In genere, la gamma di durezza Brinell per il carburo di silicio è di 2400-2800 HBS.

Intervallo di durezza Brinell per il carburo di silicio nero: 2400-2600 HBS

Intervallo di durezza Brinell per il carburo di silicio verde: 2600-2800 HBS

Durezza Rockwell: La durezza Rockwell viene determinata applicando carichi statici o dinamici alla superficie del materiale e misurando la profondità del calibro di durezza. In generale,

Intervallo di durezza Rockwell per il carburo di silicio nero: 83-87 HRA

Intervallo di durezza Rockwell per il carburo di silicio verde: 87-92 HRA

Metodi di prova della durezza

Intervallo dei valori di prova

Valori specifici (carburo di silicio nero)

Valori specifici (Carburo di silicio verde)

Durezza Mohs

9-9.5

9.2-9.3

9.4-9.5

Durezza Vickers

2800-3400 HV

2800-3200 HV

3100-3400 HV

Durezza Brinell

2400-2800 HBS

2400-2600 HBS

2600-2800 HBS

Durezza Rockwell

83-87 HRA

87-92 HRA

2.2Fattori che influenzano la durezza del carburo di silicio

Struttura cristallina: Come analizzato in precedenza, la struttura cristallina del carburo di silicio gioca un ruolo significativo. La struttura cristallina esagonale del carburo di silicio (α-SiC) presenta generalmente una durezza maggiore rispetto alla struttura cristallina cubica (β-SiC). La disposizione più stretta degli atomi nella struttura cristallina determina un legame più forte.
Struttura cristallina del SIC

Purezza: La purezza è il secondo fattore principale che influenza la durezza del carburo di silicio. Una minore presenza di impurità indica una maggiore purezza, correlata a una maggiore durezza del carburo di silicio.

Grado di sinterizzazione: Il grado di sinterizzazione rappresenta l'entità del riscaldamento durante il processo di produzione del carburo di silicio. Gradi di sinterizzazione più elevati comportano un aumento della durezza, perché le temperature elevate portano alla crescita dei grani e a una maggiore densità del materiale.

Granulometria: Le dimensioni dei grani più piccole contribuiscono ad aumentare la durezza del carburo di silicio. Ciò è dovuto al fatto che i confini dei grani sono punti deboli nel materiale e i grani più piccoli implicano un minor numero di confini dei grani.

3.Miglioramento della durezza del carburo di silicio

In base ai fattori che influenzano la durezza del carburo di silicio, possiamo aumentarne artificialmente la durezza con vari metodi. Gli approcci più comuni includono il drogaggio, la lega, i trattamenti superficiali e altre tecniche.

3.1 Doping e leghe per l'aumento della durezza

Il carburo di silicio può subire cambiamenti nelle sue proprietà elettriche e migliorare le prestazioni meccaniche attraverso il drogaggio e la lega. I metodi più comuni includono il drogaggio in soluzione solida, l'impiantazione ionica, la deposizione chimica da vapore, la metallurgia delle polveri, seguita da compattazione e sinterizzazione. Grazie a questi processi, è possibile migliorare in modo significativo la durezza, la forza, la tenacità e la resistenza all'usura del carburo di silicio.

3.2 Trattamento della superficie

Il trattamento superficiale del carburo di silicio è un altro approccio per aumentarne la durezza. Tecniche come il rivestimento e la placcatura possono essere impiegate per aumentare la durezza superficiale, ridurre l'usura e migliorare la lubrificazione.

Rivestimento:

Spray termico: I materiali di fusione vengono spruzzati sulla superficie per formare un rivestimento. I materiali più comuni sono ceramica, metalli e polimeri.

Spruzzo a freddo: Le particelle di materiale solido vengono accelerate ad alta velocità e poi spruzzate sulla superficie del carburo di silicio. I materiali più comuni sono metalli e polimeri.

Placcatura:

Deposizione fisica da vapore (PVD): Un film sottile viene depositato sulla superficie del carburo di silicio. I materiali più comuni sono metalli, ceramiche e nitruri.

Deposizione chimica da vapore (CVD): Un film sottile viene depositato sulla superficie del carburo di silicio. I materiali più comuni sono la ceramica e i carburi.

3.3 Applicazioni pratiche del miglioramento della durezza del carburo di silicio

La scelta di tecnologie e materiali appropriati per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche è fondamentale. Il miglioramento della durezza del carburo di silicio trova applicazioni pratiche in vari settori, come gli utensili da taglio in ceramica SiC:N, i componenti aerospaziali in ceramica SiC, i materiali per l'imballaggio dei dispositivi elettronici in ceramica SiC, le giunzioni artificiali in ceramica SiC e altro ancora. Il miglioramento della durezza del carburo di silicio ne amplia la gamma di applicazioni e ne accresce il valore in vari settori.

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FAQ

Come si definisce la durezza del carburo di silicio?

Risposta: La durezza è la capacità di un materiale di resistere alla scalfittura, alla perforazione o all'indentazione, indicando in genere la resistenza del materiale all'abrasione e all'usura. La durezza del carburo di silicio può essere misurata utilizzando la durezza Mohs, la durezza Vickers, la durezza Brinell e la durezza Rockwell, con una durezza Mohs tipicamente compresa tra 9 e 9,5.

In che modo la struttura cristallina del carburo di silicio influisce sulla sua durezza?

Risposta: Il carburo di silicio presenta diverse strutture cristalline, tra cui quella cubica (β-SiC) e quella esagonale (α-SiC). In generale, il carburo di silicio esagonale presenta una durezza maggiore rispetto al carburo di silicio cubico, grazie alla sua struttura cristallina più stretta e al legame atomico più forte.

Come si misura la durezza del carburo di silicio?

Risposta: La durezza del carburo di silicio può essere misurata utilizzando la durezza Mohs, la durezza Vickers, la durezza Brinell e la durezza Rockwell. Questi metodi prevedono l'applicazione di un carico sulla superficie del materiale e la misurazione dell'impronta o del valore di durezza risultante per valutare la durezza.

Quali fattori influenzano la durezza del carburo di silicio?

Risposta: I fattori che influenzano la durezza del carburo di silicio includono la struttura cristallina (maggiore durezza per la struttura esagonale), la purezza (maggiore purezza porta a maggiore durezza), il grado di sinterizzazione (maggiore grado di sinterizzazione porta a maggiore durezza) e la dimensione dei grani (grani più piccoli contribuiscono a maggiore durezza).

Come si può aumentare la durezza del carburo di silicio?

Risposta: La durezza del carburo di silicio può essere migliorata con metodi quali il drogaggio, la lega e il trattamento superficiale. I metodi di drogaggio e lega comprendono il drogaggio in soluzione solida e l'impiantazione ionica, mentre i metodi di trattamento superficiale comprendono il rivestimento e la placcatura per aumentare la durezza superficiale, ridurre l'usura e migliorare la lubrificazione.

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