[发明专利]一种稀土绿碳化硅及其用途和稀土绿碳化硅磨料磨具

说明书

技术领域

本发明涉及无机固体材料工业领域，属于碳化硅材料技术，特别是一种高韧性、高硬度、耐磨削、耐腐蚀、耐高温的稀土绿碳化硅材料技术。

背景技术

碳化硅作为一种重要的无机固体材料，广泛应用于磨具磨料、钢铁和有色金属冶金、陶瓷耐火材料、化工等领域，年消耗量超过百万吨。商品碳化硅分为黑碳化硅和绿碳化硅两种，都是采用硅石和含碳还原剂(石油焦、石墨粉、无烟煤、木炭等)混合作原料在高温下冶炼生成。其中，绿碳化硅的冶炼需要在原料中添加适量的工业盐，或者采用纯度很高的硅石、含碳还原剂冶炼才能获得。

碳化硅具有高硬度、自刃性、较高的机械强度，这使其成为用于磨削、切割的最重要的磨料之一。相比黑碳化硅，绿碳化硅纯度高、质量好、切割性能优越，颜色纯净，难以掺杂，近年来被广泛用于半导体和太阳能晶体硅的切割领域，年用量已接近50万吨。然而，绿碳化硅应用于光伏硅晶体切割中经常会发生由晶体中的硬点导致的切割异常，并且切割成本也较高，切割后的碳化硅回收后再利用性能不佳。原因在于，硅晶体中有同样硬度的碳化硅硬点杂质会影响到切割，以及绿碳化硅的韧性较差、易于破碎，切割中颗粒迅速变凸变小，切割力变弱。

1973年，郑州磨料磨具磨削研究所开发出了一种新型碳化硅，命名为铈碳化硅，它是在无盐的绿碳化硅原料中，添加微量的氧化铈，经冶炼获得。铈碳化硅的硬度和韧性较绿碳化硅高，作为磨料磨具原料比绿碳化硅具有更好的磨削性能，最高可提高磨削效率一倍以上，并能降低对磨削对象的损伤。1978年和1985年，国家有关部门先后两度召开会议推广铈碳化硅。然而，由于铈碳化硅外观颜色和绿碳化硅差异较大，而和黑碳化硅或劣质绿碳化硅接近，容易被认为掺有黑碳化硅或其他杂质，而黑碳化硅纯度低、成本低，市场上销售的铈碳化硅产品在质量控制上难以得到保障，其加工后的分级产品也因适用范围窄而销售不畅，使得铈碳化硅难以被市场接受，自90年代以后就逐渐被绿碳化硅和普通黑碳化硅淘汰。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有的绿碳化硅硬度偏低、韧性低的缺陷，提供磨削和切割性能更好、同时又与黑碳化硅有严格外观区分的新型稀土绿碳化硅。本发明的再一个目的是提供这种新型稀土绿碳化硅的制造方法，和这种新型稀土绿碳化硅的用于磨削和切割的磨料的用途，以及制作碳化硅陶瓷材料、氮化硅结合碳化硅材料的用途。本发明的另一个目的是提供一种稀土绿碳化硅磨具，具有更优良的磨削性能。本发明的目的是按下述方案实现的。

本发明提供了一种稀土绿碳化硅，含有0.01～3％的以硅化稀土和碳化稀土形式存在的以下一组稀土元素中的至少一种元素：钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，其特征是，还含有微量的该稀土元素的氯化物。其中，所述的微量的稀土元素氯化物的氯含量低于0.2％，并优选为0.01～999ppm，和进一步优选为0.01～500ppm。其中，本发明所述的微量的稀土元素氯化物紧密地结合在稀土绿碳化硅的晶粒上或晶粒的晶相中并宏观上相对均匀地分布，因而使得所述的微量的稀土元素氯化物不能通过对所述的稀土绿碳化硅的晶粒的表面清洗或多级粉碎后清洗所完全清除。

根据本发明，所述的稀土碳化硅中含有的稀土元素除了以上述的微量稀土氯化物形式存在外，主要以硅化稀土或碳化稀土的形式或物相存在并结合在碳化硅晶粒中。以摩尔含量衡量，稀土元素的量，高出氯元素量的5倍以上，一般可高出10倍至1000倍，甚至10万倍。例如，对于本发明的含有稀土镧、铈的镧铈绿碳化硅，其含有的镧、铈主要以硅化镧、碳化镧和硅化铈、碳化铈形式存在。

本发明发现，含有微量稀土氯化物的稀土绿碳化硅，较普通的完全不含氯元素的稀土绿碳化硅，具有更优良的绿色外观，使其颜色类同于普通绿碳化硅，和/或具有更高的晶粒密度、晶粒具有更少的晶界和缺陷密度，以及更高的硬度，更强的韧性，更高的抗压和机械强度，和更优良的耐高温、耐腐蚀性能、更好的高温烧结性能。

本发明发现，含有微量稀土氯化物的稀土绿碳化硅，其稀土氯化物含量的高低，能够指示所述的稀土绿碳化硅的品质和性能的相对优劣：稀土氯化物的含量越低，所述的稀土绿碳化硅的品质和性能越好，而稀土氯化物的含量越高，所述的稀土绿碳化硅的品质和性能越差。因此，含有微量的稀土氯化物的稀土绿碳化硅，可以通过测定其氯化物或氯的含量，来监测和控制其质量，从而极大地提高其工业应用的价值。