Il carburo di silicio (SiC) è ampiamente utilizzato nella produzione di crogioli grazie alle sue eccezionali proprietà termiche, meccaniche e chimiche. I crogioli in SiC sono particolarmente apprezzati nelle applicazioni ad alta temperatura, come la fusione dei metalli, la crescita dei cristalli (ad esempio, lingotti di silicio) e la lavorazione chimica . Di seguito è riportata una panoramica dettagliata dei crogioli in SiC, inclusi i loro vantaggi, tipologie, metodi di produzione e applicazioni.
1. Perché utilizzare il carburo di silicio per i crogioli?
Proprietà principali dei crogioli in SiC:
Elevata conduttività termica (~120 W/m·K) – Garantisce un riscaldamento uniforme e un trasferimento di calore efficiente.
Eccellente resistenza agli shock termici : può sopportare rapidi sbalzi di temperatura senza screpolarsi.
Alto punto di fusione (~2.700 °C) – Adatto a processi a temperature estreme.
Inerzia chimica : resiste alla corrosione dei metalli fusi (ad esempio alluminio, rame, zinco) e degli ambienti acidi/alcalini.
Resistenza meccanica : la durezza (~9,5 Mohs) e la rigidità impediscono la deformazione sotto carico.
Lunga durata : più durevoli dei crogioli in grafite o argilla-grafite in molte applicazioni.
2. Tipi di crogioli SiC
(A) Crogioli in SiC sinterizzato (SSiC)
Realizzato mediante sinterizzazione senza pressione o pressatura a caldo di polvere di SiC ad alta purezza.
Vantaggi : elevata densità, resistenza meccanica superiore ed eccellente conduttività termica.
Applicazioni : crescita di cristalli semiconduttori (ad esempio, monocristalli di silicio), fusione di metalli ad alta purezza.
(B) Crogioli in SiC con legame di reazione (RB-SiC)
Prodotto infiltrando una preforma di carbonio porosa con silicio fuso, formando SiC tramite reazione.
Vantaggi : costo inferiore rispetto a SSiC, buona resistenza agli shock termici.
Svantaggi : contiene silicio libero (~8-15%), riducendo la resistenza chimica in alcuni ambienti.
Applicazioni : fusione di metalli non ferrosi (ad esempio alluminio, ottone).
(C) Crogioli in SiC legati con argilla
Prodotto mescolando granuli di SiC con leganti argillosi e cuocendoli.
Vantaggi : più economico, più facile da produrre.
Svantaggi : minore conduttività termica e resistenza rispetto al SiC puro.
Applicazioni : Fonderie per la fusione di metalli non ferrosi.
3. Processo di fabbricazione dei crogioli SiC
Preparazione della polvere : viene selezionata polvere di SiC ad alta purezza (solitamente α-SiC per la sinterizzazione).
Formazione :
Pressatura isostatica (per SSiC) o colata a barbottina (per RB-SiC).
Per i crogioli legati all’argilla si utilizza la tradizionale pressatura o estrusione.
Sinterizzazione/Legame di reazione :
SSiC : sinterizzato a ~2.000°C in atmosfera inerte.
RB-SiC : riscaldato a ~1.600 °C a contatto con il silicio.
Lavorazione e finitura : rettifica con dimensioni precise.
Controllo qualità : test di densità, porosità e resistenza agli shock termici.
4. Applicazioni dei crogioli SiC
| Industria | Applicazione | Tipo di SiC preferito |
|---|---|---|
| Metallurgia | Fusione di leghe di alluminio, rame, zinco | RB-SiC, legato con argilla |
| Semiconduttori | Crescita di cristalli di arseniuro di silicio/gallio | SSiC (alta purezza) |
| Gioielli/Vetro | Fusione di metalli preziosi, fusione del vetro | RB-SiC, SSiC |
| Chimico | Reazioni chimiche corrosive | SSiC (alta resistenza) |
5. Confronto con altri materiali del crogiolo
| Materiale | Temperatura massima | Shock termico | Resistenza chimica | Costo |
|---|---|---|---|---|
| SiC (SSiC) | ~2.700°C | Eccellente | Eccellente | Alto |
| Grafite | ~3.000°C | Bene | Scarso (si ossida all’aria) | Medio |
| Allumina (Al₂O₃) | ~1.800°C | Moderare | Bene | Basso |
| Quarzo | ~1.200°C | Povero | Ottimo (ma fragile) | Medio |
→ Il SiC è preferito quando sono essenziali elevata resistenza agli shock termici e durevolezza.