氮化硅结合碳化硅耐磨材料在矿山机械的应用

赵军伟，常永强，聂 飞，林 峰

(1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006；2.中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029；3.郑州市飞雪陶瓷粉体有限公司，河南 郑州 450000)

经过建国60多年的建设与发展，我国矿产资源开发利用水平有了很大提高，但矿山企业先进与落后并存，出现了一些代表世界先进水平的矿产资源开发利用设备，如600万t级重大综采装备、超大型浮选机、SLon高梯度磁选机等，但矿山装备总体水平仍与矿业发达国家尚有一定差距，特别是在矿山机械及自动化方面[1]。除了制造工艺和电子控制之外，我国矿山机械制造中存在的核心问题是机械的材料材质研究和应用仍较落后。随着矿产资源开发难度加大，对高效矿山机械的要求越来越高。

许多矿山采选机械因为连续不断的工作，不可避免地会产生强烈的磨损而迅速失效，除了机械运动部位的磨损之外，矿山作业环境中更重要的是物料的摩擦、腐蚀加剧了机械的磨损，不但造成部件更换的经济损失，而且频繁检修也导致过多停工，降低连续作业率，消耗大量人力物力，有时一些磨损的机械碎屑进入物料还影响产品品质。因此，大力研究开发新型耐磨材料以延长矿山设备的使用寿命具有重要意义。

目前矿山机械上常用的抗磨损材料可分为三大类：金属和金属化合物(如具有特殊性质的合金钢)、陶瓷及其复合材料和塑料(特别是橡胶和聚氨酯化合物)[2]。

由氮化硅结合碳化硅制造的陶瓷材料是一种较为优异的结构，具有较高的强度和硬度、较小的线性膨胀系数，能抵抗高温氧化及侵蚀性介质的作用，抗高温蠕变性好，因而广泛地应用于磨具、冶金耐火材料和日用、电子陶瓷等行业[3]。但是，氮化硅结合碳化硅耐磨耐高温耐腐蚀材料在矿山机械中的应用却不多见。

1 氮化硅结合碳化硅材料的生产制备

氮化硅结合碳化硅属于非氧化物陶瓷材料。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷材料原子间主要是以共价键结合在一起，因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力，并且能把这些性能的大部分保持到高温，这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难，必须在极高温度(1500～2500℃)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品，有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度，所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。

氮化硅结合碳化硅材料是针状或纤维状Si3N4将细粒SiC包裹与碳化硅形成的机械结合。目前，氮化硅结合碳化硅作为陶瓷窑炉用耐火材料已被应用，并逐步取代了黏土结合碳化硅和氧化物结合碳化硅材料，又因其价格偏中，因而和再结晶或重结晶碳化硅相比，更有市场前景[3]。

Si3N4与SiC的性能接近，具有较高的热稳定性和化学稳定性，是SiC材料的理想结合相。Si3N4和SiC均为强共价键化合物，所以Si3N4-SiC材料有很好的抗折强度，且表面氧化后可形成致密氧化物保护膜，阻止氧化的进一步进行，具有较好的抗氧化性。目前生产Si3N4-SiC材料普遍采用的反应烧结法工艺是在SiC原料中掺入Si粉，成型后在氮气气氛中烧成(1200～1400℃)。反应生成的纤维状Si3N4将SiC颗粒紧密地结合在一起，形成致密块体[4]。

国内氮化硅结合碳化硅产品面临着两大关键技术难题:①现有的摩擦压砖机成型技术很难使坯体密度增加并很难使坯体密度沿厚度方向保持均匀分布；②采用常规的氮化烧成工艺很难使大规格制品芯部氮化完全[5]。

一般反应烧结法只能在很高温度，甚至热压及在N2气氛下进行烧结。这种方法的生产成本较高、生产工艺和控制复杂而难以实现规模化大生产，因而只有高技术陶瓷行业采用。为降低烧结降低成本，以Si3N4和SiC为原料，在氧化气氛和较低温度下能利用普通窑炉进行Si3N4/SiC复合材料生产的逆反应烧结新工艺发展很快。最佳的烧结工艺是50℃/h的升温速率，在800℃左右进行4 h以上的保温，然后在1450℃再烧结2 h，该工艺可以获得较高比强度及密度增加率和适中残氮率的氮化硅结合碳化硅材料[6]。

2 氮化硅结合碳化硅材料的性能

氮化硅结合碳化硅材料主要特点是：高温强度高；导热性能好；抗氧化、抗热震性能好，且耐腐蚀、抗高温蠕变性好。

氮化硅结合碳化硅陶瓷材料莫氏硬度约为9，仅次于金刚石和立方氮化硼，其使用寿命是铬钼(Cr15Mo3)耐磨铸钢的3倍；性价比要比采用铬钼耐磨铸钢高得多，且节约大量贵重的铬、钼等贵重的金属材料。氮化硅结合碳化硅陶瓷材料可抵抗除氢氟酸(HF)以外的所有强弱酸的腐蚀，尤其是硫酸及大部分熔盐、常温卤素和碱的腐蚀。

氮化硅、碳化硅类材料性能远远高于氧化铝陶瓷,氧化铝陶瓷的冲击磨损量约为碳化硅、氮化硅类材料的10倍,其球磨磨损量更高达20倍[7]。

氮化硅/碳化硅陶瓷材料形状可控。反应烧结形成氮化硅/碳化硅陶瓷材料是一个近尺寸过程，即在材料的制备过程中材料的形状和尺寸几乎不变化(烧成收缩为0.1%～0.5%)，这大大有利于制备复杂形状的陶瓷构件[8]。氮化硅/碳化硅陶瓷材料生产的系列脱硫喷嘴，喷嘴、喷头表明，氮化硅/碳化硅成型技术已相当成熟。

另外，氮化硅/碳化硅陶瓷材料不含铁、钛等成分，对于忌讳铁质污染的非金属矿材料粉碎、分级、输送等制备过程极为有利。

3 氮化硅结合碳化硅材料在矿山机械中的应用

近年来，新材料和新工艺的运用是推动矿山机械技术进步的一个主要的因素。氮化硅结合碳化硅材料的性能更适合用于矿山机械的易磨损部位，特别是在腐蚀、高温作业环境下。

矿山用砂浆泵用于采矿、清淤，输送尾、精矿砂、灰渣、煤泥等强磨蚀、高浓度渣浆或腐蚀性渣浆，要求具有很高的耐磨或耐腐蚀性能。目前国内大部分渣浆泵的耐磨零部件材质均采用高铬铸铁，使用寿命约1～2个月。为了提高使用寿命，泵用材料经历了从铸铁到特种金属合金、橡胶制品、再到工程塑料、陶瓷等典型非金属材料的过程。改性聚氨酯弹性体可将砂泵使用寿命延长3～10倍；而氮化硅结合碳化硅材料除了作叶轮、泵壳外还可用作密封件，可提高使用寿命10至数十倍，目前国内已有使用进口氮化硅结合碳化硅陶瓷材料叶轮的实例。国内生产此类泵的厂家罕见。

重介质旋流器对原煤的分选是在复杂的多相流形成的复杂的速度、密度场中来完成的，因此旋流器内壁的磨损形式是十分复杂的，强烈的冲蚀磨损中包含着撞击磨损、微切削磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损，除此之外，旋流器的内壁磨损还受入料压力、原煤粒度大小、颗粒形状、硬度等多种因素的影响。氮化硅结合碳化硅陶瓷可用于对其衬里原料的优化[9]。

氮化硅结合碳化硅陶瓷还可以用于水力旋流器的沉砂口和内衬、喷嘴、耐磨板、瓦和衬以及弯头。国外阿兰克斯(Alanx)公司生产的碳化硅复合材料，主要用于制作冲击和其他应力都最小的水力旋流器沉砂口[2]，磨损速度远远低于常用的橡胶件，寿命为橡胶件的5～8倍，水力旋流器给料泵机件的单位修理费与上年同期相比降低了58%，还节省劳动工资和磨损环的费用。该公司还进一步计划将碳化硅复合材料用于水力旋流器给料盘和棒磨机给料溜槽衬里。青岛地平线矿山机械有限公司生产的“节能、环保、经济、高效”耐磨碳化硅系列新产品，包括旋流器、耐磨管件。

氮化硅结合碳化硅陶瓷也是挖掘机斗齿等耐磨部位的理想材料。

4 应用前景展望

氮化硅结合碳化硅材料在耐火材料、磨料磨具行业应用已经相当广泛，但由于行业隔阂，在矿山机械上的应用尚需更新观念，积极尝试。

目前，氮化硅结合碳化硅陶瓷还需要在产品结构的均匀性、良好的冲击韧性、与其他部件的连接方面进一步提高。另外，作为陶陶瓷材料的最大缺点是韧性低，使用时会产生不可预测的突然性断裂。碳化硅晶须-氮化硅可有效改善陶瓷韧性。纳米Si3N4/SiC 复合材料、碳化硅及氮化硅加入稀土、氧化物活化剂(A1203、Y203等)有利于改善常温抗折强度和常温耐压强度，大大缩短烧结时间。

氮化硅结合碳化硅材料还应该在成型技术和粘结、喷涂工艺，降低生产成本等方面努力，以提高在矿山机械应用中的灵活性和适用范围。

今后，我国要在大力提高机械制造工艺、研制高性能矿山机械，如大型超大型节能高效矿山机械、复合力场选矿设备等的同时，借鉴航空航天、电子高科技、化工、耐火、磨料等其他领域的最新成果，加强包括耐磨材料在内的机械材质的不断更新和发展，以更好地实现机械性能、提高机械作业率，为矿产资源的节约、高效、综合利用提供技术保障。

[1] 赵军伟.提高矿产开发利用效率之我见[J].中国国土资源经济，2012(2):46-49.

[2] 美国《工程与采矿杂志》编辑部.抗磨损材料述评[J].国外金属矿山，1994(2):75-81，28.

[3] 刘景林.由碳化硅及氮化硅制造的陶瓷材料的强度[J].耐火与石灰，2007，32(4):18-19.

[4] 乐红志,彭达岩,文洪杰.氮化物结合碳化硅耐火材料的研究现状[J].耐火材料,2004,38(6):435-438.

[5] 肖寿仁.氮化物结合碳化硅耐火材料的研制及其现状[J].冶金能源,2007,26(1):44-48.

[6] 吴宏鹏,洪彦若,孙家林.逆反应烧结制备碳化硅/氮化硅复合材料的工艺[J].硅酸盐学报,2005,33(1):1-6.

[7] 张林.耐磨非金属材料在旋流器中的应用[J].选煤技术,2004(1):27-29.

[8] 周曦亚,凡波,郑睿.反应烧结形成氮化硅/碳化硅材料[J].中国陶瓷工业,2004,11(2):40-42.

[9] 张力强.粉体粒度对重介质旋流器氧化铝陶瓷衬里耐磨性的影响[J].煤炭技术，2010,29(1):134-137.