氮化硅结合碳化硅材料的特性及应用范围*

2014-02-11侯撑选

陶瓷 2014年8期

侯撑选

(咸阳陶瓷研究设计院陕西咸阳 712000)

1 简介

氮化硅结合碳化硅制品是一种以碳化硅砂为主要原料，以氮化硅为结合相的高级耐火材料。由于SiC、Si3N4都是共价键化合物，烧结困难, 在工业生产中通常采用反应烧结的方法制备。以SiC为骨料, 添加金属硅粉, 选用合理的颗粒级配、混练制度和成形工艺, 干燥后的坯体在专用的烧成设备中，氮气气氛烧成。在烧成过程中, 生成的Si3N4(基质结合相)为灰白色晶体, 它能有效地将SiC 颗粒(骨料)结合在一起, 形成空间网络结构, 从而使得制品具有其他耐火材料不可比拟的特性。氮化硅结合碳化硅材料是国外发达国家如美国的Norton、Carborundum公司，德国的Annawevrk、HTK公司，日本TKR、NGK公司等于20世纪70年代应用于砂轮、陶瓷、电瓷等行业的一种碳化硅特种制品。该材料于20世纪80年代中期引入我国，历经多年的推广及应用，逐渐了解氮化硅结合碳化硅材料的优越性能。

2 性能

氮化硅结合碳化硅材质的高温抗折强度是普通耐火材料的4～8倍;热膨胀系数是高铝耐火材料的一半;导热系数是一般耐火材料的7～8倍，强度随温度的升高而提高, 温度升至1 400 ℃ 时, 强度开始下降；但温度降至1 500 ℃ 时仍保持常温抗折强度指标，该材料的热传导率随温度的升高而逐渐降低，具有密度大、强度高、热震稳定性好、荷重软化点高、导热性好、电阻值高等特点, 并且具有优良的抗冰晶石、氟化铝、氟化钠及氟化钙等熔化侵蚀性和抗氧化性。现将其性能描述如下：

1)氮化硅结合碳化硅制品质地坚硬，莫氏硬度约为9，在非金属材料中属于高硬度材料，其硬度仅次于金刚石。

2)氮化硅结合碳化硅制品的常温强度高，在1 200～1 400 ℃高温下几乎保持与常温相同的强度和硬度。随着使用气氛的不同，最高安全使用温度可达到1 650～1 750 ℃。

3)热膨胀系数小，相对于碳化硅等制品热导率高，不易产生热应力，具有良好热震稳定性，使用寿命长。高温抗蠕变能力强，耐腐蚀，耐极冷极热，抗氧化，易制成尺寸精度高符合要求的制品。

3 应用

3.1 陶瓷行业

3.1.1 建筑卫生陶瓷行业

现阶段在陶瓷产品的烧成中，大多使用辊道窑烧成卫生陶瓷和墙地砖,而辊道窑的辊棒基本为氮化硅结合碳化硅材质。氮化硅结合碳化硅辊棒的应用解决了烧成温度高、荷重大这一难题，有效地降低了产品能耗,提高了产品质量。

3.1.2 日用陶瓷行业

日用陶瓷的烧成有两种方式：一种是用匣钵或类似的窑具使用梭式窑烧成；另外一种是与建筑卫生瓷烧成相同采用辊道窑烧成。采用氮化硅结合碳化硅材质的窑具可明显降低窑具与制品的质量比,节能降耗,同时还能提高产品的质量及合格率。使用辊道窑烧成日用陶瓷,采用氮化硅结合碳化硅辊棒提高了窑炉的使用寿命。

3.1.3 电瓷和电子陶瓷行业

电瓷和电子陶瓷行业需高温高强度、热稳定性好、使用寿命长、价格适宜的窑具材料，这为氮化硅结合碳化硅材质窑具的应用提供了广阔的市场。

3.2 冶金行业

3.2.1 炼铝、铜、锌等行业

采用优质氮化硅结合碳化硅材料取代传统的碳素材料在电解槽侧墙上使用，还可作为测温热电偶套管、炼铝熔炼炉炉衬、盛铝液的“包子”内衬、坩埚、输送铝液的泵、管道、阀们、铸铝的模具、成形汽车轮毂的升液管等。

3.2.2 炼钢及轧钢行业

炼钢新技术、新工艺的应用，对钢包用耐火材料提出了更高的要求，钢包内衬从原来占主导地位的高铝砖等，转向耐腐蚀性更好的材料氮化硅结合碳化硅材料。在欧美等发达国家先后应用于钢包中，取得了显著的经济效益。氮化硅作为耐火材料在炼钢行业中应用的最重要用途是用作水平连铸造的分离环。此外，还有许多工业炉窑，为了防止其某些部件的过热损毁，常常采用水冷措施，用于水冷管滑轨系统最好的材质便是氮化硅结合碳化硅材料制品。

3.2.3 炼铁行业

近年来,高炉用氮化硅结合碳化硅制品有很快的发展，国外已有约61%的高炉采用,特别是炉缸直径为12～15 m的大型高炉采用的已有68%。据统计,在过去10年中,有127座高炉里砌上了3 500 t以上的此类优质制品,多数高炉的使用量为每座270～800 t,使用部位从风口、炉腹、炉腰到炉身下中部等。

3.2.4 金属热处理行业

金属热处理的工作条件有各种各样，而且工况较为恶劣。虽然氮化硅陶瓷不一定适用于各种状况，但在一定条件下，氮化硅陶瓷却有良好的使用效果。例如：齿轮淬为设备上的心轴，在真空热处理中作为工件的夹具和发热体的钩等。