氮化硅结合碳化硅耐火材料的耐磨性及锋利性研究

许远超 郑 翰 万龙刚 陈 卢 许海洋

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室 河南洛阳471039

氮化硅结合碳化硅耐火材料耐腐蚀性强，抗热震性好，导热性和力学性能优异，在1 350～1 500℃具有优异的抗氧化性能［1－4］。此外，与其他非氧化物耐火材料相比，如反应烧结碳化硅、重结晶碳化硅、反应烧结碳化硼等材料，氮化硅结合碳化硅耐火材料具有显著的价格优势［5－9］。因此，其被广泛应用于有色、钢铁、石化、陶瓷、汽车、煤炭、节能环保等领域［10－13］。氮化硅结合碳化硅耐火材料在耐磨性方面也具有显著优势。除了高铝质耐火材料外，其他类耐火材料的耐磨性能显著低于氮化硅结合碳化硅耐火材料的［14］。因此，氮化硅结合碳化硅耐火材料作为耐磨材料具有更广泛的用途［15］。

氮化硅结合碳化硅耐火材料作为设备零部件也越来越受到关注。该材料与传动设备发生相对运动，将磨损传动设备，降低设备使用寿命。既要减少氮化硅结合碳化硅耐火材料作为磨料对传动设备的危害，又要保持自身的强耐磨性能是新的研究课题。降低氮化硅结合碳化硅耐火材料对传动设备的危害，本质上是减少材料自身的锋利性。一般情况下，材料的锋利性与材料的硬度、粒度有关，材料越硬、粒度越大，材料的锋利性越好，反之锋利性越差。对于组分相近的氮化硅结合碳化硅而言，材料的硬度相同，区别在于粒度不同。分析发现，市售氮化硅结合碳化硅材料中对传动设备磨损程度最大的物质是碳化硅颗粒，加剧了工件的磨损。本工作中通过减少材料中碳化硅颗粒含量，大幅度增加单质硅含量来研究氮化硅结合碳化硅耐火材料的耐磨性及锋利性，以期研究出既对传送部件磨损小，自身又耐磨损的特种氮化硅结合碳化硅耐火材料。

1 试验

采用高纯碳化硅（粒度分别为≤2.5、≤0.5 mm和≤48μm，碳化硅的质量分数≥98.6%）、单质硅粉（粒度≤48μm，硅的质量分数为99.4%）为原料，树脂为结合剂。

试样配比见表1。

表1 试样配比

分别按照表1中的方案S1、S2配料，加入结合剂混合均匀，在100 MPa压力下分别成型为φ50 mm×50 mm、25 mm×25 mm×150 mm的试样。试样干燥48 h后，在氮气气氛下、1 400℃保温5 h烧成。试样S0取自中钢洛耐院生产的氮化硅结合碳化硅炉腹砖。

按照相关标准检测了试样的显气孔率及体积密度（GB/T 2997—2000）、常温耐压强度（GB/T 5072—2008）、常温抗折强度（GB/T 3001—2007）、热导率（GB/T 22588—2008）、透气性（GB/T 3000—1999）和常温耐磨性（GB/T 18301—2012）。利用XRD衍射仪和扫描电镜分别分析了试样的物相组成和显微结构。以试样对其他工件磨损后的平整度判断其锋利性。

2 结果与讨论

2.1 物相组成

试样的XRD图谱见图1。由图1可以看出，单质硅含量增加，试样中氮化硅的含量增加，试样S0存在少量残余的单质硅，试样S1和试样S2中不存在单质硅。这是因为单质硅的含量增加，氮化过程放热更多，氮化温度更高，促进单质硅氮化更完全。试样S0和试样S2均氮化生成了少量氧氮化硅，试样S1没有生成氧氮化硅。可能是因为氮化过程中，试样内部温度均匀性较差，导致微观状态下存在以下两种情况：在满足热力学条件下的区域生成了氧氮化硅；反之，不生成氧氮化硅。总之，试验条件下，单质硅的量增加后，试样的氮化率均较高，单质硅的残余量较少。

图1 试样的XRD图谱

2.2 物理性能

表2示出了添加不同量单质硅试样的物理性能。可以看出：1）单质硅含量增加，试样的致密度降低，常温抗折强度相近。2）试样的耐磨性相近，试样S1的耐磨性较高，试样S0和试样S2的耐磨性几乎相等。3）单质硅含量增加，试样的透气度显著降低。这是由于单质硅氮化生成氮化硅，体积增加约1.25倍，单质硅的加入量增加，气孔填堵更充分，因而试样的透气度越低。结合物相组成分析可知，透气度高的试样S0存在残硅，透气度低的试样不存在残硅。

表2 试样的物理性能

2.3 显微结构

图2示出了试样的显微结构。

图2 试样的显微结构

如图2（a）所示，试样S0中单质硅氮化生成大量的粒状晶粒，为难以区分的氮化硅与氧氮化硅的混合体，粒状晶粒之间及粒状晶粒与碳化硅颗粒之间充分黏连，有利于形成大气孔，增加材料的透气性。因此，试样S0表现优异的强度、耐磨性，以及较高的透气性。如图2（b）所示，试样S1中单质硅氮化生成了具有典型特征的纤维状晶须，而氮化硅纤维状晶须的强度远大于粒状结构的，且氮化硅的生成量大于试样S0的，纤维状晶须在三维空间交联，形成的气孔较小，不利于材料的透气性。因此，试样S1表现出优异的强度、耐磨性，以及较低的透气性。如图2（c）所示，单质硅氮化生成大量棉絮状氮化硅晶须，充分附着在碳化硅颗粒表面，形成的气孔更小，不利于材料的透气性。试样S2中棉絮状氮化硅晶须与碳化硅颗粒的接触面积显著大于试样S1的，弥补了试样S2晶须强度、晶须直径远小于试样S1的不足。因此，试样S2表现出优异的强度、耐磨性，以及较低的透气性。可见，随着单质硅含量的增加，生成的粒状结构的晶粒减少，纤维状氮化硅含量增加，纤维的长度变短、直径变小，材料透气度急剧下降。

图3为试样的断口形貌。3种试样中的碳化硅颗粒均表现出穿晶断裂，表明3种试样的结合强度在50 MPa以上时，材料结合强度足够大，结合相能够牢牢将碳化硅颗粒固定，表现出优异的强度及耐磨性能。

图3 试样断口的形貌

图4示出了试样耐磨试验后的外观照片。分析试样作为磨料时对其他工件的磨损性，即锋利性。试样S0中碳化硅颗粒大、保存完好，表面凹凸不平，平整度差，表明试样S0结合相耐磨性差，易磨损，颗粒物棱角保持完好，锋利性强。试样S1中碳化硅颗粒较小，棱角明显并出现断裂，碳化硅颗粒之间存在狭缝，平整度较差，其锋利性弱于试样S0的。试样S2的碳化硅颗粒出现断裂，表面平整致密，其锋利性最差。综上所述，增加单质硅的加入量，降低碳化硅的粒度及加入量对材料的锋利性影响显著。总的来说，试样S2的锋利性最差，试样S1次之，试样S0的最强。从保护工件的角度而言，试样S2最优，试样S1次之，试样S0最差。

图4 试样耐磨试验后的外观照片

3 结论

单质硅的含量增加后，材料的氮化率均较高，单质硅的氮化充分，残余量较少。增加单质硅的加入量，降低碳化硅的粒度及加入量，对材料的强度及耐磨性影响较小，均表现出优异的强度及耐磨性。但其对材料的锋利性影响显著，试样S2的锋利性最差，试样S1的次之，试样S0的最强。从保护工件的角度而言，试样S2最优，试样S1次之，试样S0最差。