氮化硅結合碳化硅材料的特性及應用范圍*

侯撐選

(咸陽陶瓷研究設計院 陜西 咸陽 712000)

1 簡介

氮化硅結合碳化硅制品是一種以碳化硅砂為主要原料，以氮化硅為結合相的高級耐火材料。由于SiC、Si3N4都是共價鍵化合物，燒結困難, 在工業生產中通常采用反應燒結的方法制備。以SiC為骨料, 添加金屬硅粉, 選用合理的顆粒級配、混練制度和成形工藝, 干燥后的坯體在專用的燒成設備中，氮氣氣氛燒成。在燒成過程中, 生成的Si3N4(基質結合相)為灰白色晶體, 它能有效地將SiC 顆粒(骨料)結合在一起, 形成空間網絡結構, 從而使得制品具有其他耐火材料不可比擬的特性。氮化硅結合碳化硅材料是國外發達國家如美國的Norton、Carborundum公司，德國的Annawevrk、HTK公司，日本TKR、NGK公司等于20世紀70年代應用于砂輪、陶瓷、電瓷等行業的一種碳化硅特種制品。該材料于20世紀80年代中期引入我國，歷經多年的推廣及應用，逐漸了解氮化硅結合碳化硅材料的優越性能。

2 性能

氮化硅結合碳化硅材質的高溫抗折強度是普通耐火材料的4～8倍;熱膨脹系數是高鋁耐火材料的一半;導熱系數是一般耐火材料的7～8倍，強度隨溫度的升高而提高, 溫度升至1 400 ℃ 時, 強度開始下降；但溫度降至1 500 ℃ 時仍保持常溫抗折強度指標，該材料的熱傳導率隨溫度的升高而逐漸降低，具有密度大、強度高、熱震穩定性好、荷重軟化點高、導熱性好、電阻值高等特點, 并且具有優良的抗冰晶石、氟化鋁、氟化鈉及氟化鈣等熔化侵蝕性和抗氧化性。現將其性能描述如下：

1)氮化硅結合碳化硅制品質地堅硬，莫氏硬度約為9，在非金屬材料中屬于高硬度材料，其硬度僅次于金剛石。

2)氮化硅結合碳化硅制品的常溫強度高，在1 200～1 400 ℃高溫下幾乎保持與常溫相同的強度和硬度。隨著使用氣氛的不同，最高安全使用溫度可達到1 650～1 750 ℃。

3)熱膨脹系數小，相對于碳化硅等制品熱導率高，不易產生熱應力，具有良好熱震穩定性，使用壽命長。高溫抗蠕變能力強，耐腐蝕，耐極冷極熱，抗氧化，易制成尺寸精度高符合要求的制品。

3 應用

3.1 陶瓷行業

3.1.1 建筑衛生陶瓷行業

現階段在陶瓷產品的燒成中，大多使用輥道窯燒成衛生陶瓷和墻地磚,而輥道窯的輥棒基本為氮化硅結合碳化硅材質。氮化硅結合碳化硅輥棒的應用解決了燒成溫度高、荷重大這一難題，有效地降低了產品能耗,提高了產品質量。

3.1.2 日用陶瓷行業

日用陶瓷的燒成有兩種方式：一種是用匣缽或類似的窯具使用梭式窯燒成；另外一種是與建筑衛生瓷燒成相同采用輥道窯燒成。采用氮化硅結合碳化硅材質的窯具可明顯降低窯具與制品的質量比,節能降耗,同時還能提高產品的質量及合格率。使用輥道窯燒成日用陶瓷,采用氮化硅結合碳化硅輥棒提高了窯爐的使用壽命。

3.1.3 電瓷和電子陶瓷行業

電瓷和電子陶瓷行業需高溫高強度、熱穩定性好、使用壽命長、價格適宜的窯具材料，這為氮化硅結合碳化硅材質窯具的應用提供了廣闊的市場。

3.2 冶金行業

3.2.1 煉鋁、銅、鋅等行業

采用優質氮化硅結合碳化硅材料取代傳統的碳素材料在電解槽側墻上使用，還可作為測溫熱電偶套管、煉鋁熔煉爐爐襯、盛鋁液的“包子”內襯、坩堝、輸送鋁液的泵、管道、閥們、鑄鋁的模具、成形汽車輪轂的升液管等。

3.2.2 煉鋼及軋鋼行業

煉鋼新技術、新工藝的應用，對鋼包用耐火材料提出了更高的要求，鋼包內襯從原來占主導地位的高鋁磚等，轉向耐腐蝕性更好的材料氮化硅結合碳化硅材料。在歐美等發達國家先后應用于鋼包中，取得了顯著的經濟效益。氮化硅作為耐火材料在煉鋼行業中應用的最重要用途是用作水平連鑄造的分離環。此外，還有許多工業爐窯，為了防止其某些部件的過熱損毀，常常采用水冷措施，用于水冷管滑軌系統最好的材質便是氮化硅結合碳化硅材料制品。

3.2.3 煉鐵行業

近年來,高爐用氮化硅結合碳化硅制品有很快的發展，國外已有約61%的高爐采用,特別是爐缸直徑為12～15 m的大型高爐采用的已有68%。據統計,在過去10年中,有127座高爐里砌上了3 500 t以上的此類優質制品,多數高爐的使用量為每座270～800 t,使用部位從風口、爐腹、爐腰到爐身下中部等。

3.2.4 金屬熱處理行業

金屬熱處理的工作條件有各種各樣，而且工況較為惡劣。雖然氮化硅陶瓷不一定適用于各種狀況，但在一定條件下，氮化硅陶瓷卻有良好的使用效果。例如：齒輪淬為設備上的心軸，在真空熱處理中作為工件的夾具和發熱體的鉤等。

4 環保行業

目前在環境保護行業中，作為脫硫脫硝工程中的噴嘴絕大多數都是由氮化硅結合碳化硅材料制作的，使用該材料成形制作的噴嘴具有尺寸精確、耐腐蝕、耐沖刷性能好、霧化性能優良，而且使用壽命較長等優越性能。目前國內外脫硫脫硝噴嘴的用量在逐年遞增。

5 結論

氮化硅結合碳化硅材料以其密度大、強度高、熱震穩定性好、荷重軟化點高、導熱性好、電阻值高, 并且具有優良的抗冰晶石、氟化鋁、氟化鈉及氟化鈣等熔化侵蝕性和抗氧化性等特性, 在建筑衛生陶瓷、日用陶瓷、電瓷、有色冶煉、煉鋼軋鋼、煉鐵、熱處理、環境保護等行業中起著越來越不可代替的作用。