礦山機械中氮化硅結合碳化硅耐磨材料的應用

摘 要：在我國，機械的材料材質一直都是礦山機械制造的核心問題之一。與耐磨鑄鋼相比，碳化硅的硬度比其大很多，其典型的特點是高度的耐磨性、耐高溫性與高度耐腐蝕性，此材質可以用來制作旋流器、砂漿泵、挖掘機等一些耐磨的部件，為了將礦山機械很好的應用于實際操作中，需要不斷地優化產品的結構，包括其均勻性、沖擊韌性、以及同其他部件之間的連接性能等。

關鍵詞：礦山機械；氮化硅結合碳化硅耐磨材料；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.013

由于很多礦山會保持機械持續工作的狀態，因此機械會因為長時間的磨損出現迅速失效的情況，加入比磨損掉的殘渣不慎落入到材料中就會對產品的質量產生一定的影響。現階段，為了將礦山設備的使用壽命延長，就要對新型耐磨材料進行大力研究開發，此種做法具有極強的現實意義。陶瓷材料是由氮化硅結合碳化硅制造而成的，其結構比較優異，此材料的強度和硬度都比較強，線性膨脹系數也較低，具有極強的抗高溫氧化能力，此外還具有侵蝕性介質的作用，具有良好的抗高溫蠕變性，所以磨具、冶金耐火材料和日用、電子陶瓷等行業都會大量使用此材料[1]。然而，在礦山機械中，不常見氮化硅結合碳化硅耐磨耐高溫耐腐蝕材料的應用實例。

1 氧化硅結合碳化硅耐磨材料的特性

1.1 抗折強度較強

與粘土碳化硅制品的抗折強度相比，氮化硅結合碳化硅復合材料室溫的抗折強度相當于它的兩倍。因為無定形相是不包含在內的，如果溫度在1200- 1400℃間，其強度就會有所增加，與其粘土碳化硅，其強度是它的9倍。

1.2 抗氧化性良好，具有較強的耐腐蝕性和耐磨損性

與金剛石、立方氮化硼、碳化硼等物質相比，氮化硅、碳化硅的顯微硬度是略小于他們的硬度，除此之外，氮化硅的摩擦系數相對較小，同時其自身具有一定的自潤滑性，因此，氮化硅結合碳化硅材料的化學性能較好，除了氫氟酸，其可以承受幾乎所有的無機酸和某些堿液腐蝕，粘土碳化硅制品與其相比，抗氧化性就不太理想。對于熔融有色金屬的侵蝕氮化硅結合碳化硅是具有一定的抵抗力的，鋁和鋁合金熔液都不能將其潤濕，高溫電具有較好的絕緣性能。

1.3 高溫抗蠕變性比較好

在制造過程中，氮化硅結合碳化硅復合材料會出現尺寸變化，并且會控制在1%以下，同時因為缺少玻璃相，因耐火材料高溫變形的情況不會出現，因此也不會出現制品變形和廢品[2]。

1.4 抗熱震性較好

碳化硅的導熱性能是非常好的，氮化硅的熱膨脹率是非常低的，因此氮化硅結合碳化硅復合材料就具有較好的抗熱震性能。在冷熱循環使用的整個過程中，尺寸發生的變化較小，將溫度由1300℃冷卻到20℃或者對其進行數百次的加熱循環其也不會受到破壞。這種情況況下，可以不用擔心窯具被破壞，可以將燒成周期大大縮短。

2 氮化硅結合碳化硅材料的生產

氮化硅結合碳化硅的性質是非氧化物陶瓷材料。與氧化物陶瓷相比，其存在不同的特點，共價鍵之間的結合是非氧化物陶瓷材料原子間的主要形態，所以其硬度、模量、蠕變抗力都是很強的，此外，這些性能可以在高溫狀態下繼續存在，這些優勢是氧化物陶瓷不能相比的。氮化硅結合碳化硅材料是一種機械結合，即是針狀或纖維狀Si3N4包裹了細粒SiC并與碳化硅結合形成的。現階段，氮化硅結合碳化硅已經成為了陶瓷窯爐主要的耐火材料，并且已經被廣泛的應用了，孰土結合碳化硅和氧化物結合碳化硅材料逐漸被取代，此外，由于其價格適中，因而其與再結晶或重結晶碳化硅相比，市場前景更加廣闊。

3 礦山機械中氮化硅結合碳化硅耐磨材料的應用

現階段，礦山機械技術獲得進步的一個主要因素是新材料和新工藝的廣泛運用。礦山機械的易磨損部位更適合使用氮化硅結合碳化硅材料，尤其是作業環境下有腐蝕、高溫情況更適合使用此類材料。

3.1 在砂漿泵中的應用

砂漿泵被應用在礦山張，完成采礦、清淤，輸送尾、精礦砂、灰渣、煤泥等工作，這些工作的磨蝕非常強、渣漿的濃度非常高或者渣漿的腐蝕性較強，因此需要選擇高耐磨或耐腐蝕性能的材料。現階段，高鉻鑄鐵被應用在國內大部分渣漿泵的耐磨零部件中，其使用壽命在1～2個月之間，為了將其使用壽命延長，不斷對泵用材料進行升級，如由鑄鐵發展到特種金屬合金和橡膠制品，然后再發展到工程塑料、陶瓷等典型非金屬材料，砂泵可以通過改性聚氨酯彈性體將自身的使用壽命延長為3～10倍；并且氮化硅結合碳化硅材料可以作為葉輪、泵殼以及密封件，其使用壽命可以被提高到10至數十倍[3]。現階段，國內中已經有了成功的使用進口氮化硅結合碳化硅陶瓷材料葉輪的例子，但是在國內，生產此中類型泵的廠家是很少的。

3.2 在水力旋流器中的應用

氮化硅結合碳化硅陶瓷可以應用的范圍特別廣，如可將其用在水力旋流器的沉砂口和內襯、噴嘴、耐磨板等地方，將國外公司生產的碳化硅復合材料用于制作水力旋流器沉砂口，此水力旋流器沉砂口具有最小的沖擊和其他應力，與常用的橡膠件相比，其磨損速度比較低，其壽命是橡膠件的5～8倍，與上年同期相比，水力旋流器給料泵機件的單位修理費降低了約58%，勞動工資和磨損環的費用在一定程度上被節省。該公司接下來的計劃是在水力旋流器給料盤和棒磨機給料溜槽襯里應用碳化硅復合材料。

3.3 在重介質旋流器中的應用

重介質旋流器分選原煤的環境是比較復雜的，其所處的速度與密度場都是比較復雜的，所以旋流器內壁的磨損形式具有較強的復雜性，其中沖蝕磨損的類型是多種多樣的，如撞擊磨損、微切削磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損等。此外，存在多種因素影響旋流器的內壁磨損。氮化硅結合碳化硅陶瓷襯里的優化也可以利用此來完成。

4 結束語

氮化硅結合碳化硅材料需要努力的方面還包括很多，如成型技術、粘結噴涂工藝以及降低生產成本等，主要目的是保證在礦山機械應用中靈活性和適用范圍的提高。在未來發展中，機械制造工藝的提高是我國需要做的事情，將高性能的礦山機械研制出來，為了保證機械性能和機械作業率的提高，需要不斷的更新和發展耐磨材料的機械材質，從而實現節約、高效綜合利用礦產資源的目的。

參考文獻：

[1]劉景林.由碳化硅及氮化硅制造的陶瓷材料的強度[J].耐火與石灰，2013（04）：18-19.

[2]張力強.粉體粒度對重介質旋流器氧化鋁陶瓷襯里耐磨性的影響[J].煤炭技術，2013，29（01）：134-137.

[3]李安寧.氧化硅結合的碳化硅磚在鞍鋼高爐上的應用[J].鋼鐵，2014（04）：11-12.