氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料的耐磨性及鋒利性研究

許遠超 鄭 翰 萬龍剛 陳 盧 許海洋

中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司先進耐火材料國家重點實驗室 河南洛陽471039

氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料耐腐蝕性強，抗熱震性好，導熱性和力學性能優(yōu)異，在1 350～1 500℃具有優(yōu)異的抗氧化性能［1－4］。此外，與其他非氧化物耐火材料相比，如反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、重結(jié)晶碳化硅、反應(yīng)燒結(jié)碳化硼等材料，氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料具有顯著的價格優(yōu)勢［5－9］。因此，其被廣泛應(yīng)用于有色、鋼鐵、石化、陶瓷、汽車、煤炭、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域［10－13］。氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料在耐磨性方面也具有顯著優(yōu)勢。除了高鋁質(zhì)耐火材料外，其他類耐火材料的耐磨性能顯著低于氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料的［14］。因此，氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料作為耐磨材料具有更廣泛的用途［15］。

氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料作為設(shè)備零部件也越來越受到關(guān)注。該材料與傳動設(shè)備發(fā)生相對運動，將磨損傳動設(shè)備，降低設(shè)備使用壽命。既要減少氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料作為磨料對傳動設(shè)備的危害，又要保持自身的強耐磨性能是新的研究課題。降低氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料對傳動設(shè)備的危害，本質(zhì)上是減少材料自身的鋒利性。一般情況下，材料的鋒利性與材料的硬度、粒度有關(guān)，材料越硬、粒度越大，材料的鋒利性越好，反之鋒利性越差。對于組分相近的氮化硅結(jié)合碳化硅而言，材料的硬度相同，區(qū)別在于粒度不同。分析發(fā)現(xiàn)，市售氮化硅結(jié)合碳化硅材料中對傳動設(shè)備磨損程度最大的物質(zhì)是碳化硅顆粒，加劇了工件的磨損。本工作中通過減少材料中碳化硅顆粒含量，大幅度增加單質(zhì)硅含量來研究氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料的耐磨性及鋒利性，以期研究出既對傳送部件磨損小，自身又耐磨損的特種氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料。

1 試驗

采用高純碳化硅（粒度分別為≤2.5、≤0.5 mm和≤48μm，碳化硅的質(zhì)量分數(shù)≥98.6%）、單質(zhì)硅粉（粒度≤48μm，硅的質(zhì)量分數(shù)為99.4%）為原料，樹脂為結(jié)合劑。

試樣配比見表1。

表1 試樣配比

分別按照表1中的方案S1、S2配料，加入結(jié)合劑混合均勻，在100 MPa壓力下分別成型為φ50 mm×50 mm、25 mm×25 mm×150 mm的試樣。試樣干燥48 h后，在氮氣氣氛下、1 400℃保溫5 h燒成。試樣S0取自中鋼洛耐院生產(chǎn)的氮化硅結(jié)合碳化硅爐腹磚。

按照相關(guān)標準檢測了試樣的顯氣孔率及體積密度（GB/T 2997—2000）、常溫耐壓強度（GB/T 5072—2008）、常溫抗折強度（GB/T 3001—2007）、熱導率（GB/T 22588—2008）、透氣性（GB/T 3000—1999）和常溫耐磨性（GB/T 18301—2012）。利用XRD衍射儀和掃描電鏡分別分析了試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)。以試樣對其他工件磨損后的平整度判斷其鋒利性。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相組成

試樣的XRD圖譜見圖1。由圖1可以看出，單質(zhì)硅含量增加，試樣中氮化硅的含量增加，試樣S0存在少量殘余的單質(zhì)硅，試樣S1和試樣S2中不存在單質(zhì)硅。這是因為單質(zhì)硅的含量增加，氮化過程放熱更多，氮化溫度更高，促進單質(zhì)硅氮化更完全。試樣S0和試樣S2均氮化生成了少量氧氮化硅，試樣S1沒有生成氧氮化硅?？赡苁且驗榈^程中，試樣內(nèi)部溫度均勻性較差，導致微觀狀態(tài)下存在以下兩種情況：在滿足熱力學條件下的區(qū)域生成了氧氮化硅；反之，不生成氧氮化硅?？傊囼灄l件下，單質(zhì)硅的量增加后，試樣的氮化率均較高，單質(zhì)硅的殘余量較少。

圖1 試樣的XRD圖譜

2.2 物理性能

表2示出了添加不同量單質(zhì)硅試樣的物理性能?？梢钥闯觯?）單質(zhì)硅含量增加，試樣的致密度降低，常溫抗折強度相近。2）試樣的耐磨性相近，試樣S1的耐磨性較高，試樣S0和試樣S2的耐磨性幾乎相等。3）單質(zhì)硅含量增加，試樣的透氣度顯著降低。這是由于單質(zhì)硅氮化生成氮化硅，體積增加約1.25倍，單質(zhì)硅的加入量增加，氣孔填堵更充分，因而試樣的透氣度越低。結(jié)合物相組成分析可知，透氣度高的試樣S0存在殘硅，透氣度低的試樣不存在殘硅。

表2 試樣的物理性能

2.3 顯微結(jié)構(gòu)

圖2示出了試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

圖2 試樣的顯微結(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示，試樣S0中單質(zhì)硅氮化生成大量的粒狀晶粒，為難以區(qū)分的氮化硅與氧氮化硅的混合體，粒狀晶粒之間及粒狀晶粒與碳化硅顆粒之間充分黏連，有利于形成大氣孔，增加材料的透氣性。因此，試樣S0表現(xiàn)優(yōu)異的強度、耐磨性，以及較高的透氣性。如圖2（b）所示，試樣S1中單質(zhì)硅氮化生成了具有典型特征的纖維狀晶須，而氮化硅纖維狀晶須的強度遠大于粒狀結(jié)構(gòu)的，且氮化硅的生成量大于試樣S0的，纖維狀晶須在三維空間交聯(lián)，形成的氣孔較小，不利于材料的透氣性。因此，試樣S1表現(xiàn)出優(yōu)異的強度、耐磨性，以及較低的透氣性。如圖2（c）所示，單質(zhì)硅氮化生成大量棉絮狀氮化硅晶須，充分附著在碳化硅顆粒表面，形成的氣孔更小，不利于材料的透氣性。試樣S2中棉絮狀氮化硅晶須與碳化硅顆粒的接觸面積顯著大于試樣S1的，彌補了試樣S2晶須強度、晶須直徑遠小于試樣S1的不足。因此，試樣S2表現(xiàn)出優(yōu)異的強度、耐磨性，以及較低的透氣性?？梢姡S著單質(zhì)硅含量的增加，生成的粒狀結(jié)構(gòu)的晶粒減少，纖維狀氮化硅含量增加，纖維的長度變短、直徑變小，材料透氣度急劇下降。

圖3為試樣的斷口形貌。3種試樣中的碳化硅顆粒均表現(xiàn)出穿晶斷裂，表明3種試樣的結(jié)合強度在50 MPa以上時，材料結(jié)合強度足夠大，結(jié)合相能夠牢牢將碳化硅顆粒固定，表現(xiàn)出優(yōu)異的強度及耐磨性能。

圖3 試樣斷口的形貌

圖4示出了試樣耐磨試驗后的外觀照片。分析試樣作為磨料時對其他工件的磨損性，即鋒利性。試樣S0中碳化硅顆粒大、保存完好，表面凹凸不平，平整度差，表明試樣S0結(jié)合相耐磨性差，易磨損，顆粒物棱角保持完好，鋒利性強。試樣S1中碳化硅顆粒較小，棱角明顯并出現(xiàn)斷裂，碳化硅顆粒之間存在狹縫，平整度較差，其鋒利性弱于試樣S0的。試樣S2的碳化硅顆粒出現(xiàn)斷裂，表面平整致密，其鋒利性最差。綜上所述，增加單質(zhì)硅的加入量，降低碳化硅的粒度及加入量對材料的鋒利性影響顯著?？偟膩碚f，試樣S2的鋒利性最差，試樣S1次之，試樣S0的最強。從保護工件的角度而言，試樣S2最優(yōu)，試樣S1次之，試樣S0最差。

圖4 試樣耐磨試驗后的外觀照片

3 結(jié)論

單質(zhì)硅的含量增加后，材料的氮化率均較高，單質(zhì)硅的氮化充分，殘余量較少。增加單質(zhì)硅的加入量，降低碳化硅的粒度及加入量，對材料的強度及耐磨性影響較小，均表現(xiàn)出優(yōu)異的強度及耐磨性。但其對材料的鋒利性影響顯著，試樣S2的鋒利性最差，試樣S1的次之，試樣S0的最強。從保護工件的角度而言，試樣S2最優(yōu)，試樣S1次之，試樣S0最差。