氮化硅結合碳化硅耐磨材料在礦山機械的應用

趙軍偉，常永強，聶 飛，林 峰

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.中國有色金屬建設股份有限公司，北京 100029；3.鄭州市飛雪陶瓷粉體有限公司，河南 鄭州 450000)

經過建國60多年的建設與發展，我國礦產資源開發利用水平有了很大提高，但礦山企業先進與落后并存，出現了一些代表世界先進水平的礦產資源開發利用設備，如600萬t級重大綜采裝備、超大型浮選機、SLon高梯度磁選機等，但礦山裝備總體水平仍與礦業發達國家尚有一定差距，特別是在礦山機械及自動化方面[1]。除了制造工藝和電子控制之外，我國礦山機械制造中存在的核心問題是機械的材料材質研究和應用仍較落后。隨著礦產資源開發難度加大，對高效礦山機械的要求越來越高。

許多礦山采選機械因為連續不斷的工作，不可避免地會產生強烈的磨損而迅速失效，除了機械運動部位的磨損之外，礦山作業環境中更重要的是物料的摩擦、腐蝕加劇了機械的磨損，不但造成部件更換的經濟損失，而且頻繁檢修也導致過多停工，降低連續作業率，消耗大量人力物力，有時一些磨損的機械碎屑進入物料還影響產品品質。因此，大力研究開發新型耐磨材料以延長礦山設備的使用壽命具有重要意義。

目前礦山機械上常用的抗磨損材料可分為三大類：金屬和金屬化合物(如具有特殊性質的合金鋼)、陶瓷及其復合材料和塑料(特別是橡膠和聚氨酯化合物)[2]。

由氮化硅結合碳化硅制造的陶瓷材料是一種較為優異的結構，具有較高的強度和硬度、較小的線性膨脹系數，能抵抗高溫氧化及侵蝕性介質的作用，抗高溫蠕變性好，因而廣泛地應用于磨具、冶金耐火材料和日用、電子陶瓷等行業[3]。但是，氮化硅結合碳化硅耐磨耐高溫耐腐蝕材料在礦山機械中的應用卻不多見。

1 氮化硅結合碳化硅材料的生產制備

氮化硅結合碳化硅屬于非氧化物陶瓷材料。同氧化物陶瓷不同，非氧化物陶瓷材料原子間主要是以共價鍵結合在一起，因而具有較高的硬度、模量、蠕變抗力，并且能把這些性能的大部分保持到高溫，這是氧化物陶瓷無法比擬的。但它們的燒結非常困難，必須在極高溫度(1500～2500℃)并有燒結助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產品，有時必須借助熱壓燒結法才能達到希望的密度，所以非氧化物陶瓷的生產成本一般比氧化物陶瓷高。

氮化硅結合碳化硅材料是針狀或纖維狀Si3N4將細粒SiC包裹與碳化硅形成的機械結合。目前，氮化硅結合碳化硅作為陶瓷窯爐用耐火材料已被應用，并逐步取代了黏土結合碳化硅和氧化物結合碳化硅材料，又因其價格偏中，因而和再結晶或重結晶碳化硅相比，更有市場前景[3]。

Si3N4與SiC的性能接近，具有較高的熱穩定性和化學穩定性，是SiC材料的理想結合相。Si3N4和SiC均為強共價鍵化合物，所以Si3N4-SiC材料有很好的抗折強度，且表面氧化后可形成致密氧化物保護膜，阻止氧化的進一步進行，具有較好的抗氧化性。目前生產Si3N4-SiC材料普遍采用的反應燒結法工藝是在SiC原料中摻入Si粉，成型后在氮氣氣氛中燒成(1200～1400℃)。反應生成的纖維狀Si3N4將SiC顆粒緊密地結合在一起，形成致密塊體[4]。

國內氮化硅結合碳化硅產品面臨著兩大關鍵技術難題:①現有的摩擦壓磚機成型技術很難使坯體密度增加并很難使坯體密度沿厚度方向保持均勻分布；②采用常規的氮化燒成工藝很難使大規格制品芯部氮化完全[5]。

一般反應燒結法只能在很高溫度，甚至熱壓及在N2氣氛下進行燒結。這種方法的生產成本較高、生產工藝和控制復雜而難以實現規模化大生產，因而只有高技術陶瓷行業采用。為降低燒結降低成本，以Si3N4和SiC為原料，在氧化氣氛和較低溫度下能利用普通窯爐進行Si3N4/SiC復合材料生產的逆反應燒結新工藝發展很快。最佳的燒結工藝是50℃/h的升溫速率，在800℃左右進行4 h以上的保溫，然后在1450℃再燒結2 h，該工藝可以獲得較高比強度及密度增加率和適中殘氮率的氮化硅結合碳化硅材料[6]。

2 氮化硅結合碳化硅材料的性能

氮化硅結合碳化硅材料主要特點是：高溫強度高；導熱性能好；抗氧化、抗熱震性能好，且耐腐蝕、抗高溫蠕變性好。

氮化硅結合碳化硅陶瓷材料莫氏硬度約為9，僅次于金剛石和立方氮化硼，其使用壽命是鉻鉬(Cr15Mo3)耐磨鑄鋼的3倍；性價比要比采用鉻鉬耐磨鑄鋼高得多，且節約大量貴重的鉻、鉬等貴重的金屬材料。氮化硅結合碳化硅陶瓷材料可抵抗除氫氟酸(HF)以外的所有強弱酸的腐蝕，尤其是硫酸及大部分熔鹽、常溫鹵素和堿的腐蝕。

氮化硅、碳化硅類材料性能遠遠高于氧化鋁陶瓷,氧化鋁陶瓷的沖擊磨損量約為碳化硅、氮化硅類材料的10倍,其球磨磨損量更高達20倍[7]。

氮化硅/碳化硅陶瓷材料形狀可控。反應燒結形成氮化硅/碳化硅陶瓷材料是一個近尺寸過程，即在材料的制備過程中材料的形狀和尺寸幾乎不變化(燒成收縮為0.1%～0.5%)，這大大有利于制備復雜形狀的陶瓷構件[8]。氮化硅/碳化硅陶瓷材料生產的系列脫硫噴嘴，噴嘴、噴頭表明，氮化硅/碳化硅成型技術已相當成熟。

另外，氮化硅/碳化硅陶瓷材料不含鐵、鈦等成分，對于忌諱鐵質污染的非金屬礦材料粉碎、分級、輸送等制備過程極為有利。

3 氮化硅結合碳化硅材料在礦山機械中的應用

近年來，新材料和新工藝的運用是推動礦山機械技術進步的一個主要的因素。氮化硅結合碳化硅材料的性能更適合用于礦山機械的易磨損部位，特別是在腐蝕、高溫作業環境下。

礦山用砂漿泵用于采礦、清淤，輸送尾、精礦砂、灰渣、煤泥等強磨蝕、高濃度渣漿或腐蝕性渣漿，要求具有很高的耐磨或耐腐蝕性能。目前國內大部分渣漿泵的耐磨零部件材質均采用高鉻鑄鐵，使用壽命約1～2個月。為了提高使用壽命，泵用材料經歷了從鑄鐵到特種金屬合金、橡膠制品、再到工程塑料、陶瓷等典型非金屬材料的過程。改性聚氨酯彈性體可將砂泵使用壽命延長3～10倍；而氮化硅結合碳化硅材料除了作葉輪、泵殼外還可用作密封件，可提高使用壽命10至數十倍，目前國內已有使用進口氮化硅結合碳化硅陶瓷材料葉輪的實例。國內生產此類泵的廠家罕見。

重介質旋流器對原煤的分選是在復雜的多相流形成的復雜的速度、密度場中來完成的，因此旋流器內壁的磨損形式是十分復雜的，強烈的沖蝕磨損中包含著撞擊磨損、微切削磨損、腐蝕磨損和表面疲勞磨損，除此之外，旋流器的內壁磨損還受入料壓力、原煤粒度大小、顆粒形狀、硬度等多種因素的影響。氮化硅結合碳化硅陶瓷可用于對其襯里原料的優化[9]。

氮化硅結合碳化硅陶瓷還可以用于水力旋流器的沉砂口和內襯、噴嘴、耐磨板、瓦和襯以及彎頭。國外阿蘭克斯(Alanx)公司生產的碳化硅復合材料，主要用于制作沖擊和其他應力都最小的水力旋流器沉砂口[2]，磨損速度遠遠低于常用的橡膠件，壽命為橡膠件的5～8倍，水力旋流器給料泵機件的單位修理費與上年同期相比降低了58%，還節省勞動工資和磨損環的費用。該公司還進一步計劃將碳化硅復合材料用于水力旋流器給料盤和棒磨機給料溜槽襯里。青島地平線礦山機械有限公司生產的“節能、環保、經濟、高效”耐磨碳化硅系列新產品，包括旋流器、耐磨管件。

氮化硅結合碳化硅陶瓷也是挖掘機斗齒等耐磨部位的理想材料。

4 應用前景展望

氮化硅結合碳化硅材料在耐火材料、磨料磨具行業應用已經相當廣泛，但由于行業隔閡，在礦山機械上的應用尚需更新觀念，積極嘗試。

目前，氮化硅結合碳化硅陶瓷還需要在產品結構的均勻性、良好的沖擊韌性、與其他部件的連接方面進一步提高。另外，作為陶陶瓷材料的最大缺點是韌性低，使用時會產生不可預測的突然性斷裂。碳化硅晶須-氮化硅可有效改善陶瓷韌性。納米Si3N4/SiC 復合材料、碳化硅及氮化硅加入稀土、氧化物活化劑(A1203、Y203等)有利于改善常溫抗折強度和常溫耐壓強度，大大縮短燒結時間。

氮化硅結合碳化硅材料還應該在成型技術和粘結、噴涂工藝，降低生產成本等方面努力，以提高在礦山機械應用中的靈活性和適用范圍。

今后，我國要在大力提高機械制造工藝、研制高性能礦山機械，如大型超大型節能高效礦山機械、復合力場選礦設備等的同時，借鑒航空航天、電子高科技、化工、耐火、磨料等其他領域的最新成果，加強包括耐磨材料在內的機械材質的不斷更新和發展，以更好地實現機械性能、提高機械作業率，為礦產資源的節約、高效、綜合利用提供技術保障。

[1] 趙軍偉.提高礦產開發利用效率之我見[J].中國國土資源經濟，2012(2):46-49.

[2] 美國《工程與采礦雜志》編輯部.抗磨損材料述評[J].國外金屬礦山，1994(2):75-81，28.

[3] 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，2007，32(4):18-19.

[4] 樂紅志,彭達巖,文洪杰.氮化物結合碳化硅耐火材料的研究現狀[J].耐火材料,2004,38(6):435-438.

[5] 肖壽仁.氮化物結合碳化硅耐火材料的研制及其現狀[J].冶金能源,2007,26(1):44-48.

[6] 吳宏鵬,洪彥若,孫家林.逆反應燒結制備碳化硅/氮化硅復合材料的工藝[J].硅酸鹽學報,2005,33(1):1-6.

[7] 張林.耐磨非金屬材料在旋流器中的應用[J].選煤技術,2004(1):27-29.

[8] 周曦亞,凡波,鄭睿.反應燒結形成氮化硅/碳化硅材料[J].中國陶瓷工業,2004,11(2):40-42.

[9] 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，2010,29(1):134-137.