反应烧结氮化硅结合碳化硅

一、概念

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。

碳化硅可分为两类

1）黑碳化硅

黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。

2）绿碳化硅

绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。

二、碳化硅晶体结构

天然的碳化硅即碳硅石（又称莫桑石）很少，工业上使用的碳化硅是一种人工合成的材料，俗称金刚砂。1891年由美国科学家艾奇逊首先以工业规模合成出这种人造矿物，1904年法国人莫桑，首次在美国亚历山大州的陨石里发现了这种物质；后来在金伯利岩（也称角砾云母橄榄岩）中也有所发现，但含量甚微，没有开采价值。目前工业上所使用的碳化硅全部是人工合成产品。碳化硅是耐火材料领域最常用的非氧化物耐火原料之一。以碳化硅为原料生产的粘土结合碳化硅、氧化物结合碳化硅、氮化硅结合碳化硅、重结晶碳化硅、反应烧结渗硅碳化硅等制品以及不定形耐火材料广泛应用于冶金工业的高炉、炼锌炉，陶瓷工业的窑具等。

碳化硅分子式为四面体，硅原子位于中心，周围为碳原子。分子量为40.07，其中含Si70.045%,含C29.955％。以共价键为主（共价键占88％）结合而成的化合物，其基本单元为Si—C四面体，硅原子位于中心，周围为碳原子。所有结构的SiC均由Si—C四面体堆积而成，所不同的只是平行堆积或者反平行堆积（如图1—1所示）。

三、碳化硅的用途

1、磨料--主要因为碳化硅具有很高硬度，化学稳定性和一定韧性，所以碳化硅能用于制造固结磨具、涂附磨具和自由研磨，从而来加工玻璃、陶瓷、石材、铸铁及某些非铁金属、硬质合金、钛合金、高速钢刀具和砂轮等。

氮化硅结合碳化硅制品系列技术指标

碳化硅是人工合成的高级无机非金属材料，由共价健结合，硬度仅次于金刚石，熔点2600℃，真密度3.21g/cm3。热导率达8.37W/m·k ；氮化硅熔点1900℃，莫氏硬度9，真密度3.19 g/cm3，热导率15W/m·k（石墨为129 W/m·k） ，氮化硅结合碳化硅是结合双方性能研制的一种新型高性能的耐火制品，化学性能稳定，常温抗折强度是普通耐火材料的4~8倍，是传统碳化硅制品（粘土结合碳化硅）的2~3倍，导热系数是一般耐火材料的7~8倍，是传统碳化硅的倍，热膨胀系数是一般耐火材料的一半。实践证明，氮化硅结合碳化硅制品（150×150×15）经1100℃直接水冷30次不出现裂纹，有较好的热震稳定性。抗高温蠕变、抗酸性、抗碱性、抗氧化性能优异，抗铝（Al ）、铅（Pb ）、锡（Sn ）、锌（Zn ）、铜（Cu ）等熔融金属侵蚀，电绝缘性良好，常温比电阻高。用氮化硅结合碳化硅代替传统的碳化硅制品，可减轻窑具重量50%，提高炉池装载率16%，节能15%以上，是企业提高产品质量，增加经济效益的理想耐火材料。

碳化硅结合氮化硅制品的发展现状

氮化硅结合碳化硅制品是近30年发展起来的一种高科技耐火材料。1955年，美国Casrborunduln公司在生产硅酸盐结合碳化硅制品的基础上研制成功，并获得了专利权。1960年日本TKR公司引进美国的此项技术并成功应用[1～2]。

氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物，有相似的物理和化学性能，在高温状态下仍保持较高的键合强度。硅粉均匀包围碳化硅，经过高温氮化反应，形成致密的网络结构，因此氮化硅结合碳化硅制品具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷、抗氧化等一系列优异性能，且对氢氟酸以外的所有无机酸都具有良好的抵抗性，不被金属液尤其是非铁金属液润湿，能耐大部分有色金属熔融液的侵蚀。作为高级耐火材料在各种气氛中正常使用温度可达1500 ℃左右，广泛用于陶瓷、有色冶金、钢铁冶金、粉末冶金、化工等行业。

1 氮化硅结合碳化硅制品的主要制备方法

氮化硅的制备方法包括：硅粉直接氮化法、碳热还原二氧化硅法、Si（NH）2热分解法、SiH4和NH3气相反应法。通常情况下，反应烧结氮化硅结合碳化硅制品中氮化硅生成方法为硅粉直接氮化法，高温下通过氮向硅粉粒子内部扩散，化合生成氮化硅[6～7]。

氮化硅结合碳化硅制品制备经过七个步骤：原料处理、配料、混料、成型、干燥、氮化烧成、产品检验。氮化原料主要采用工业用绿碳化硅和硅粉，经破碎、水洗等方法进行原料预处理，根据配方（表1）称量碳化硅砂及硅粉，按要求把不同粒度的碳化硅原料放入混料机内干混，然后加入有機结合剂温混，充分搅拌15～20 min，过筛后，放入料仓进行闷料储存24 h。

将闷好的料准确称量后，均匀放入模具中，振动加压成型，再经真空吸盘转移到储坯车上，放入干燥室内干燥，干燥温度以100℃～120℃为好。干燥过程中应严格控制升温速度，以免坯体出现变形或开裂。坯体一般干燥时间为3天，干燥完成后经精修坯体和生坯检测，合格的进入氮化炉烧成。氮化过程中，当温度升至700℃～1450℃进行抽真空后向氮化炉中充入纯度为99.99%以上的氮气直至反应完成。氮化硅结合碳化硅材料工艺流程如图1所示。

氮化硅基陶瓷制品的生产工艺与应用前景综述　

望。　陈波　（山东工业陶瓷研究设计院，淄博ｚ５５ｏ３１）　

摘　要　综合、系统地介绍对氮化硅基陶瓷制品生产所采用的工艺方法，并对其应用前景进行展　

关键词　氮化硅粉体制备成型方法烧结方法　

作为结构陶瓷之一的氮化硅有２种变体存在　

形式，即ａ—Ｓｉ３Ｎ４和Ｂ—Ｓｉ３Ｎ４。氮化硅陶瓷材料具有　优良的力学性能高硬、高韧性、热膨胀系数小，热　

震稳定性极好，绝缘性好，在１９９ｏ＇ｔ２才开始分解，　抗机械冲击性较差。但氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）陶瓷因其　

熔点高以及对金属及氧化物熔体具有很好的高温　稳定性，其制品已越来越多地应用于各个领域，如　

用氮化硅基陶瓷材料经烧结后可用于彩显玻壳用　的销钉管、涡轮叶片、焊接用的法兰盘，以及全陶　

瓷轴承、组合轴承等。　

ｌ　氮化硅基陶瓷制品生产工艺的　

选择　

１．１一般生产氮化硅基陶瓷制品的氮化硅粉体　

原料的制备工艺步骤　１．１．１硅粉氮化　采用一级结晶硅块（或单晶硅）在球磨中干　

磨，用钢球作研磨介质，磨至小于ｌＯｔａｎ，然后在氮　

化炉中进行氮化处理。炉膛要密封，以保证抽真　空和使用的安全性。硅和氮在约９７０　１０００＇ｔ２开　

始反应，并随着温度升高反应速率加快。但如果　

升温很快，则会影响粉料的氮化质量。故必须在　合适的温度及升温速率下氮化。氮化炉内通以氮　

气和氢气的混合气体，在一定的温度下氮化２０ｈ　

以上。　１．１．２氮化硅粉破碎、酸洗　

作者简介：陈波（１９７６一），男，工程师　先将氮化好的经分析合格的粉体进行破碎、　

过筛，然后酸洗静置，分离、烘干、过筛。　１．１．３湿磨　

利用搅拌磨或振动磨将过筛后的粉体加入一　定比例的烧结助剂进行湿磨，用无水乙醇作研磨　

介质，磨至２ｔａｎ以下。　

生产的氮化硅粉的含量如下：　

ａ—Ｓｉ３Ｎ４＞９０％　口一Ｓｉ３Ｎ　＜１０％，‘ｉ＜１％　１．２一般生产氮化硅基陶瓷制品所采用的成型　

方法　１．２．１干压法　利用设计好的模具直接干压成型出具有一定