氮化硅結(jié)合碳化硅耐磨材料在礦山機(jī)械的應(yīng)用

趙軍偉，常永強(qiáng)，聶 飛，林 峰

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.中國有色金屬建設(shè)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(jīng)過建國60多年的建設(shè)與發(fā)展，我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用水平有了很大提高，但礦山企業(yè)先進(jìn)與落后并存，出現(xiàn)了一些代表世界先進(jìn)水平的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用設(shè)備，如600萬t級(jí)重大綜采裝備、超大型浮選機(jī)、SLon高梯度磁選機(jī)等，但礦山裝備總體水平仍與礦業(yè)發(fā)達(dá)國家尚有一定差距，特別是在礦山機(jī)械及自動(dòng)化方面[1]。除了制造工藝和電子控制之外，我國礦山機(jī)械制造中存在的核心問題是機(jī)械的材料材質(zhì)研究和應(yīng)用仍較落后。隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)難度加大，對(duì)高效礦山機(jī)械的要求越來越高。

許多礦山采選機(jī)械因?yàn)檫B續(xù)不斷的工作，不可避免地會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損而迅速失效，除了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部位的磨損之外，礦山作業(yè)環(huán)境中更重要的是物料的摩擦、腐蝕加劇了機(jī)械的磨損，不但造成部件更換的經(jīng)濟(jì)損失，而且頻繁檢修也導(dǎo)致過多停工，降低連續(xù)作業(yè)率，消耗大量人力物力，有時(shí)一些磨損的機(jī)械碎屑進(jìn)入物料還影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此，大力研究開發(fā)新型耐磨材料以延長礦山設(shè)備的使用壽命具有重要意義。

目前礦山機(jī)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(zhì)的合金鋼)、陶瓷及其復(fù)合材料和塑料(特別是橡膠和聚氨酯化合物)[2]。

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

1 氮化硅結(jié)合碳化硅材料的生產(chǎn)制備

氮化硅結(jié)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(jià)鍵結(jié)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(jié)非常困難，必須在極高溫度(1500～2500℃)并有燒結(jié)助劑存在的情況下才能獲得較高密度的產(chǎn)品，有時(shí)必須借助熱壓燒結(jié)法才能達(dá)到希望的密度，所以非氧化物陶瓷的生產(chǎn)成本一般比氧化物陶瓷高。

氮化硅結(jié)合碳化硅材料是針狀或纖維狀Si3N4將細(xì)粒SiC包裹與碳化硅形成的機(jī)械結(jié)合。目前，氮化硅結(jié)合碳化硅作為陶瓷窯爐用耐火材料已被應(yīng)用，并逐步取代了黏土結(jié)合碳化硅和氧化物結(jié)合碳化硅材料，又因其價(jià)格偏中，因而和再結(jié)晶或重結(jié)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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，是SiC材料的理想結(jié)合相。Si3N4和SiC均為強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，所以Si3N4-SiC材料有很好的抗折強(qiáng)度，且表面氧化后可形成致密氧化物保護(hù)膜，阻止氧化的進(jìn)一步進(jìn)行，具有較好的抗氧化性。目前生產(chǎn)Si3N4-SiC材料普遍采用的反應(yīng)燒結(jié)法工藝是在SiC原料中摻入Si粉，成型后在氮?dú)鈿夥罩袩?1200～1400℃)。反應(yīng)生成的纖維狀Si3N4將SiC顆粒緊密地結(jié)合在一起，形成致密塊體[4]。

國內(nèi)氮化硅結(jié)合碳化硅產(chǎn)品面臨著兩大關(guān)鍵技術(shù)難題:①現(xiàn)有的摩擦壓磚機(jī)成型技術(shù)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(guī)的氮化燒成工藝很難使大規(guī)格制品芯部氮化完全[5]。

一般反應(yīng)燒結(jié)法只能在很高溫度，甚至熱壓及在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。這種方法的生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)工藝和控制復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；笊a(chǎn)，因而只有高技術(shù)陶瓷行業(yè)采用。為降低燒結(jié)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(jìn)行Si3N4/SiC復(fù)合材料生產(chǎn)的逆反應(yīng)燒結(jié)新工藝發(fā)展很快。最佳的燒結(jié)工藝是50℃/h的升溫速率，在800℃左右進(jìn)行4 h以上的保溫，然后在1450℃再燒結(jié)2 h，該工藝可以獲得較高比強(qiáng)度及密度增加率和適中殘氮率的氮化硅結(jié)合碳化硅材料[6]。

2 氮化硅結(jié)合碳化硅材料的性能

氮化硅結(jié)合碳化硅材料主要特點(diǎn)是：高溫強(qiáng)度高；導(dǎo)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(jié)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(jià)比要比采用鉻鉬耐磨鑄鋼高得多，且節(jié)約大量貴重的鉻、鉬等貴重的金屬材料。氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料可抵抗除氫氟酸(HF)以外的所有強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)20倍[7]。

氮化硅/碳化硅陶瓷材料形狀可控。反應(yīng)燒結(jié)形成氮化硅/碳化硅陶瓷材料是一個(gè)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(fù)雜形狀的陶瓷構(gòu)件[8]。氮化硅/碳化硅陶瓷材料生產(chǎn)的系列脫硫噴嘴，噴嘴、噴頭表明，氮化硅/碳化硅成型技術(shù)已相當(dāng)成熟。

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

3 氮化硅結(jié)合碳化硅材料在礦山機(jī)械中的應(yīng)用

近年來，新材料和新工藝的運(yùn)用是推動(dòng)礦山機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)主要的因素。氮化硅結(jié)合碳化硅材料的性能更適合用于礦山機(jī)械的易磨損部位，特別是在腐蝕、高溫作業(yè)環(huán)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(qiáng)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(nèi)大部分渣漿泵的耐磨零部件材質(zhì)均采用高鉻鑄鐵，使用壽命約1～2個(gè)月。為了提高使用壽命，泵用材料經(jīng)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(jié)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(shù)十倍，目前國內(nèi)已有使用進(jìn)口氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷材料葉輪的實(shí)例。國內(nèi)生產(chǎn)此類泵的廠家罕見。

重介質(zhì)旋流器對(duì)原煤的分選是在復(fù)雜的多相流形成的復(fù)雜的速度、密度場中來完成的，因此旋流器內(nèi)壁的磨損形式是十分復(fù)雜的，強(qiáng)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(nèi)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(jié)合碳化硅陶瓷可用于對(duì)其襯里原料的優(yōu)化[9]。

氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷還可以用于水力旋流器的沉砂口和內(nèi)襯、噴嘴、耐磨板、瓦和襯以及彎頭。國外阿蘭克斯(Alanx)公司生產(chǎn)的碳化硅復(fù)合材料，主要用于制作沖擊和其他應(yīng)力都最小的水力旋流器沉砂口[2]，磨損速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)件的單位修理費(fèi)與上年同期相比降低了58%，還節(jié)省勞動(dòng)工資和磨損環(huán)的費(fèi)用。該公司還進(jìn)一步計(jì)劃將碳化硅復(fù)合材料用于水力旋流器給料盤和棒磨機(jī)給料溜槽襯里。青島地平線礦山機(jī)械有限公司生產(chǎn)的“節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效”耐磨碳化硅系列新產(chǎn)品，包括旋流器、耐磨管件。

氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷也是挖掘機(jī)斗齒等耐磨部位的理想材料。

4 應(yīng)用前景展望

氮化硅結(jié)合碳化硅材料在耐火材料、磨料磨具行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但由于行業(yè)隔閡，在礦山機(jī)械上的應(yīng)用尚需更新觀念，積極嘗試。

目前，氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷還需要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的均勻性、良好的沖擊韌性、與其他部件的連接方面進(jìn)一步提高。另外，作為陶陶瓷材料的最大缺點(diǎn)是韌性低，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)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(fù)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(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度，大大縮短燒結(jié)時(shí)間。

氮化硅結(jié)合碳化硅材料還應(yīng)該在成型技術(shù)和粘結(jié)、噴涂工藝，降低生產(chǎn)成本等方面努力，以提高在礦山機(jī)械應(yīng)用中的靈活性和適用范圍。

今后，我國要在大力提高機(jī)械制造工藝、研制高性能礦山機(jī)械，如大型超大型節(jié)能高效礦山機(jī)械、復(fù)合力場選礦設(shè)備等的同時(shí)，借鑒航空航天、電子高科技、化工、耐火、磨料等其他領(lǐng)域的最新成果，加強(qiáng)包括耐磨材料在內(nèi)的機(jī)械材質(zhì)的不斷更新和發(fā)展，以更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能、提高機(jī)械作業(yè)率，為礦產(chǎn)資源的節(jié)約、高效、綜合利用提供技術(shù)保障。

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