[发明专利]一种无水泥的原位氮化硅结合碳化硅预制件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业高温领域所用的碳化硅预制件，尤其涉及一种无水泥的 原位氮化硅结合碳化硅预制件及制备方法。

背景技术

目前，水泥窑的风力管道、高炉炉喉和风口、熔融金属的输送管道及形状 复杂的结构部件等处使用的材料主要为刚玉基材料和氮化物结合的碳化硅基耐 火材料。这些材料存在以下不足：(1)水泥作为结合体系的组分之一。由于水 泥中含有钙盐，在铝硅系的耐火材料中，钙的化合物在高温下会生成低熔点相， 影响材料的热态性能。(2)大吨位的机压成形，生产投资大，成本高，周期长。 (3)由于采用机压成形，无法制作结构复杂的元件。(4)氮化硅结合碳化硅材 料有的是在原料中直接加入氮化硅，由于碳化硅和氮化硅都是共价健极强的化 合物，在很高的温度下仍能保持高的键合强度，决定了添加氮化硅结合碳化硅 的材料其热处理过程对温度的要求高，对性能的改善是有限的。(5)氮化硅结 合碳化硅材料有的是在原料中加入金属硅粉，在高纯氮气中高温下让材料组分 发生反应生成碳化硅，但由于是采用机压成形的工艺，制品中残硅含量较高， 氮化物晶体发育不完全，导致在高温使用条件下熔融硅对材料强度的不利影响。 以上这些缺点导致碳化硅基的耐火材料无法应用于高温工业中形状复杂、对性 能要求苛刻的部位。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题存在的不足，提供一种易施工，成 本低，产品形状灵活，热态强度高，抗侵蚀性强，致密耐磨的无水泥原位氮化 硅结合的碳化硅预制件以及它的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：这种无水泥的原位氮化硅结合碳化硅预制件是 由碳化硅、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化铝为原料，外 加分散剂和水或硅溶胶组成。

原料中碳化硅、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉、水硬性氧化铝的重 量份数及加入比例为：碳化硅81-90份，金属硅粉7-12份，氧化铝微粉2- 10份，二氧化硅微粉0-6份，水硬性氧化铝0-6份，总份数为100份。水或 硅溶胶、分散剂的加入量分别占碳化硅、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅微 粉和水硬性氧化铝总重量的百分比为：水4-7％或硅溶胶8％-16％，分散剂 0.01-0.015％。

所述的碳化硅具有不同的粒度等级，其粒度分布在0-0.044mm、0.044mm -0.074mm、0.074-1mm、1-3mm、3-5mm中的两个或两个以上的粒度区 间。

所述的金属硅粉具有不同的粒度等级，其粒度分布在0-0.02mm、0.02mm -0.044mm、和0.044mm-0.074mm中的1个或1个以上的区间。

所述的硅溶胶的特征为二氧化硅的重量占整个硅溶胶的重量的40％。

所述的分散剂为三聚磷酸钠和六偏磷酸钠的混合物，其中三聚磷酸钠占碳化 硅、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉和水硬性氧化铝总重量的百分比 0.003-0.006％，六偏磷酸钠占碳化硅、金属硅粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉和 水硬性氧化铝总重量的百分比0.007-0.01％。

将上述各原料按以上比例进行配料，混合均匀后，采用振动浇注的方法成形， 经养护、干燥后，在高纯流动氮气中高温氮化处理，得到这种无水泥的原位氮 化硅结合碳化硅预制件。

本发明的原理在于：应用“原位形成氮化硅”的理念，改变在原料中直接 加入氮化硅的方式，而是在原料中加入金属硅粉，在高纯流动氮气及高温条件 下，使金属硅粉和氮气“原位”的生成氮化硅的结合相。在颗粒间存在一些相 互连通的气孔，通氮气氮化形成的氮化硅就在这些气孔中生长，与其它基质或 颗粒紧密结合在一起，从实验样品的显微结构分析显示，基质中各物相呈均匀 分布，大量的网络状骨架结构的氮化硅结合相穿插其间，这样的结构会使最终 材料的热态强度、韧性、耐磨性等性能得到大幅度地提高。

本发明采用了无水泥结合体系。硅溶胶和水硬性氧化铝结合属于无水泥结 合。由于水泥中含有钙，在氧化铝和氧化硅的基质中，如果有钙的化合物在高 温下会形成低熔点相，对材料的最终强度是不利的，尤其是热态强度、热态耐 磨性。而采用无水泥结合，避免了高温下低熔点物的形成，从而有利于热态强 度的提高。