氮化硅結(jié)合碳化硅磚

1、前言

碳化硅材料特別是氮化硅結(jié)合碳化硅材料以其優(yōu)異的高溫性能、高的熱導(dǎo)率、高的耐磨性能、高電阻率、良好的抗化學(xué)侵蝕性能和抗氧化性能等特性，而逐漸成為鋁電解槽側(cè)墻材料的首選材料。氮化硅結(jié)合碳化硅磚的生產(chǎn)廣泛地采用反應(yīng)燒結(jié)法，即單質(zhì)硅粉和碳化硅混合后在氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)而生成氮化硅，在氮化硅結(jié)合碳化硅磚的生產(chǎn)過程中，成型體積密度如何設(shè)定才能達(dá)到物理化學(xué)性能和抗電解質(zhì)侵蝕的性能最佳，同時(shí)不會(huì)帶來生產(chǎn)的難度需要進(jìn)行研究。本文通過試驗(yàn)對(duì)試樣在不同成型體積密度下的物理性能、化學(xué)成分以及抗電解質(zhì)的侵蝕性能進(jìn)行了研究。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1原料選擇

以97碳化硅顆粒為骨料，最大粒度為3mm，粉料部分為碳化硅粉和單質(zhì)硅粉，原料的化學(xué)成分如表1所列。

表1原料化學(xué)成分%

2.2混料

以碳化硅和單質(zhì)硅粉作為主要原料，在配方相同的條件下，使用濕碾機(jī)混料。混料過程如下:

骨料混練3min→加結(jié)合劑混練5min→加入混合好的粉料混練3min→再混練12min。

2.3成型

使用摩擦壓機(jī)成型相同形狀的產(chǎn)品，成型體積密度按照2.51g/cm3、2.53g/cm3、2.57g/cm3和2.61g/cm3設(shè)計(jì)，由此計(jì)算出在不同的成型體積密度下的成型重量，在相同的環(huán)境下成型成B1~B4標(biāo)磚試樣。

2.4烘干和燒成

在電烘箱內(nèi)在最高溫度150℃烘干后，在氮化爐中進(jìn)行1420℃氮化燒成。

2.5性能檢測(cè)

按照GB/T2997-2015檢測(cè)試樣的體積密度和顯氣孔率;按照GB/T5072-2008檢測(cè)試樣的常溫耐壓強(qiáng)度;按照GB/T3001-2017檢測(cè)試樣的常溫抗折強(qiáng)度;按照GB/T3002-2017檢測(cè)試樣的高溫抗折強(qiáng)度;按照GB/T16555-2017檢測(cè)試樣的化學(xué)成分。

使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行試樣微觀結(jié)構(gòu)的分析。

抗電解質(zhì)侵蝕試驗(yàn)方法為:把試驗(yàn)磚加工成10mm×10mm×110mm的長(zhǎng)條，插入圓形的坩堝中，坩堝中按照比例放入厚度30mm的金屬鋁粉，在鋁粉上面放入70mm厚的電解質(zhì)粉(表2)，放入馬弗爐內(nèi)充入氬氣保護(hù)，加熱至955℃，保溫50h。測(cè)量侵蝕后的體積損失率:V損失=(V電解前-V電解后)/V電解前×100%。用掃描電鏡對(duì)侵蝕后的試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

表2電解質(zhì)的化學(xué)成分%

3、結(jié)果與分析

3.1體積密度對(duì)氮化硅結(jié)合碳化硅物理性能和化學(xué)成分的影響

如圖1~圖4所示，隨著成型體積密度的升高，氮化燒成后的體積密度逐漸升高，氣孔率逐漸下降。強(qiáng)度方面，常溫耐壓強(qiáng)度逐漸升高，隨成型體積密度的升高而升高。常溫抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在體積密度為2.57g/cm3時(shí)達(dá)到最高。高溫抗折強(qiáng)度雖有波動(dòng)，但整體在50MPa左右。

圖1B1~B4試樣的成型體積密度和氮化燒成后體積密度

圖2B1~B4試樣氮化燒成后的體積密度和顯氣孔率

圖3B1~B4試樣氮化燒成后的常溫和高溫抗折強(qiáng)度

圖4B1~B4試樣氮化燒成后的常溫耐壓強(qiáng)度

硅粉氮化反應(yīng)為氣-固或氣-氣反應(yīng)機(jī)理，氮?dú)鈹U(kuò)散至硅粉顆粒表面才能發(fā)生氮化反應(yīng)，在硅粉粒度保持不變的情況下，成型體積密度的高低對(duì)氮化反應(yīng)過程有顯著的影響。成型體積密度的提高會(huì)阻礙氮?dú)馀c硅粉的接觸，影響氮?dú)庀蛟嚇觾?nèi)部擴(kuò)散，使反應(yīng)速率變慢，影響氮化反應(yīng)的程度。因此，隨著成型體積密度的升高，試樣中Si3N4的含量則隨之下降，見圖5。

圖5B1~B4試樣的SiC和Si3N4含量

3.2體積密度對(duì)氮化硅結(jié)合碳化硅抗侵蝕性能的影響

圖6示出了體積密度對(duì)試樣抗電解質(zhì)侵蝕性能的影響。

試樣的體積損失率隨著試樣體積密度的增加而降低。試樣較高的氣孔率影響著電解質(zhì)的滲透程度，較高的氣孔率有利于電解質(zhì)熔液的滲透，同時(shí)提供了更多的物質(zhì)交換通道以及更多的反應(yīng)界面，因此，體積密度決定了抗電解質(zhì)侵蝕性能的優(yōu)劣。

圖6B1~B4試樣的抗電解質(zhì)侵蝕的體積損失率

4、結(jié)論

試樣的物理性能和抗電解質(zhì)侵蝕性能隨著成型體積密度的升高而升高，而磚的氮化硅含量卻呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)轶w積密度升高導(dǎo)致顯氣孔率降低，試樣的物理性能、抗電解質(zhì)的侵蝕性能和氮化的程度均與氣孔率有關(guān)，氣孔率的降低使得試樣的物理性能和抗侵蝕能力增強(qiáng)，但也使得氮化燒成過程中氮?dú)馀c磚內(nèi)部壁的接觸更加困難，從而影響了氮化效果。

成型體積密度的選擇需要在物理性能指標(biāo)、化學(xué)成分和抗侵蝕性能方面綜合考慮，同時(shí)要考慮是否滿足客戶的要求，例如:國外某客戶的要求是Si3N4含量不低于24%、高溫抗折強(qiáng)度不低于45MPa、顯氣孔率不大于16%。就本研究而言，最佳的成型體積密度為2.57g/cm3，既可滿足客戶的要求，同時(shí)也可兼顧生產(chǎn)的便利性。