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Si3N4-SiC砖的氮化反应及使用损坏原因

添加时间:2021年5月31日  浏览次数:

传统的干压成型方法已难以满足进一步实用化和产业化的要求,比如Si3N4-SiC窑炉烧嘴属于异型制品,只适宜采用浇注法成型,因此开发Si3N4-SiC浇注成型工艺具有很强的实用意义。

将粗、中、细颗粒的SiC及Si粉合理搭配,辅以一定的添加剂和结合剂,在钟型混料机中充分混合,然后采用浇注成型,烘干后装入大型氮化炉,在纯净的氮气气氛中烧成,使坯体里的Si生成 Si3N4,得到以Si3N4为结合相的SiC复合材料。

碳化硅很难烧结,其晶界能与表面能之比很高,不易获得足够的能量,形成晶界而烧结成块体。碳化硅烧结时的扩散速度很低,其表面的氧化膜也起扩散势垒作用。因此氮化硅结合碳化硅就是把Si3N4作为结合剂和助烧剂而得到致密的性能优异的Si3N4- SiC材料。

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研究硅的氮化动力学时得知,在1400—1490℃,历时2h 就可以使氮达到最大的饱和程度,并生成Si3N4。在较高的温度下进行氮化时,将导致氮化硅部分分解;当温度高于1600℃时,氮化硅的分解速度超过了它的生成速度,而在1820—1830℃时它完全分解。这样,当温度为1400—1480℃,在氮气中对由SiC和Si粉混合物组成的多孔坯体进行烧结时,生成Si3N4,该化合物使SiC颗粒胶结起来,此时材料中保持了供氮扩散用的开口气孔率大于15—19% )。在生成Si3N4结合剂的烧结反应过程中,碳化硅不参与反应。对Si-C-N系统平衡的研究表明,在该温度下SiC不与氮及氮化硅发生反应。采用细颗粒硅时,可使结合剂中 Si3N4生成得更完全。制取Si3N4 结合的碳化硅材料需要专门的高温加热设备,以保证于1400—1500℃在纯氮保护性介质中进行加热,这涉及到较大的技术难题。

氮化反应是一种有气相参加的放热反应,根据此反应特点来确定最后适宜的氮化工艺参数 (氮化气体的组成、压力、升温制度等)以获得最佳的反应烧结Si3N4—SiC产品。对于氮化工艺,以前大都采用分阶段升温和超温氮化(即最终的氮化温度高于硅熔点)的温度制度,氮化气体则是流态的。每个阶段所需的保温时间,则随SiC坯体的密度、硅颗粒的尺寸以及产品所要求的性能而定。

对当前使用的氮化硅结合碳化硅砖的使用情况和质量问题进行了调查分析。该类型砖损坏原因主要有裂纹、裂纹加爆皮、腐蚀变形、外力损坏等。裂纹是最主要的原因占95%;裂纹加爆皮占0.85%;腐蚀变形占3.3%;外力损坏占0.85%。经分析,导致以上损坏的原因主要是产品质量问题和使用不当,而产品质量不佳的主要因素是原料不良、制作不良、运输不良、设计不良,与生产关系密切的是原料不良、制作不良、运输不良、设计不良。

氮化硅结合碳化硅砖在生产实践应用中产品存在结构变形、保温性能差等诸多问题,采取合理的原材料配比和生产工艺能克服缺陷,生产出优质、经济适用的氮化硅结合碳化硅砖,为环境优化、企业增效带来帮助,增强绿色可持续发展的动力。

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