窒化物結合炭化ケイ素耐火物の種類及び製造方法

窒化物はエンジニアリングセラミックスの中で比較的多く研究されている非酸化物材料の一種である。このような材料の中で比較的に多く用いられているのはSi 3 N 4、BN、TiNなどであり、それらはすべて共有結合化合物またはイオン結合化合物であり、結合が強く、硬度が大きく、融点が高く、化学的性質が安定し、化学腐食に耐えるなどの特徴を持っている。窒化物セラミックスは、従来の酸化物セラミックスと比較しても比較的高い靭性を有する。耐火物において、現在の窒化物の使用は主に結合相と添加剤として限定されている。

窒化物結合耐火物は窒化物を結合相とする耐火物であり、最も一般的な窒化物結合相はSi 3 N 4、Si 2 N 2 Oとセロンなどがあり、SiCやコランダムなどの粒子を骨材とする。結合方式によって、Si 3 N 4結合SiC製品、Sialon結合SiC製品、Sialon結合コランダム製品、Si 2 N 2 O結合SiC製品などに分けられる。

1、酸窒化ケイ素結合炭化ケイ素

Si 2 N 2 OとSi 3 N 4の性能は比較的に似ており、高温でのSiCの結合相とすることができ、しかもその抗酸化性はSi 3 N 4より優れている。酸窒化ケイ素結合炭化ケイ素製品の製造は窒化炉で完成し、採用された原料はケイ素粉末、シリカと炭化ケイ素であり、反応後に生成されたSi 2 N 2 OはSiC粒子を結合し、Si 2 N 2 Oを結合相とする炭化ケイ素製品を形成し、主に発生した反応は以下の通りである：

SiO2+3Si+2N2→2Si2N2O

反応後の製品はその主結晶相がSiCであり、次結晶相がSi 2 N 2 Oであり、板状のSi 2 N 2 Oがマトリックス中に均一に分散し、[SiN 3 O]四面体の形でSiC粒子を包み、Si 2 N 2 O結合のSiC材料を形成し、この顕微構造はSiCがSiO 2に酸化されるのをある程度阻害でき、抗酸化性能が向上し、さらにSi 2 N 2 O-SiCの酸化後の体積密度も増大している。

研究によると、Si 2 N 2 O結合SiC、Si 3 N 4結合SiCなどの材料は比較的高い温度でマグネシウム、アルミニウムなどの金属溶融体と直接反応せず、その表面の酸化膜と金属溶融体の間で反応し、材料表面の酸化物薄膜が金属溶融体に浸食された後、Si 3 N 4、SiCおよびSi 2 N 2 Oが溶融体に濡れないため、材料の金属溶融体浸食抵抗性能が向上した。Si 2 N 2 Oの抗酸化性能はSi 3 N 4より優れ、金属溶融体との反応程度が低く、酸窒化ケイ素結合炭化ケイ素材料の金属溶融浸食抵抗性能を高めた、同時に材料の溶融体への汚染が低下し、製錬金属中の成分の制御に有利である。