Нітрид феросиліцію (FeSi₃N₄)
Хімічний склад: Виготовляється високотемпературним-азотуваннямферокремнієвий сплав(зазвичай містить65%-75%Si) в атмосфері азоту. Основною фазою є Si₃N4 (що становить 70%-85%), з невеликою кількістю вільного Fe (10%-15%) і кремнію, що не прореагував.
Фізична форма: сірувато-білий або темно-сірий порошок або гранули з щільністю приблизно 3,2-3,4 г/см³ і твердістю HV 1400-1800.
Кристалічна структура: переважає -Si₃N₄ з невеликою кількістю фази. Елементи заліза дисперговані в матриці у вигляді дрібних частинок.
Нітрид кремнію (Si₃N₄)
Хімічний склад: чисто{0}}фазовий керамічний матеріал з атомним співвідношенням Si:N 3:4 і теоретичною щільністю 3,18 г/см³.
Фізична форма: Білий або світло-сірий порошок, який після спікання утворює високощільне керамічне тіло з твердістю HV 1800-2200 (для спечених тіл).
Кристалічна структура: Переважно існує у двох формах: фаза (низько-температурний стабільний тип) і фаза (високо-температурний стабільний тип). Промислові продукти регулюють співвідношення двох фаз, контролюючи процес спікання.
Порівняння ключових властивостей
| Вимір порівняння | Нітрид феросиліцію, FeSi₃N₄ | Нітрид кремнію, Si₃N₄ | Основний вплив |
|---|---|---|---|
| Основні компоненти та чистота | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, структура композитної фази | Чистота Si₃N₄ більше або дорівнює 99% (промисловий клас), більше або дорівнює 99,9% (вищий -кінцевий клас), чиста фаза кераміки | Чистота визначає верхню межу продуктивності; Залізо з нітриду кремнію врівноважує функціональність і вартість, тоді як нітрид кремнію зосереджується на максимальній продуктивності. |
| Ключові фізичні властивості | Теплопровідність 15-30 Вт/(м·К), міцність на вигин 300-600 МПа, твердість HV 1400-1800 | Теплопровідність 40-170 Вт/(м·К) (фаза до 200), міцність на вигин 700-1500 МПа, твердість HV 1800-2200 | Нітрид кремнію перевершує нітрид кремнію залізо в усіх аспектах, особливо при високій температурі та механічній міцності. |
| Хімічна стабільність | Окислення при 1300-1400 градусах утворює захисну плівку SiO₂, стійку до кислотної та лужної корозії (крім сильних окислювачів) | Стабільний при 1600-1700 градусах, стійкий до корозії більшістю хімічних середовищ, структура чистої фази без опадів домішок | Нітрид кремнію підходить для вищих температур і сильніших корозійних середовищ. |
| Складність виробничого процесу | Високотемпературне-азотування феросиліцію (1350-1450 градусів, 8-12 годин), зрілий процес. | Реакційне спікання / гаряче пресування (1700-1850 градусів, вимагає допоміжних засобів спікання), складний процес | Нітрид кремнію залізо має велику виробничу потужність (1,5 мільйона тонн на рік у всьому світі, причому на Китай припадає 65%), що забезпечує високу стабільність поставок. |
Відмінності в процесах підготовки
ПідготовкаНітрид феросиліцію
Глобальна виробнича потужність: приблизно 1,5 млн т/рік, сКитай становить 65%.
Підготовка сировини:
Виберіть феросиліцієвий сплав (65%-75% Si) і подрібніть його до розміру менше 1 мм.
Реакція азотування:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) у вертикальну піч опору, нагрівають до 1350-1450 градусів і реагують протягом 8-12 годин з утворенням композитної фази, де частинки заліза загорнуті в Si₃N4.
До-лікування:
Після охолодження подрібніть і просійте продукт, а також видаліть вільне залізо за допомогою магнітної сепарації, щоб контролювати вміст Fe в межах 10%-15%.
ПідготовкаНітрид кремнію
Метод реакційного спікання:
Пресуйте кремнієвий порошок у прес, який потім реагує в азоті при 1350-1450 градусах для синтезу -Si₃N₄. Для ущільнення необхідне вторинне спікання.
Спосіб спікання гарячого пресування:
Додайте добавки для спікання, такі як MgO та Y₂O₃, і спікайте при 1700-1850 градусах під тиском 20-30 МПа, щоб отримати високощільний -Si₃N₄.
Спосіб спікання під тиском газу:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1 МПа), щоб перешкоджати розкладанню Si₃N₄ і отримувати високо{1}}керамічні компоненти.
Порівняння основних сфер застосування
Застосування нітриду феросиліцію
Вогнетриви:
Використовується в глині для літкових отворів великих доменних печей (наприклад, доменна піч Baosteel 4966m³) для підвищення стійкості до ерозії та стійкості до термічного удару, зменшуючи коливання глибини леткового отвору на 30%.
Металургія чавуну та сталі:
Служить замінником частини FeSi та FeN як розкислювача, знижуючи витрати на сплав на 15%-20% при виробництві арматури HRB400.
Зносостійкі-покриття:
Покриття FeSi₃N₄, що наносяться термічним напиленням, наносяться на гірниче обладнання, причому рівень зносу на 50% нижчий, ніж у традиційної вуглецевої сталі.
Застосування нітриду кремнію
Високотемпературні структурні частини-:
Використовується в турбінних лопатях-аеродвигунів (двигун GE9X має Si₃N₄ керамічні підшипники), які витримують високу температуру 1300 градусів і зменшують вагу на 30%.
Електронне поле:
Підкладки з нітриду кремнію для базових станцій 5G мають теплопровідність 170 Вт/(м·K), а ефективність розсіювання тепла вдвічі перевищує ефективність Al₂O₃.
Ріжучі інструменти:
Керамічні інструменти на основі Si₃N₄-для обробки сплавів на основі нікелю-можуть досягати швидкості різання 300 м/хв із терміном служби, який у 5 разів перевищує термін служби цементованого карбіду.
Керівництво з вибору та галузеві рекомендації
Критерії вибору матеріалу
Для недорогих -розкислювальних або вогнетривких матеріалів перевагу надають нітриду феросиліцію (його вартість становить лише 1/5-1/10 нітриду кремнію).
Для застосувань, які вимагають високої-температурної міцності чи ізоляції, слід використовувати нітрид кремнію (наприклад, у напівпровідникових упаковках і високо{1}}температурних підшипниках).
Галузеві тенденції
Нітрид феросиліцію:
Розвивається в бік низького вмісту кремнію (60% Si) і високого вмісту азоту (N 20%+), щоб задовольнити вимоги до плавки ультра-сталі з низьким вмістом вуглецю.
Нітрид кремнію:
Теплопровідність покращується до понад 200 Вт/(м·К) за допомогою нанокристалічної технології (наприклад, нано -Si₃N₄, розробленої Шанхайським інститутом кераміки Академії наук Китаю).
