Nitrură de ferrosiliciu (FeSi₃N₄)
Compoziție chimică: Produs prin nitrurarea la-temperatură ridicată aaliaj de ferosiliciu(conținând de obicei65%-75%Si) în atmosferă de azot. Faza principală este Si₃N₄ (reprezentând 70%-85%), cu cantități mici de Fe liber (10%-15%) și siliciu nereacționat.
Forma fizică: pulbere sau granule de culoare alb-cenușiu până la gri închis, cu o densitate de aproximativ 3,2-3,4 g/cm³ și o duritate de HV 1400-1800.
Structura de cristal: dominat de -Si₃N₄ cu o cantitate mică de fază. Elementele de fier sunt dispersate în matrice sub formă de particule fine.
Nitrură de siliciu (Si₃N₄)
Compoziție chimică: un material ceramic de fază-pură, cu un raport atomic de Si:N de 3:4 și o densitate teoretică de 3,18 g/cm³.
Forma fizică: Pulbere albă sau gri deschis, care formează un corp ceramic foarte dens după sinterizare, cu o duritate de HV 1800-2200 (pentru corpurile sinterizate).
Structura de cristal: există în principal sub două forme: fază (tip stabil-la temperatură scăzută) și fază (tip stabil-la temperatură ridicată). Produsele industriale ajustează proporția celor două faze controlând procesul de sinterizare.
Comparația proprietăților cheie
| Dimensiunea de comparație | Nitrură de ferrosiliciu, FeSi₃N₄ | Nitrură de siliciu, Si₃N₄ | Impactul de bază |
|---|---|---|---|
| Componentele de bază și puritatea | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, structura de fază compozită | Puritate Si₃N₄ Mai mare sau egală cu 99% (grad industrial), Mai mare sau egală cu 99,9% (grad-final), ceramică în fază pură | Puritatea determină limita superioară de performanță; fierul cu nitrură de siliciu echilibrează funcționalitatea și costul, în timp ce nitrura de siliciu se concentrează pe performanța maximă. |
| Proprietăți fizice cheie | Conductivitate termică 15-30 W/(m・K), rezistență la încovoiere 300-600 MPa, duritate HV 1400-1800 | Conductivitate termică 40-170 W/(m・K) (fază până la 200), rezistență la încovoiere 700-1500 MPa, duritate HV 1800-2200 | Nitrura de siliciu depășește fierul cu nitrură de siliciu în toate aspectele, în special la temperaturi ridicate și rezistență mecanică. |
| Stabilitate chimică | Oxidarea la 1300-1400 de grade formează o peliculă protectoare SiO₂, rezistentă la coroziune acidă și alcalină (cu excepția oxidanților puternici) | Stabil la 1600-1700 de grade, rezistent la coroziune de către majoritatea mediilor chimice, structură în fază pură, fără precipitare de impurități | Nitrura de siliciu este potrivită pentru temperaturi mai ridicate și medii de coroziune mai severe. |
| Dificultatea procesului de fabricație | Nitrurarea-la temperatură ridicată a ferosiliciului (1350-1450 grade, 8-12 ore), un proces matur. | Sinterizare de reacție / sinterizare prin presare la cald (1700-1850 grade, necesită ajutoare de sinterizare), proces complex | Fierul cu nitrură de siliciu are o capacitate mare de producție (1,5 milioane de tone/an la nivel global, China reprezentând 65%), asigurând o stabilitate ridicată a aprovizionării. |
Diferențele în procesele de pregătire
Pregătirea deNitrură de ferrosiliciu
Capacitate globală de producție: aproximativ 1,5 milioane tone/an, cuChina reprezintă 65%.
Pregătirea materiei prime:
Selectați aliaj de ferosiliciu (65%-75% Si) și zdrobiți-l la o dimensiune mai mică de 1 mm.
Reacția de nitridare:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) într-un cuptor cu rezistență verticală, se încălzește la 1350-1450 grade și reacționează timp de 8-12 ore pentru a forma o fază compozită în care particulele de fier sunt învelite în Si₃N₄.
Post{0}}tratament:
După răcire, zdrobiți și ecranați produsul și îndepărtați fierul liber prin separare magnetică pentru a controla conținutul de Fe în intervalul 10%-15%.
Pregătirea deNitrură de siliciu
Metoda de sinterizare cu reacție:
Presă pulberea de siliciu într-un compact, care apoi reacţionează în azot la 1350-1450 grade pentru a sintetiza -Si₃N₄. Sinterizarea secundară este necesară pentru densificare.
Metoda de sinterizare prin presare la cald:
Adăugați adjuvanti de sinterizare precum MgO și Y₂O₃ și sinterizați la 1700-1850 grade sub o presiune de 20-30MPa pentru a obține -Si₃N₄ de înaltă densitate.
Metoda de sinterizare la presiunea gazului:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) pentru a inhiba descompunerea Si₃N₄ și a produce componente ceramice de înaltă puritate-.
Comparația câmpurilor de aplicație de bază
Aplicații ale nitrurii de ferrosiliciu
Refractare:
Folosit în argila de găuri a furnalelor mari (de exemplu, furnalul Baosteel de 4966 m³) pentru a îmbunătăți rezistența la eroziune și stabilitatea șocurilor termice, reducând fluctuația adâncimii găurii cu 30%.
Metalurgia fierului și oțelului:
Servește ca înlocuitor pentru o parte din FeSi și FeN ca dezoxidant, reducând costurile aliajelor cu 15%-20% în producția de bare de armare HRB400.
Acoperiri rezistente la uzură:
Acoperirile FeSi₃N₄ cu pulverizare termică sunt aplicate mașinilor de minerit, cu o rată de uzură cu 50% mai mică decât cea a oțelului carbon tradițional.
Aplicații ale nitrurii de siliciu
Piese structurale cu temperatură ridicată-:
Folosit la paletele turbinelor de motoare aero-(motorul GE9X adoptă rulmenți ceramici Si₃N₄), care pot rezista la o temperatură ridicată de 1300 de grade și pot reduce greutatea cu 30%.
Câmp electronic:
Substraturile cu nitrură de siliciu pentru stațiile de bază 5G au o conductivitate termică de 170 W/(m·K), cu o eficiență de disipare a căldurii de două ori mai mare decât a Al₂O₃.
Unelte de tăiere:
Sculele ceramice pe bază de Si₃N₄-pentru prelucrarea aliajelor-pe bază de nichel pot atinge o viteză de tăiere de 300 m/min, cu o durată de viață de 5 ori mai mare decât a carburii cimentate.
Ghid de selecție și recomandări din industrie
Criterii de selecție a materialelor
Pentru dezoxidarea cu costuri reduse sau materialele refractare, este preferată nitrura de ferosiliciu (costul acesteia este de numai 1/5-1/10 de nitrură de siliciu).
Pentru aplicațiile care necesită rezistență ridicată la temperatură sau performanță de izolație, trebuie utilizată nitrură de siliciu (cum ar fi ambalajele semiconductoarelor și rulmenții de-temperatură înaltă).
Tendințe din industrie
Nitrură de ferrosiliciu:
Dezvoltarea către un nivel scăzut de siliciu (60% Si) și un nivel ridicat de azot (N 20%+) pentru a îndeplini cerințele de topire ale oțelului cu ultra-carbon carbon.
Nitrură de siliciu:
Conductivitatea termică este îmbunătățită la peste 200 W/(m·K) prin tehnologia nanocristalină (de exemplu, nano -Si₃N₄ dezvoltat de Institutul de Ceramică din Shanghai, Academia Chineză de Științe).
