Ferrosiliciumnitrid (FeSi₃N₄)
Kemisk sammensætning: Fremstillet ved høj-temperaturnitrering afferro silicium legering(typisk indeholdende65%-75%Si) i en nitrogenatmosfære. Hovedfasen er Si3N4 (der tegner sig for 70%-85%), med små mængder frit Fe (10%-15%) og uomsat silicium.
Fysisk form: Gråligt-hvidt til mørkegrå pulver eller granulat med en densitet på ca. 3,2-3,4 g/cm³ og en hårdhed på HV 1400-1800.
Krystal struktur: Domineret af -Si₃N₄ med en lille mængde fase. Jernelementer er spredt i matrixen i form af fine partikler.
Siliciumnitrid (Si₃N₄)
Kemisk sammensætning: Et ren-faset keramisk materiale med et atomforhold af Si:N på 3:4 og en teoretisk densitet på 3,18 g/cm³.
Fysisk form: Hvidt eller lysegråt pulver, som danner en meget tæt keramisk krop efter sintring, med en hårdhed på HV 1800-2200 (til sintrede legemer).
Krystal struktur: Findes hovedsageligt i to former: fase (lav-temperaturstabil type) og fase (høj-temperaturstabil type). Industriprodukter justerer andelen af de to faser ved at styre sintringsprocessen.
Sammenligning af nøgleegenskaber
| Sammenligningsdimension | Ferrosiliciumnitrid, FeSi3N4 | Siliciumnitrid, Si3N4 | Kernepåvirkning |
|---|---|---|---|
| Kernekomponenter og renhed | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, sammensat fasestruktur | Si₃N₄ renhed Større end eller lig med 99 % (industriel kvalitet), Større end eller lig med 99,9 % (høj- endekvalitet), ren fase keramik | Renhed bestemmer den øvre grænse for ydeevne; siliciumnitrid jern balancerer funktionalitet og omkostninger, mens siliciumnitrid fokuserer på ultimativ ydeevne. |
| Vigtige fysiske egenskaber | Termisk ledningsevne 15-30 W/(m・K), bøjningsstyrke 300-600 MPa, hårdhed HV 1400-1800 | Termisk ledningsevne 40-170 W/(m・K) (fase op til 200), bøjningsstyrke 700-1500 MPa, hårdhed HV 1800-2200 | Siliciumnitrid overgår siliciumnitridjern i alle aspekter, især i høj temperatur og mekanisk styrke. |
| Kemisk stabilitet | Oxidation ved 1300-1400 grader danner en SiO₂ beskyttende film, modstandsdygtig over for syre- og alkalikorrosion (undtagen stærke oxidanter) | Stabil ved 1600-1700 grader, modstandsdygtig over for korrosion af de fleste kemiske medier, ren fasestruktur uden urenhedsudfældning | Siliciumnitrid er velegnet til højere temperaturer og mere alvorlige korrosionsmiljøer. |
| Vanskeligheder ved fremstillingsprocessen | Høj-temperaturnitrering af ferrosilicium (1350-1450 grader, 8-12 timer), en moden proces. | Reaktionssintring / varmpressende sintring (1700-1850 grader, kræver sintringshjælpemidler), kompleks proces | Siliciumnitridjern har en stor produktionskapacitet (1,5 millioner tons/år globalt, hvor Kina tegner sig for 65%), hvilket sikrer høj forsyningsstabilitet. |
Forskelle i forberedelsesprocesser
Udarbejdelse afFerrosiliciumnitrid
Global produktionskapacitet: ca. 1,5 millioner tons/år, medKina står for 65 %.
Råvareforberedelse:
Vælg ferrosiliciumlegering (65%-75% Si), og knus den til en størrelse på mindre end 1 mm.
Nitreringsreaktion:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) ind i en lodret modstandsovn, opvarm til 1350-1450 grader og reagere i 8-12 timer for at danne en sammensat fase, hvor jernpartikler er pakket ind i Si₃N4.
Efter-behandling:
Efter afkøling, knus og sigt produktet, og fjern frit jern gennem magnetisk adskillelse for at kontrollere Fe-indholdet inden for 10%-15%.
Udarbejdelse afSiliciumnitrid
Reaktionssintringsmetode:
Pres siliciumpulver til en kompakt, som derefter reagerer i nitrogen ved 1350-1450 grader for at syntetisere -Si₃N₄. Sekundær sintring er nødvendig for fortætning.
Varmpressende sintringsmetode:
Tilsæt sintringshjælpemidler såsom MgO og Y₂O₃, og sintrer ved 1700-1850 grader under et tryk på 20-30MPa for at opnå højdensitet -Si₃N₄.
Gastryksintringsmetode:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) for at hæmme nedbrydningen af Si₃N4 og producere keramiske komponenter med høj-renhed.
Sammenligning af kerneapplikationsfelter
Anvendelser af ferrosiliciumnitrid
Ildfaste materialer:
Anvendes i hanehulsler i store højovne (f.eks. Baosteels 4966m³ højovn) for at forbedre erosionsbestandigheden og termisk stødstabilitet, hvilket reducerer udsvinget i hanehulsdybden med 30%.
Jern- og stålmetallurgi:
Fungerer som en erstatning for en del af FeSi og FeN som et deoxidationsmiddel, hvilket reducerer legeringsomkostningerne med 15%-20% i produktionen af HRB400 armeringsjern.
Slidfaste-belægninger:
Termisk sprøjtede FeSi₃N₄-belægninger påføres minemaskiner med en slidhastighed, der er 50 % lavere end for traditionelt kulstofstål.
Anvendelser af siliciumnitrid
Strukturelle dele med høj-temperatur:
Brugt i aero-turbineblade (GE9X-motoren anvender Si₃N₄ keramiske lejer), som kan modstå en høj temperatur på 1300 grader og reducere vægten med 30 %.
Elektronisk felt:
Siliciumnitridsubstrater til 5G-basisstationer har en termisk ledningsevne på 170W/(m·K), med en varmeafledningseffektivitet, der er dobbelt så stor som Al2O₃.
Skæreværktøj:
Si₃N₄-baserede keramiske værktøjer til bearbejdning af nikkel-baserede legeringer kan opnå en skærehastighed på 300 m/min med en levetid, der er 5 gange så lang som hårdmetal.
Udvælgelsesvejledning og brancheanbefalinger
Materialevalgskriterier
Til billige-deoxidations- eller ildfaste materialer foretrækkes ferrosiliciumnitrid (det koster kun 1/5-1/10 af siliciumnitrid).
Til applikationer, der kræver høj-temperaturstyrke eller isoleringsevne, skal der anvendes siliciumnitrid (såsom i halvlederemballage og høj-temperaturlejer).
Industritendenser
Ferrosiliciumnitrid:
Udvikling i retning af lavt silicium (60 % Si) og højt nitrogenindhold (N 20 %+) for at imødekomme smeltekravene for ultra-lavt kulstofstål.
Siliciumnitrid:
Den termiske ledningsevne forbedres til over 200W/(m·K) gennem nanokrystallinsk teknologi (f.eks. nano -Si₃N₄ udviklet af Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences).
