Nitrur de ferrosilici (FeSi₃N₄)
Composició química: produït per nitruració a-alta temperatura dealiatge de ferro silici(normalment conté65%-75%Si) en atmosfera de nitrogen. La fase principal és Si₃N₄ (que representa un 70%-85%), amb petites quantitats de Fe lliure (10%-15%) i silici sense reaccionar.
Forma física: pols o grànuls de blanc grisenc-grisenc a gris fosc, amb una densitat d'aproximadament 3,2-3,4 g/cm³ i una duresa de HV 1400-1800.
Estructura de cristall: dominat per -Si₃N₄ amb una petita quantitat de fase. Els elements de ferro es dispersen a la matriu en forma de partícules fines.
Nitrur de silici (Si₃N₄)
Composició química: un material ceràmic en fase-pura amb una proporció atòmica de Si:N de 3:4 i una densitat teòrica de 3,18 g/cm³.
Forma física: Pols blanca o gris clar, que forma un cos ceràmic molt dens després de la sinterització, amb una duresa de HV 1800-2200 (per a cossos sinteritzats).
Estructura de cristall: existeix principalment de dues formes: fase (tipus estable a baixa-temperatura) i fase (tipus estable-alta temperatura). Els productes industrials ajusten la proporció de les dues fases controlant el procés de sinterització.
Comparació de propietats clau
| Dimensió de comparació | Nitrur de ferrosilici, FeSi₃N₄ | Nitrur de silici, Si₃N₄ | Impacte bàsic |
|---|---|---|---|
| Components bàsics i puresa | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, estructura de fase composta | Puresa de Si₃N₄ Superior o igual al 99% (grau industrial), superior o igual al 99,9% (grau-alta), ceràmica de fase pura | La puresa determina el límit superior de rendiment; El ferro de nitrur de silici equilibra la funcionalitat i el cost, mentre que el nitrur de silici se centra en el màxim rendiment. |
| Propietats físiques clau | Conductivitat tèrmica 15-30 W/(m·K), resistència a la flexió 300-600 MPa, duresa HV 1400-1800 | Conductivitat tèrmica 40-170 W/(m·K) (fase fins a 200), resistència a la flexió 700-1500 MPa, duresa HV 1800-2200 | El nitrur de silici supera el ferro de nitrur de silici en tots els aspectes, especialment a alta temperatura i resistència mecànica. |
| Estabilitat Química | L'oxidació a 1300-1400 graus forma una pel·lícula protectora de SiO₂, resistent a la corrosió àcida i alcalina (excepte els oxidants forts) | Estable a 1600-1700 graus, resistent a la corrosió per la majoria de mitjans químics, estructura de fase pura sense precipitació d'impureses | El nitrur de silici és adequat per a temperatures més altes i ambients de corrosió més greus. |
| Dificultat del procés de fabricació | Nitruració de ferrosilici a alta -temperatura (1350-1450 graus, 8-12 hores), un procés madur. | Sinterització de reacció / sinterització de premsa en calent (1700-1850 graus, requereix ajuda de sinterització), procés complex | El ferro de nitrur de silici té una gran capacitat de producció (1,5 milions de tones/any a nivell mundial, amb la Xina que representa el 65%), assegurant una alta estabilitat del subministrament. |
Diferències en els processos de preparació
Preparació deNitrur de ferrosilici
Capacitat de producció global: aproximadament 1,5 milions de tones/any, ambXina representa el 65%.
Preparació de matèries primeres:
Seleccioneu un aliatge de ferrosilici (65%-75% Si) i tritureu-lo a una mida inferior a 1 mm.
Reacció de nitridació:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) en un forn de resistència vertical, escalfeu-lo a 1350-1450 graus i reaccioneu durant 8-12 hores per formar una fase composta on les partícules de ferro s'emboliquen en Si₃N₄.
Post{0}}tractament:
Després de refredar-se, tritureu i filtreu el producte i traieu el ferro lliure mitjançant la separació magnètica per controlar el contingut de Fe en un 10%-15%.
Preparació deNitrur de silici
Mètode de sinterització de reacció:
Premeu la pols de silici en un compacte, que després reacciona en nitrogen a 1350-1450 graus per sintetitzar -Si₃N₄. La sinterització secundària és necessària per a la densificació.
Mètode de sinterització de premsat en calent:
Afegiu auxiliars de sinterització com ara MgO i Y₂O₃ i sinteritzeu a 1700-1850 graus sota una pressió de 20-30MPa per obtenir -Si₃N₄ d'alta densitat.
Mètode de sinterització a pressió de gas:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) per inhibir la descomposició de Si₃N₄ i produir components ceràmics d'alta -puresa.
Comparació dels camps d'aplicació bàsics
Aplicacions del nitrur de ferrosilici
Refractaris:
S'utilitza en l'argila de forats grans d'alts forns (per exemple, l'alt forn de 4966 m³ de Baosteel) per millorar la resistència a l'erosió i l'estabilitat del xoc tèrmic, reduint la fluctuació de la profunditat del forn en un 30%.
Metal·lúrgia del ferro i de l'acer:
Serveix com a substitut de part de FeSi i FeN com a desoxidant, reduint els costos d'aliatge entre un 15% i un 20% en la producció de barres d'armadura HRB400.
Recobriments-resistents al desgast:
Els recobriments de FeSi₃N₄ amb polvorització tèrmica s'apliquen a la maquinària de mineria, amb una taxa de desgast un 50% inferior a la de l'acer al carboni tradicional.
Aplicacions del nitrur de silici
Parts estructurals d'alta -temperatura:
S'utilitza en pales de turbines de motor aero-(el motor GE9X adopta coixinets de ceràmica Si₃N₄), que poden suportar una temperatura elevada de 1300 graus i reduir el pes en un 30%.
Camp electrònic:
Els substrats de nitrur de silici per a estacions base 5G tenen una conductivitat tèrmica de 170 W/(m·K), amb una eficiència de dissipació de calor el doble que l'Al₂O₃.
Eines de tall:
Les eines ceràmiques basades en Si₃N₄-per processar aliatges-a base de níquel poden assolir una velocitat de tall de 300 m/min, amb una vida útil 5 vegades superior a la del carbur cimentat.
Guia de selecció i recomanacions del sector
Criteris de selecció del material
Per a materials refractaris o de desoxidació de baix cost-, es prefereix el nitrur de ferrosilici (el seu cost només és d'1/5-1/10 de nitrur de silici).
Per a aplicacions que requereixen una resistència a la temperatura o un rendiment d'aïllament elevats, s'ha d'utilitzar nitrur de silici (com ara en envasos de semiconductors i coixinets d'alta-temperatura).
Tendències del sector
Nitrur de ferrosilici:
Desenvolupament cap a baix silici (60% Si) i alt nitrogen (N 20%+) per satisfer els requisits de fosa de l'acer ultra-baix en carboni.
Nitrur de silici:
La conductivitat tèrmica s'està millorant a més de 200 W/(m·K) mitjançant la tecnologia nanocristal·lina (p. ex., nano -Si₃N₄ desenvolupat per l'Institut de Ceràmica de Xangai, Acadèmia Xinesa de Ciències).
