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                    氮化硅铁的性能及制备方法
                    时间:2022-02-17

                    氮化硅铁(Fe-Si3N4)是利用氮化技术在高温下合成的一种新型氮化物系原料。20世纪70年代,日本就已成功研制出这种新的氮化硅系耐火原料——氮化硅铁。它是把硅铁合金粉在化气氛中加热到1200~1400℃进行氮化后的产物,其主要成分为75%~80%(w)的氮化硅,还含有游离铁和未氮化的FeSi。自此,许多国家开始对氮化硅铁这种材料进行了研究。

                       氮化硅铁由于具有良好的高温性能、抗侵蚀、耐磨性和烧结性,较高的热导率,较小的热膨胀系数等优点,除了在高炉炮泥中广泛使用外,还在含碳耐火材料、高温结构材料、镁质浇注料等耐火材料中有广阔的应用前景。本文中,就氮化硅铁的性能、制备及在耐火材料中的应用等方面的研究进展进行了系统地介绍,为Fe-Si3N4的研究和应用提供一些参考。

                    1、氮化硅铁的性能

                        耐火材料用氮化硅铁是一种灰白色(或茶褐色)的粉末,炼钢用氮化硅铁是灰白色粒状物。氮化硅铁是氮化硅和铁的混合物,一般含有75%~80%(w)的Si3N4,12%~17%(w)的Fe,游离的Si不大于1%(w)。氮化硅铁中的Si3N4有以和3两种晶型,均为六方晶体,铁元素以α-Fe或(和)铁的硅化物形式存在。表1示出了国内外厂家生产的氮化硅铁产品的典型性能对比。


                       采用的合成方法不同,制备的氮化硅铁物相组成、结构和性能有所不同。例如:采用闪速燃烧工艺合成的氮化硅铁相组成为β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和少量SiO2,结构中存在大量长径比较高的柱状氮化硅晶体,FegSi位于柱状结晶所包裹材料的内部,形成包裹体结构,且结构疏松,活性较强;而采用自蔓延高温合成的氮化硅铁由β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和Si2N2O组成,显微结构为致密的氮化硅块体,在块体表面覆盖有氧氮化硅膜,块体的间隙存在晶形细小的氮化硅晶体,含铁组分镶嵌在致密的块体中,且结构致密,性质稳定。

                        Fe-Si3N4含有高温氮化硅相而具有优异的高温性能,还含有塑性Fe相,可促进烧结,提高Si3N4抗氧化性。Fe-Si3N4粉体在耐火材料中的应用大多是作为添加剂,一般使用的氮化硅铁粉的粒度为≤0.074mm,少数要求氮化硅铁粉的粒度为≤0.045mm。

                    2、氮化硅铁的制备方法

                    2.1直接氮化法

                       直接氮化法是将硅铁粉和硅粉在氮气中高温长时间氮化来制备氮化硅铁粉末。如文献中发明的“氮化硅铁的制造方法”就是以硅粉、硅铁粉为原料,在氮气气氛下,温度为1000~1400℃,升温速率高于10℃·h-1,长时间氮化生成氮化硅铁。直接氮化法温度高,时间长。为了降低氮化温度及缩短氮化时间,有采用机械化学法对原料进行处理;也有先将原料进行处理后,再进一步调整烧成制度。有研究表明:直接氮化过程中硅铁粉的粒度对氮化效果影响很大,较细的硅铁粉(d50=5.229μm)氮化时,反应速度快,反应剧烈,导致烧结严重,氮化效果差;而较粗的硅铁粉(d50=13.41μm)氮化效果较好。

                       总的说来,直接氮化法制备Fe-Si3N4的优点是工艺简单,所需设备少;缺点是氮化率低,氮化时间长,能耗高。此外,要得到高含量的β-Si3N4,必须长时间高温氮化,使得能耗大增。

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