Ferrosilicon Nitrat (FeSi₃N₄)
Thành phần hóa học: Được tạo ra bằng quá trình nitrat hóa-ở nhiệt độ caohợp kim sắt silic(thường chứa65%-75%Si) trong môi trường nitơ. Pha chính là Si₃N₄ (chiếm 70%-85%), với một lượng nhỏ Fe tự do (10%-15%) và silicon không phản ứng.
Hình thức vật lý: Bột hoặc hạt màu trắng xám đến xám đậm, có mật độ khoảng 3,2-3,4g/cm³ và độ cứng HV 1400-1800.
Cấu trúc tinh thể: Bị chi phối bởi -Si₃N₄ với một lượng pha nhỏ. Các nguyên tố sắt được phân tán trong nền ở dạng hạt mịn.
Silicon Nitrua (Si₃N₄)
Thành phần hóa học: Một vật liệu gốm pha-tinh khiết có tỷ lệ nguyên tử Si:N là 3:4 và mật độ lý thuyết là 3,18g/cm³.
Hình thức vật lý: Bột màu trắng hoặc xám nhạt, tạo thành thân gốm có độ đặc cao sau khi nung kết, có độ cứng HV 1800-2200 (đối với thân thiêu kết).
Cấu trúc tinh thể: Chủ yếu tồn tại ở hai dạng: pha (loại ổn định nhiệt độ-thấp) và pha (loại ổn định nhiệt độ-cao). Sản phẩm công nghiệp điều chỉnh tỷ lệ hai pha bằng cách kiểm soát quá trình thiêu kết.
So sánh các thuộc tính chính
| Thứ nguyên so sánh | Ferrosilicon Nitrat, FeSi₃N₄ | Silicon Nitrua, Si₃N₄ | Tác động cốt lõi |
|---|---|---|---|
| Thành phần cốt lõi và độ tinh khiết | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, cấu trúc pha hỗn hợp | Độ tinh khiết Si₃N₄ Lớn hơn hoặc bằng 99% (cấp công nghiệp), Lớn hơn hoặc bằng 99,9% (cấp cao cấp), gốm pha nguyên chất | Độ tinh khiết xác định giới hạn hiệu suất trên; sắt silicon nitride cân bằng giữa chức năng và chi phí, trong khi silicon nitride tập trung vào hiệu suất cao nhất. |
| Thuộc tính vật lý chính | Độ dẫn nhiệt 15-30 W/(m・K), độ bền uốn 300-600 MPa, độ cứng HV 1400-1800 | Độ dẫn nhiệt 40-170 W/(m・K) ( pha lên tới 200), độ bền uốn 700-1500 MPa, độ cứng HV 1800-2200 | Silicon nitride vượt trội hơn sắt silicon nitride về mọi mặt, đặc biệt là ở nhiệt độ cao và độ bền cơ học. |
| Tính ổn định hóa học | Quá trình oxy hóa ở 1300-1400 độ tạo thành màng bảo vệ SiO₂, chống ăn mòn axit và kiềm (trừ các chất oxy hóa mạnh) | Ổn định ở 1600-1700 độ, chống ăn mòn bởi hầu hết các môi trường hóa học, cấu trúc pha tinh khiết không có kết tủa tạp chất | Silicon nitride phù hợp với nhiệt độ cao hơn và môi trường ăn mòn nghiêm trọng hơn. |
| Khó khăn của quá trình sản xuất | Quá trình thấm nitơ ở nhiệt độ cao-của ferrosilicon (1350-1450 độ, 8-12 giờ), một quy trình hoàn thiện. | Thiêu kết phản ứng / thiêu kết ép nóng (1700-1850 độ, cần chất hỗ trợ thiêu kết), quy trình phức tạp | Sắt silicon nitride có công suất sản xuất lớn (1,5 triệu tấn/năm trên toàn cầu, trong đó Trung Quốc chiếm 65%), đảm bảo nguồn cung ổn định cao. |
Sự khác biệt trong quá trình chuẩn bị
Chuẩn bịFerrosilicon Nitrat
Năng lực sản xuất toàn cầu: khoảng 1,5 triệu tấn/năm, vớiTrung Quốc chiếm 65%.
Chuẩn bị nguyên liệu thô:
Chọn hợp kim ferrosilicon (65%-75% Si) và nghiền nát đến kích thước nhỏ hơn 1mm.
Phản ứng nitrat hóa:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) vào lò điện trở thẳng đứng, đun nóng đến 1350-1450 độ và phản ứng trong 8-12 giờ để tạo thành pha tổng hợp trong đó các hạt sắt được bọc trong Si₃N₄.
Sau{0}}điều trị:
Sau khi làm mát, nghiền và sàng lọc sản phẩm, đồng thời loại bỏ sắt tự do thông qua phương pháp tách từ để kiểm soát hàm lượng Fe trong khoảng 10% -15%.
Chuẩn bịSilicon Nitrua
Phương pháp thiêu kết phản ứng:
Ép bột silicon thành khối đặc, sau đó phản ứng với nitơ ở nhiệt độ 1350-1450 độ để tổng hợp -Si₃N₄. Quá trình thiêu kết thứ cấp là cần thiết để cô đặc.
Phương pháp thiêu kết ép nóng:
Thêm chất hỗ trợ thiêu kết như MgO và Y₂O₃ rồi nung kết ở nhiệt độ 1700-1850 độ dưới áp suất 20-30MPa để thu được mật độ cao -Si₃N₄.
Phương pháp thiêu kết áp suất khí:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) để ức chế sự phân hủy của Si₃N₄ và tạo ra các thành phần gốm có độ tinh khiết cao.
So sánh các lĩnh vực ứng dụng cốt lõi
Ứng dụng của Ferrosilicon Nitride
Vật liệu chịu lửa:
Được sử dụng trong đất sét lỗ tanh của các lò cao lớn (ví dụ lò cao 4966m³ của Baosteel) để cải thiện khả năng chống xói mòn và ổn định sốc nhiệt, giảm 30% sự dao động của độ sâu lỗ vòi.
Luyện kim sắt thép:
Dùng thay thế một phần FeSi và FeN làm chất khử oxy, giảm chi phí hợp kim từ 15%-20% trong sản xuất thanh cốt thép HRB400.
Mặc-lớp phủ chống mài mòn:
Lớp phủ FeSi₃N₄ phun nhiệt được áp dụng cho máy móc khai thác mỏ, với tỷ lệ mài mòn thấp hơn 50% so với thép cacbon truyền thống.
Ứng dụng của Silicon Nitride
Các bộ phận kết cấu có nhiệt độ cao-:
Được sử dụng trong các cánh tuabin động cơ aero{0}}(động cơ GE9X sử dụng vòng bi gốm Si₃N₄), có thể chịu được nhiệt độ cao 1300 độ và giảm trọng lượng 30%.
Trường điện tử:
Chất nền silicon nitride cho trạm gốc 5G có độ dẫn nhiệt 170W/(m·K), với hiệu suất tản nhiệt gấp đôi so với Al₂O₃.
Dụng cụ cắt:
Dụng cụ gốm dựa trên Si₃N₄-để xử lý hợp kim dựa trên niken-có thể đạt tốc độ cắt 300m/phút, với tuổi thọ gấp 5 lần so với cacbua xi măng.
Hướng dẫn lựa chọn và khuyến nghị của ngành
Tiêu chí lựa chọn vật liệu
Đối với-các vật liệu khử oxy hoặc vật liệu chịu lửa có chi phí thấp, ferrosilicon nitride được ưu tiên hơn (chi phí của nó chỉ bằng 1/5-1/10 silicon nitride).
Đối với các ứng dụng yêu cầu-độ bền nhiệt độ cao hoặc hiệu suất cách nhiệt, phải sử dụng silicon nitride (chẳng hạn như trong bao bì bán dẫn và vòng bi-nhiệt độ cao).
Xu hướng ngành
Ferrosilicon Nitrat:
Phát triển theo hướng có hàm lượng silicon thấp (60% Si) và hàm lượng nitơ cao (N trên 20%) để đáp ứng yêu cầu nấu chảy thép cacbon cực thấp.
Silicon Nitrua:
Độ dẫn nhiệt đang được cải thiện lên hơn 200W/(m·K) thông qua công nghệ tinh thể nano (ví dụ: nano -Si₃N₄ do Viện Gốm sứ Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển).
