Ferroszilícium-nitrid (FeSi₃N4)
Kémiai összetétel: Magas hőmérsékletű-nitridálással állítják elővas-szilícium ötvözet(általában tartalmaz65%-75%Si) nitrogénatmoszférában. A fő fázis a Si3N4 (70%-85%), kis mennyiségű szabad vas (10%-15%) és el nem reagált szilícium.
Fizikai forma: Szürkés-fehér vagy sötétszürke por vagy granulátum, sűrűsége körülbelül 3,2–3,4 g/cm³, keménysége HV 1400–1800.
Kristályszerkezet: -Si₃N₄ dominál kis mennyiségű fázissal. A vaselemek finom részecskék formájában diszpergálódnak a mátrixban.
Szilícium-nitrid (Si3N4)
Kémiai összetétel: Tiszta-fázisú kerámiaanyag, amelynek Si:N atomaránya 3:4, elméleti sűrűsége 3,18 g/cm³.
Fizikai forma: Fehér vagy világosszürke por, amely szinterezés után nagy sűrűségű kerámiatestet képez, keménysége HV 1800-2200 (szinterezett testekhez).
Kristályszerkezet: Főleg két formában létezik: fázis (alacsony-hőmérsékletű stabil típus) és fázis (magas-hőmérsékletű stabil típus). Az ipari termékek a szinterezési folyamat szabályozásával állítják be a két fázis arányát.
A kulcstulajdonságok összehasonlítása
| Összehasonlítási dimenzió | Ferroszilícium-nitrid, FeSi3N4 | Szilícium-nitrid, Si3N4 | Core Impact |
|---|---|---|---|
| Alapkomponensek és tisztaság | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, kompozit fázisszerkezet | Si₃N4 tisztaság 99% vagy annál nagyobb (ipari minőségű), 99,9% vagy egyenlő (magas-végminőség), tiszta fázisú kerámia | A tisztaság határozza meg a teljesítmény felső határát; A szilícium-nitrid vas egyensúlyban tartja a funkcionalitást és a költségeket, míg a szilícium-nitrid a tökéletes teljesítményre összpontosít. |
| Főbb fizikai tulajdonságok | Hővezetőképesség 15-30 W/(m・K), hajlítószilárdság 300-600 MPa, keménység HV 1400-1800 | Hővezetőképesség 40-170 W/(m・K) (fázis 200-ig), hajlítószilárdság 700-1500 MPa, keménység HV 1800-2200 | A szilícium-nitrid minden szempontból felülmúlja a szilícium-nitrid vasat, különösen magas hőmérsékleten és mechanikai szilárdságban. |
| Kémiai stabilitás | Az 1300-1400 fokos oxidáció során SiO₂ védőfilm képződik, amely ellenáll a savas és lúgos korróziónak (kivéve az erős oxidálószereket) | Stabil 1600-1700 fokon, ellenáll a legtöbb kémiai közeg által okozott korróziónak, tiszta fázisszerkezet, szennyeződés kicsapódás nélkül | A szilícium-nitrid alkalmas magasabb hőmérsékletű és súlyosabb korróziós környezetekre. |
| A gyártási folyamat nehézségei | A ferroszilícium magas hőmérsékletű-nitridálása (1350-1450 fok, 8-12 óra), kiforrott folyamat. | Reakciós szinterezés / melegsajtolásos szinterezés (1700-1850 fok, szinterezési segédanyagokat igényel), összetett folyamat | A szilícium-nitrid vas nagy gyártási kapacitással rendelkezik (1,5 millió tonna/év globálisan, Kína részesedése 65%), ami magas ellátási stabilitást biztosít. |
Az előkészítési folyamatok különbségei
ElőkészítéseFerroszilícium-nitrid
Globális termelési kapacitás: kb. 1,5 millió tonna/évKína részesedése 65%.
Nyersanyag előkészítés:
Válassza ki a ferroszilícium ötvözetet (65%-75% Si), és törje össze 1 mm-nél kisebb méretre.
Nitridációs reakció:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) függőleges ellenállású kemencébe melegítjük, 1350-1450 fokra melegítjük, és 8-12 órán keresztül reagálunk, hogy összetett fázist képezzenek, amelyben a vasrészecskéket Si3N4-be csomagolják.
utólagos-kezelést:
Lehűlés után törje össze és szitálja a terméket, és távolítsa el a szabad vasat mágneses elválasztással, hogy a vastartalmat 10-15% között szabályozza.
ElőkészítéseSzilícium-nitrid
Reakciós szinterezési módszer:
Nyomjon szilíciumport egy tömörítőbe, amely ezután nitrogénben 1350-1450 fokos hőmérsékleten -Si3N4 szintetizálódik. A tömörítéshez másodlagos szinterezés szükséges.
Meleg préselési szinterezési módszer:
Adjon hozzá szinterezési segédanyagokat, például MgO-t és Y₂O3-t, és szinterelje 1700{2}}1850 fokon 20-30 MPa nyomáson, hogy nagy sűrűségű -Si₃N4-et kapjon.
Gáznyomásos szinterezési módszer:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) a Si3N4 bomlásának gátlására és nagy tisztaságú kerámiakomponensek előállítására.
Az alapvető alkalmazási területek összehasonlítása
A ferroszilícium-nitrid alkalmazásai
Tűzálló anyagok:
Nagyolvasztó kemencék (pl. Baosteel 4966 m³-es nagyolvasztó kemencéje) csapólyuk agyagában használják az erózióállóság és a hősokk stabilitásának javítására, 30%-kal csökkentve a csaplyuk mélységének ingadozását.
Vas- és acélkohászat:
A FeSi és a FeN egy részének helyettesítésére szolgál deoxidálószerként, 15-20%-kal csökkentve az ötvözetköltségeket a HRB400 betonacélok gyártása során.
Kopásálló-bevonatok:
A termikusan szórt FeSi₃N₄ bevonatokat bányászati gépekre hordják fel, kopási aránya 50%-kal alacsonyabb, mint a hagyományos szénacélé.
A szilícium-nitrid alkalmazásai
Magas{0}}hőmérsékletű szerkezeti alkatrészek:
A légi{0}}motorok turbinalapátjaiban használják (a GE9X motor Si₃N₄ kerámia csapágyakat alkalmaz), amelyek ellenállnak az 1300 fokos magas hőmérsékletnek, és 30%-kal csökkentik a tömegét.
Elektronikus mező:
Az 5G bázisállomások szilícium-nitrid hordozóinak hővezető képessége 170 W/(m·K), a hőelvezetési hatékonyság pedig kétszerese az Al2O3-nak.
Vágószerszámok:
A nikkel-alapú ötvözetek feldolgozására szolgáló Si₃N₄-alapú kerámiaszerszámok 300 m/perc vágási sebességet érhetnek el, élettartamuk pedig ötszöröse a cementált keményfémé.
Kiválasztási útmutató és iparági ajánlások
Anyagkiválasztási kritériumok
Az alacsony költségű deoxidációs vagy tűzálló anyagokhoz a ferroszilícium-nitridet részesítjük előnyben (a szilícium-nitridnek mindössze 1/5-1/10-e).
A magas hőmérsékleti szilárdságot vagy szigetelési teljesítményt igénylő alkalmazásokhoz szilícium-nitridet kell használni (például félvezető csomagolásban és magas hőmérsékletű csapágyakban).
Iparági trendek
Ferroszilícium-nitrid:
Alacsony szilícium (60% Si) és magas nitrogén (N 20%+) felé fejlesztve, hogy megfeleljen az ultra-alacsony széntartalmú acél olvasztási követelményeinek.
Szilícium-nitrid:
A hővezető képességet 200 W/(m·K) fölé emelik a nanokristályos technológia révén (pl. nano -Si₃N₄, amelyet a Kínai Tudományos Akadémia Shanghai Kerámiai Intézete fejlesztett ki).
