فروسیلیس نیترید (FeSi3N4)
ترکیب شیمیایی: حاصل از نیتریداسیون در دمای بالا-آلیاژ فرو سیلیکون(معمولا حاوی65%-75%Si) در اتمسفر نیتروژن. فاز اصلی Si3N4 (با 70%-85%)، با مقادیر کمی آهن آزاد (10%-15%) و سیلیکون واکنش نداده است.
فرم فیزیکی: پودر یا گرانول مایل به خاکستری-سفید تا خاکستری تیره، با چگالی تقریباً 3.2-3.4g/cm³ و سختی HV 1400-1800.
ساختار کریستالی: تحت سلطه -Si₃N4 با مقدار کمی فاز. عناصر آهن در ماتریس به شکل ذرات ریز پراکنده می شوند.
نیترید سیلیکون (Si3N4)
ترکیب شیمیایی: یک ماده -سرامیکی خالص با نسبت اتمی Si:N 3:4 و چگالی نظری 3.18g/cm³.
فرم فیزیکی: پودر سفید یا خاکستری روشن که پس از پخت بدنه سرامیکی بسیار متراکم با سختی HV 1800-2200 (برای بدنه های زینتر شده) تشکیل می دهد.
ساختار کریستالی: عمدتاً به دو شکل وجود دارد: فاز (-نوع پایدار دمای پایین) و فاز (نوع پایدار{1}}درجه حرارت بالا). محصولات صنعتی با کنترل فرآیند تف جوشی نسبت دو فاز را تنظیم می کنند.
مقایسه ویژگی های کلیدی
| بعد مقایسه | فروسیلیس نیترید، FeSi3N4 | نیترید سیلیکون، Si3N4 | تاثیر هسته |
|---|---|---|---|
| اجزای اصلی و خلوص | Si 65٪ -75٪، N 18٪ - 22٪، Fe 10٪ - 15٪، ساختار فاز مرکب | خلوص Si₃N4 بیشتر یا مساوی 99% (عیار صنعتی)، بیشتر یا مساوی 99.9% (-درجه نهایی)، سرامیک فاز خالص | خلوص حد بالایی عملکرد را تعیین می کند. آهن نیترید سیلیکون عملکرد و هزینه را متعادل می کند، در حالی که نیترید سیلیکون بر عملکرد نهایی تمرکز می کند. |
| خواص فیزیکی کلیدی | هدایت حرارتی 15-30 W/(m・K)، استحکام خمشی 300-600 MPa، سختی HV 1400-1800 | هدایت حرارتی 40-170 W/(m・K) (فاز تا 200)، مقاومت خمشی 700-1500 MPa، سختی HV 1800-2200 | نیترید سیلیکون در همه جنبه ها به ویژه در دماهای بالا و مقاومت مکانیکی بهتر از آهن سیلیکون نیترید عمل می کند. |
| پایداری شیمیایی | اکسیداسیون در دمای 1300-1400 درجه یک لایه محافظ SiO2، مقاوم در برابر خوردگی اسیدی و قلیایی (به جز اکسیدان های قوی) تشکیل می دهد. | پایدار در 1600-1700 درجه، مقاوم در برابر خوردگی توسط اکثر رسانه های شیمیایی، ساختار فاز خالص بدون بارش ناخالصی | نیترید سیلیکون برای دمای بالاتر و محیط های خوردگی شدیدتر مناسب است. |
| دشواری فرآیند تولید | نیترید کردن فروسیلیس در دمای بالا (1350-1450 درجه، 8-12 ساعت)، یک فرآیند بالغ. | تف جوشی واکنشی / تف جوشی با فشار داغ (1700-1850 درجه، نیاز به کمک تف جوشی)، فرآیند پیچیده | آهن نیترید سیلیکون دارای ظرفیت تولید بزرگی است (1.5 میلیون تن در سال در سطح جهانی، با سهم چین 65٪، که ثبات عرضه بالا را تضمین می کند. |
تفاوت در فرآیندهای آماده سازی
آماده سازی ازفروسیلیس نیترید
ظرفیت تولید جهانی: تقریباً 1.5 میلیون تن در سال، باچین 65 درصد.
تهیه مواد خام:
آلیاژ فروسیلیکون (65%-75% Si) را انتخاب کرده و آن را به اندازه کمتر از 1 میلی متر خرد کنید.
واکنش نیتریداسیون:
Introduce high-purity nitrogen (>99.99٪ را در یک کوره مقاومت عمودی قرار دهید، تا 1350-1450 درجه حرارت دهید و به مدت 8-12 ساعت واکنش نشان دهید تا یک فاز ترکیبی تشکیل شود که در آن ذرات آهن در Si3N4 پیچیده می شوند.
ارسال{0}درمان:
پس از خنک شدن، محصول را خرد و غربال کنید و آهن آزاد را از طریق جداسازی مغناطیسی جدا کنید تا محتوای آهن را در 10 تا 15 درصد کنترل کنید.
آماده سازی ازنیترید سیلیکون
روش تف جوشی واکنشی:
پودر سیلیکون را به صورت فشرده فشار دهید، که سپس در نیتروژن در دمای 1350{1}}1450 درجه واکنش نشان می دهد تا -Si3N4 سنتز شود. پخت ثانویه برای تراکم مورد نیاز است.
روش زینترینگ پرس داغ:
مواد کمکی تف جوشی مانند MgO و Y2O3 را اضافه کنید و در دمای 1700-1850 درجه تحت فشار 20{3}}30MPa برای بدست آوردن -Si3N4 با چگالی بالا، زینتر کنید.
روش زینترینگ فشار گاز:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) برای جلوگیری از تجزیه Si3N4 و تولید اجزای سرامیکی با خلوص بالا.
مقایسه فیلدهای اصلی برنامه
کاربردهای فروسیلیس نیترید
نسوزها:
برای بهبود مقاومت در برابر فرسایش و پایداری شوک حرارتی و کاهش نوسانات عمق لوله تا 30% در خاک رس کوره بلند بزرگ (به عنوان مثال، کوره بلند 4966 متر مکعبی Baosteel) استفاده می شود.
متالورژی آهن و فولاد:
به عنوان جایگزینی برای بخشی از FeSi و FeN به عنوان یک اکسید کننده عمل می کند و هزینه های آلیاژ را 15 تا 20 درصد در تولید میلگردهای HRB400 کاهش می دهد.
پوششهای مقاوم در برابر سایش:
پوششهای FeSi3N4 پاشیده شده حرارتی با نرخ سایش 50 درصد کمتر از فولاد کربنی سنتی برای ماشینآلات معدنی اعمال میشوند.
کاربردهای نیترید سیلیکون
قطعات ساختاری با دمای بالا-:
مورد استفاده در پرههای توربین هوا- (موتور GE9X از بلبرینگهای سرامیکی Si₃N4 استفاده میکند)، که میتواند دمای بالای 1300 درجه را تحمل کند و وزن را تا 30٪ کاهش دهد.
میدان الکترونیکی:
بسترهای نیترید سیلیکون برای ایستگاه های پایه 5G دارای رسانایی حرارتی 170W/(m·K) با راندمان اتلاف گرما دو برابر Al2O3 هستند.
ابزار برش:
ابزارهای سرامیکی مبتنی بر Si₄{0}}برای پردازش آلیاژهای مبتنی بر نیکل{1}}می توانند به سرعت برش 300 متر در دقیقه با عمر مفید 5 برابر کاربید سیمانی دست یابند.
راهنمای انتخاب و توصیه های صنعت
معیارهای انتخاب مواد
برای{0}}اکسید زدایی یا مواد نسوز کم هزینه، نیترید فروسیلیس ترجیح داده می شود (هزینه آن فقط 1/5-1/10 نیترید سیلیکون است).
برای کاربردهایی که نیاز به استحکام در دمای بالا یا عملکرد عایق دارند، نیترید سیلیکون باید استفاده شود (مانند بسته بندی نیمه هادی و یاتاقان های دمای بالا).
روندهای صنعت
فروسیلیس نیترید:
در حال توسعه به سمت سیلیکون کم (60٪ Si) و نیتروژن بالا (N 20٪ +) برای برآوردن نیازهای ذوب فولاد فوق-کم کربن.
نیترید سیلیکون:
هدایت حرارتی به بیش از 200W/(m·K) از طریق فناوری نانو کریستالی (به عنوان مثال، نانو -Si3N4 توسعه یافته توسط موسسه سرامیک شانگهای، آکادمی علوم چین) بهبود یافته است.
