Ferrosiliciumnitrid (FeSi₃N₄)
Chemische Zusammensetzung: Hergestellt durch Hochtemperaturnitrierung vonFerro-Silizium-Legierung(in der Regel enthält65%-75%Si) in einer Stickstoffatmosphäre. Die Hauptphase ist Si₃N₄ (mit einem Anteil von 70–85 %), mit geringen Mengen an freiem Fe (10–15 %) und nicht umgesetztem Silizium.
Physische Form: Grauweißes bis dunkelgraues Pulver oder Granulat mit einer Dichte von etwa 3,2–3,4 g/cm³ und einer Härte von HV 1400–1800.
Kristallstruktur: Dominiert von -Si₃N₄ mit einer geringen Phasenmenge. Eisenelemente sind in Form feiner Partikel in der Matrix dispergiert.
Siliziumnitrid (Si₃N₄)
Chemische Zusammensetzung: Ein reines --Phasen-Keramikmaterial mit einem Atomverhältnis von Si:N von 3:4 und einer theoretischen Dichte von 3,18 g/cm³.
Physische Form: Weißes oder hellgraues Pulver, das nach dem Sintern einen hochdichten Keramikkörper mit einer Härte von HV 1800-2200 (für Sinterkörper) bildet.
Kristallstruktur: Kommt hauptsächlich in zwei Formen vor: Phase (stabiler Typ bei niedriger{0}}Temperatur) und Phase (stabiler Typ bei hoher-Temperatur). Industrieprodukte passen das Verhältnis der beiden Phasen an, indem sie den Sinterprozess steuern.
Vergleich der wichtigsten Eigenschaften
| Vergleichsdimension | Ferrosiliciumnitrid, FeSi₃N₄ | Siliziumnitrid, Si₃N₄ | Kernwirkung |
|---|---|---|---|
| Kernkomponenten und Reinheit | Si 65–75 %, N 18–22 %, Fe 10–15 %, Verbundphasenstruktur | Si₃N₄-Reinheit größer oder gleich 99 % (Industriequalität), größer oder gleich 99,9 % (High-End-Qualität), reine Phasenkeramik | Reinheit bestimmt die Leistungsobergrenze; Siliziumnitrid-Eisen bringt Funktionalität und Kosten in Einklang, während Siliziumnitrid sich auf ultimative Leistung konzentriert. |
| Wichtige physikalische Eigenschaften | Wärmeleitfähigkeit 15–30 W/(m・K), Biegefestigkeit 300–600 MPa, Härte HV 1400–1800 | Wärmeleitfähigkeit 40–170 W/(m・K) (Phase bis 200), Biegefestigkeit 700–1500 MPa, Härte HV 1800–2200 | Siliziumnitrid übertrifft Siliziumnitrid-Eisen in allen Aspekten, insbesondere in Bezug auf hohe Temperaturen und mechanische Festigkeit. |
| Chemische Stabilität | Durch Oxidation bei 1300–1400 Grad entsteht ein SiO₂-Schutzfilm, der gegen Säure- und Alkalikorrosion (außer starken Oxidationsmitteln) beständig ist. | Stabil bei 1600–1700 Grad, beständig gegen Korrosion durch die meisten chemischen Medien, reine Phasenstruktur ohne Ausfällung von Verunreinigungen | Siliziumnitrid eignet sich für Umgebungen mit höheren Temperaturen und stärkerer Korrosion. |
| Schwierigkeit des Herstellungsprozesses | Hochtemperaturnitrierung von Ferrosilicium (1350–1450 Grad, 8–12 Stunden), ein ausgereifter Prozess. | Reaktionssintern / Heißpresssintern (1700-1850 Grad, erfordert Sinterhilfsmittel), komplexer Prozess | Siliziumnitrid-Eisen verfügt über eine große Produktionskapazität (weltweit 1,5 Millionen Tonnen/Jahr, davon 65 % auf China), was eine hohe Versorgungsstabilität gewährleistet. |
Unterschiede in den Vorbereitungsprozessen
Vorbereitung vonFerrosiliciumnitrid
Weltweite Produktionskapazität: ca. 1,5 Millionen Tonnen/Jahr, mitChina macht 65 % aus.
Rohstoffvorbereitung:
Wählen Sie eine Ferrosiliciumlegierung (65–75 % Si) und zerkleinern Sie sie auf eine Größe von weniger als 1 mm.
Nitridierungsreaktion:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99 %) in einen vertikalen Widerstandsofen geben, auf 1350–1450 Grad erhitzen und 8–12 Stunden lang reagieren, um eine Verbundphase zu bilden, in der Eisenpartikel in Si₃N₄ eingewickelt sind.
Nach-Behandlung:
Zerkleinern und sieben Sie das Produkt nach dem Abkühlen und entfernen Sie freies Eisen durch magnetische Trennung, um den Fe-Gehalt auf 10–15 % zu kontrollieren.
Vorbereitung vonSiliziumnitrid
Reaktionssinterverfahren:
Pressen Sie Siliziumpulver zu einem Pressling, der dann in Stickstoff bei 1350-1450 Grad reagiert, um -Si₃N₄ zu synthetisieren. Zur Verdichtung ist ein sekundäres Sintern erforderlich.
Heißpress-Sinterverfahren:
Fügen Sie Sinterhilfsmittel wie MgO und Y₂O₃ hinzu und sintern Sie bei 1700-1850 Grad unter einem Druck von 20-30 MPa, um hochdichtes -Si₃N₄ zu erhalten.
Gasdruck-Sinterverfahren:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1 MPa), um die Zersetzung von Si₃N₄ zu hemmen und hochreine Keramikkomponenten herzustellen.
Vergleich der Kernanwendungsfelder
Anwendungen von Ferrosiliciumnitrid
Feuerfeste Materialien:
Wird im Stichlochton großer Hochöfen (z. B. Baosteels 4966 m³-Hochofen) verwendet, um die Erosionsbeständigkeit und Thermoschockstabilität zu verbessern und die Schwankung der Stichlochtiefe um 30 % zu reduzieren.
Eisen- und Stahlmetallurgie:
Dient als Desoxidationsmittel als Ersatz für einen Teil von FeSi und FeN und senkt die Legierungskosten bei der Herstellung von HRB400-Bewehrungsstäben um 15–20 %.
Verschleißfeste-Beschichtungen:
Auf Bergbaumaschinen werden thermisch gespritzte FeSi₃N₄-Beschichtungen aufgebracht, deren Verschleißrate um 50 % geringer ist als bei herkömmlichem Kohlenstoffstahl.
Anwendungen von Siliziumnitrid
Hoch-Strukturteile:
Wird in Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken verwendet (das GE9X-Triebwerk verwendet Si₃N₄-Keramiklager), die einer hohen Temperatur von 1300 Grad standhalten und das Gewicht um 30 % reduzieren.
Elektronisches Feld:
Siliziumnitrid-Substrate für 5G-Basisstationen haben eine Wärmeleitfähigkeit von 170 W/(m·K), wobei die Wärmeableitungseffizienz doppelt so hoch ist wie die von Al₂O₃.
Schneidwerkzeuge:
Si₃N₄-basierte Keramikwerkzeuge zur Bearbeitung von Nickel-basierten Legierungen können eine Schnittgeschwindigkeit von 300 m/min erreichen, bei einer Lebensdauer, die fünfmal so hoch ist wie die von Hartmetall.
Auswahlhilfe und Branchenempfehlungen
Kriterien für die Materialauswahl
Für kostengünstige Desoxidations- oder Feuerfestmaterialien wird Ferrosiliciumnitrid bevorzugt (seine Kosten betragen nur 1/5–1/10 von Siliciumnitrid).
Für Anwendungen, die eine hohe{0}Temperaturfestigkeit oder Isolationsleistung erfordern, muss Siliziumnitrid verwendet werden (z. B. in Halbleiterverpackungen und Hochtemperaturlagern).
Branchentrends
Ferrosiliciumnitrid:
Entwicklung in Richtung eines niedrigen Siliziumgehalts (60 % Si) und eines hohen Stickstoffgehalts (N 20 %+), um den Schmelzanforderungen von Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt gerecht zu werden.
Siliziumnitrid:
Die Wärmeleitfähigkeit wird durch nanokristalline Technologie (z. B. Nano -Si₃N₄, entwickelt vom Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften) auf über 200 W/(m·K) verbessert.
