เฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์ (FeSi₃N₄)
องค์ประกอบทางเคมี: ผลิตโดยไนไตรเดชันที่อุณหภูมิสูง-ของโลหะผสมเฟอร์โรซิลิคอน(โดยทั่วไปจะประกอบด้วย65%-75%Si) ในบรรยากาศไนโตรเจน ระยะหลักคือ Si₃N₄ (คิดเป็น 70%-85%) โดยมี Fe อิสระจำนวนเล็กน้อย (10%-15%) และซิลิคอนที่ไม่ทำปฏิกิริยา
แบบฟอร์มทางกายภาพ: ผงหรือแกรนูลสีเทา-สีขาวถึงสีเทาเข้ม โดยมีความหนาแน่นประมาณ 3.2-3.4g/cm³ และความแข็ง HV 1400-1800
โครงสร้างคริสตัล: ถูกครอบงำโดย -Si₃N₄ ด้วยเฟสจำนวนเล็กน้อย ธาตุเหล็กจะกระจายตัวอยู่ในเมทริกซ์ในรูปของอนุภาคละเอียด
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
องค์ประกอบทางเคมี: วัสดุเซรามิกเฟสบริสุทธิ์-ที่มีอัตราส่วนอะตอมของ Si:N เท่ากับ 3:4 และความหนาแน่นทางทฤษฎีที่ 3.18g/cm³
แบบฟอร์มทางกายภาพ: ผงสีขาวหรือสีเทาอ่อนซึ่งสร้างตัวเซรามิกที่มีความหนาแน่นสูงหลังจากการเผาผนึก โดยมีความแข็ง HV 1800-2200 (สำหรับตัวเผาผนึก)
โครงสร้างคริสตัล: ส่วนใหญ่มีอยู่สองรูปแบบ: เฟส (ประเภทเสถียรอุณหภูมิต่ำ-) และเฟส (ประเภทเสถียรอุณหภูมิสูง-) ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมปรับสัดส่วนของทั้งสองขั้นตอนโดยการควบคุมกระบวนการเผาผนึก
การเปรียบเทียบคุณสมบัติที่สำคัญ
| มิติการเปรียบเทียบ | เฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์, FeSi₃N₄ | ซิลิคอนไนไตรด์, Si₃N₄ | ผลกระทบหลัก |
|---|---|---|---|
| ส่วนประกอบหลักและความบริสุทธิ์ | Si 65% -75%, N 18% -22%, Fe 10% -15%, โครงสร้างเฟสคอมโพสิต | ความบริสุทธิ์ของ Si₃N₄ มากกว่าหรือเท่ากับ 99% (เกรดอุตสาหกรรม) มากกว่าหรือเท่ากับ 99.9% (เกรดสูง-) เซรามิกเฟสบริสุทธิ์ | ความบริสุทธิ์เป็นตัวกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพ เหล็กซิลิคอนไนไตรด์สร้างความสมดุลระหว่างการใช้งานและราคา ในขณะที่ซิลิคอนไนไตรด์มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพสูงสุด |
| คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญ | ค่าการนำความร้อน 15-30 W/(m・K) ความต้านทานแรงดัดงอ 300-600 MPa ความแข็ง HV 1400-1800 | ค่าการนำความร้อน 40-170 W/(m・K) ( เฟสสูงถึง 200), ความต้านทานแรงดัดงอ 700-1500 MPa, ความแข็ง HV 1800-2200 | ซิลิคอนไนไตรด์มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเหล็กซิลิคอนไนไตรด์ในทุกด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุณหภูมิสูงและความแข็งแรงทางกล |
| ความคงตัวทางเคมี | ออกซิเดชันที่ 1300-1400 องศาทำให้เกิดฟิล์มป้องกัน SiO₂ ทนทานต่อการกัดกร่อนของกรดและด่าง (ยกเว้นสารออกซิไดซ์อย่างแรง) | เสถียรที่ 1600-1700 องศา ทนต่อการกัดกร่อนด้วยสารเคมีส่วนใหญ่ โครงสร้างเฟสบริสุทธิ์ ไม่มีการตกตะกอนสิ่งเจือปน | ซิลิคอนไนไตรด์เหมาะสำหรับอุณหภูมิที่สูงขึ้นและสภาพแวดล้อมการกัดกร่อนที่รุนแรงยิ่งขึ้น |
| ความยากของกระบวนการผลิต | การทำไนไตรด์ที่อุณหภูมิสูง-ของเฟอร์โรซิลิกอน (1350-1450 องศา , 8-12 ชั่วโมง) ซึ่งเป็นกระบวนการที่สมบูรณ์ | การเผาผนึกปฏิกิริยา / การเผาผนึกแบบกดร้อน (1700-1850 องศา ต้องใช้เครื่องช่วยเผาผนึก) กระบวนการที่ซับซ้อน | เหล็กซิลิคอนไนไตรด์มีกำลังการผลิตขนาดใหญ่ (1.5 ล้านตันต่อปีทั่วโลก โดยจีนคิดเป็น 65%) ทำให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพด้านอุปทานในระดับสูง |
ความแตกต่างในกระบวนการเตรียมการ
การเตรียมการของเฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์
กำลังการผลิตทั่วโลก: ประมาณ 1.5 ล้านตัน/ปี โดยมีจีนคิดเป็น 65%.
การเตรียมวัตถุดิบ:
เลือกโลหะผสมเฟอร์โรซิลิคอน (65%-75% Si) และบดให้เป็นขนาดน้อยกว่า 1 มม.
ปฏิกิริยาไนไตรเดชัน:
Introduce high-purity nitrogen (>99.99%) ลงในเตาต้านทานแนวตั้ง ให้ความร้อนที่ 1350-1450 องศา และทำปฏิกิริยาเป็นเวลา 8-12 ชั่วโมงเพื่อสร้างเฟสคอมโพสิตที่อนุภาคเหล็กถูกห่อหุ้มด้วย Si₃N₄
หลัง-การรักษา:
หลังจากเย็นลงแล้ว ให้บดและคัดกรองผลิตภัณฑ์ และกำจัดเหล็กอิสระออกโดยการแยกแม่เหล็กเพื่อควบคุมปริมาณ Fe ภายใน 10%-15%
การเตรียมการของซิลิคอนไนไตรด์
วิธีการเผาผนึกปฏิกิริยา:
กดผงซิลิกอนลงในขนาดกะทัดรัด จากนั้นทำปฏิกิริยาในไนโตรเจนที่ 1350-1450 องศา เพื่อสังเคราะห์ -Si₃N₄ จำเป็นต้องมีการเผาผนึกขั้นที่สองเพื่อให้มีความหนาแน่น
วิธีการเผาผนึกแบบกดร้อน:
เพิ่มตัวช่วยในการเผาผนึก เช่น MgO และ Y₂O₃ และเผาที่อุณหภูมิ 1700-1850 องศา ภายใต้ความดัน 20-30MPa เพื่อให้ได้ -Si₃N₄ ที่มีความหนาแน่นสูง
วิธีการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) เพื่อยับยั้งการสลายตัวของ Si₃N₄ และผลิตส่วนประกอบเซรามิกที่มีความบริสุทธิ์สูง-
การเปรียบเทียบฟิลด์แอปพลิเคชันหลัก
การใช้งานของเฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์
วัสดุทนไฟ:
ใช้ในดินเหนียวรูก๊อกของเตาถลุงเหล็กขนาดใหญ่ (เช่น เตาหลอมเหล็กขนาด 4966 ลบ.ม. ของ Baosteel) เพื่อปรับปรุงความต้านทานการกัดเซาะและเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน โดยลดความผันผวนของความลึกของรูก๊อกลง 30%
เหล็กและโลหะวิทยา:
ทำหน้าที่แทนส่วนหนึ่งของ FeSi และ FeN เป็นตัวกำจัดออกซิไดเซอร์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนโลหะผสมได้ 15%-20% ในการผลิตเหล็กเส้น HRB400
สวม-สารเคลือบต้านทาน:
การเคลือบ FeSi₃N₄ แบบพ่นด้วยความร้อนถูกนำไปใช้กับเครื่องจักรในเหมือง โดยมีอัตราการสึกหรอต่ำกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนแบบดั้งเดิมถึง 50%
การใช้งานซิลิคอนไนไตรด์
ชิ้นส่วนโครงสร้างอุณหภูมิสูง-:
ใช้ในใบพัดกังหันของเครื่องยนต์แอโร- (เครื่องยนต์ GE9X ใช้ตลับลูกปืนเซรามิก Si₃N₄) ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 1300 องศา และลดน้ำหนักได้ 30%
สนามอิเล็กทรอนิกส์:
พื้นผิวซิลิคอนไนไตรด์สำหรับสถานีฐาน 5G มีค่าการนำความร้อนที่ 170W/(m·K) โดยมีประสิทธิภาพการกระจายความร้อนเป็นสองเท่าของ Al₂O₃
เครื่องมือตัด:
เครื่องมือเซรามิกที่ใช้ Si₃N₄-สำหรับการประมวลผลโลหะผสมที่มีนิกเกิล- สามารถบรรลุความเร็วตัด 300 ม./นาที โดยมีอายุการใช้งานมากกว่าซีเมนต์คาร์ไบด์ 5 เท่า
คู่มือการคัดเลือกและข้อแนะนำในอุตสาหกรรม
เกณฑ์การคัดเลือกวัสดุ
สำหรับวัสดุดีออกซิเดชันหรือวัสดุทนไฟที่มีต้นทุนต่ำ- แนะนำให้ใช้เฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์ (ราคาเพียง 1/5-1/10 ของซิลิคอนไนไตรด์)
สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงหรือประสิทธิภาพของฉนวน ต้องใช้ซิลิคอนไนไตรด์ (เช่น ในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์และแบริ่งที่มีอุณหภูมิสูง-)
แนวโน้มอุตสาหกรรม
เฟอร์โรซิลิคอนไนไตรด์:
พัฒนาไปสู่ซิลิคอนต่ำ (60% Si) และไนโตรเจนสูง (N 20%+) เพื่อตอบสนองความต้องการการถลุงของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำพิเศษ-
ซิลิคอนไนไตรด์:
ค่าการนำความร้อนได้รับการปรับปรุงให้มากกว่า 200W/(m·K) ผ่านเทคโนโลยีนาโนคริสตัลไลน์ (เช่น นาโน -Si₃N₄ พัฒนาโดย Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences)
