Nitreto de Ferrossilício (FeSi₃N₄)
Composição Química: Produzido por nitretação-em alta temperatura deliga de ferro silício(tipicamente contendo65%-75%Si) em atmosfera de nitrogênio. A fase principal é Si₃N₄ (representando 70%-85%), com pequenas quantidades de Fe livre (10%-15%) e silício não reagido.
Forma Física: Pó ou grânulos-brancos acinzentados a cinza escuro, com densidade de aproximadamente 3,2-3,4g/cm³ e dureza de HV 1400-1800.
Estrutura Cristalina: Dominado por -Si₃N₄ com uma pequena quantidade de fase. Os elementos de ferro estão dispersos na matriz na forma de partículas finas.
Nitreto de Silício (Si₃N₄)
Composição Química: Um material cerâmico de fase-pura com uma proporção atômica de Si:N de 3:4 e uma densidade teórica de 3,18g/cm³.
Forma Física: Pó branco ou cinza claro, que após a sinterização forma um corpo cerâmico de alta densidade, com dureza HV 1800-2200 (para corpos sinterizados).
Estrutura Cristalina: existe principalmente em duas formas: fase (tipo estável de baixa-temperatura) e fase (tipo estável de alta-temperatura). Os produtos industriais ajustam a proporção das duas fases controlando o processo de sinterização.
Comparação das principais propriedades
| Dimensão de comparação | Nitreto de Ferrossilício, FeSi₃N₄ | Nitreto de Silício, Si₃N₄ | Impacto central |
|---|---|---|---|
| Componentes principais e pureza | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, estrutura de fase composta | Pureza de Si₃N₄ maior ou igual a 99% (grau industrial), maior ou igual a 99,9% (grau de alta-classe), cerâmica de fase pura | A pureza determina o limite superior de desempenho; O ferro nitreto de silício equilibra funcionalidade e custo, enquanto o nitreto de silício se concentra no desempenho máximo. |
| Principais propriedades físicas | Condutividade térmica 15-30 W/(m・K), resistência à flexão 300-600 MPa, dureza HV 1400-1800 | Condutividade térmica 40-170 W/(m·K) (fase até 200), resistência à flexão 700-1500 MPa, dureza HV 1800-2200 | O nitreto de silício supera o ferro nitreto de silício em todos os aspectos, especialmente em alta temperatura e resistência mecânica. |
| Estabilidade Química | A oxidação a 1300-1400 graus forma uma película protetora de SiO₂, resistente à corrosão ácida e alcalina (exceto oxidantes fortes) | Estável em 1600-1700 graus, resistente à corrosão pela maioria dos meios químicos, estrutura de fase pura sem precipitação de impurezas | O nitreto de silício é adequado para ambientes de temperatura mais alta e corrosão mais severa. |
| Dificuldade do processo de fabricação | Nitretação-de ferrossilício em alta temperatura (1.350-1.450 graus, 8-12 horas), um processo maduro. | Sinterização de reação/sinterização por prensagem a quente (1700-1850 graus, requer auxiliares de sinterização), processo complexo | O ferro nitreto de silício tem uma grande capacidade de produção (1,5 milhões de toneladas/ano globalmente, com a China respondendo por 65%), garantindo alta estabilidade de fornecimento. |
Diferenças nos processos de preparação
Preparação deNitreto de Ferrossilício
Capacidade global de produção: aproximadamente 1,5 milhão de toneladas/ano, comChina respondendo por 65%.
Preparação de Matéria Prima:
Selecione uma liga de ferrossilício (65%-75% Si) e esmague-a até um tamanho inferior a 1 mm.
Reação de nitretação:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) em um forno de resistência vertical, aqueça a 1350-1450 graus e reaja por 8-12 horas para formar uma fase composta onde as partículas de ferro são envolvidas em Si₃N₄.
Pós-tratamento:
Após o resfriamento, esmague e peneire o produto e remova o ferro livre por meio de separação magnética para controlar o teor de Fe entre 10% -15%.
Preparação deNitreto de Silício
Método de Sinterização por Reação:
Pressione o pó de silício em um compacto, que então reage em nitrogênio a 1350-1450 graus para sintetizar -Si₃N₄. A sinterização secundária é necessária para a densificação.
Método de sinterização por prensagem a quente:
Adicione auxiliares de sinterização, como MgO e Y₂O₃, e sinterize a 1700-1850 graus sob uma pressão de 20-30MPa para obter -Si₃N₄ de alta densidade.
Método de sinterização por pressão de gás:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) para inibir a decomposição de Si₃N₄ e produzir componentes cerâmicos de alta-pureza.
Comparação dos principais campos de aplicação
Aplicações de nitreto de ferrossilício
Refratários:
Usado em argila de furo de grandes altos-fornos (por exemplo, o alto-forno de 4.966m³ da Baosteel) para melhorar a resistência à erosão e a estabilidade ao choque térmico, reduzindo a flutuação da profundidade do furo em 30%.
Metalurgia de Ferro e Aço:
Serve como substituto de parte do FeSi e do FeN como desoxidante, reduzindo em 15%-20% os custos da liga na produção de vergalhões HRB400.
Revestimentos-resistentes ao desgaste:
Os revestimentos de FeSi₃N₄ termicamente pulverizados são aplicados em máquinas de mineração, com uma taxa de desgaste 50% menor que a do aço carbono tradicional.
Aplicações de nitreto de silício
Peças estruturais-de alta temperatura:
Usado em pás de turbinas de motores aeronáuticos (o motor GE9X adota rolamentos de cerâmica Si₃N₄), que podem suportar altas temperaturas de 1.300 graus e reduzir o peso em 30%.
Campo Eletrônico:
Os substratos de nitreto de silício para estações base 5G têm uma condutividade térmica de 170W/(m·K), com eficiência de dissipação de calor duas vezes maior que a do Al₂O₃.
Ferramentas de corte:
Ferramentas cerâmicas à base de Si₃N₄-para processamento de ligas à base de níquel-podem atingir uma velocidade de corte de 300 m/min, com uma vida útil 5 vezes maior que a do metal duro.
Guia de seleção e recomendações do setor
Critérios de seleção de materiais
Para desoxidação-de baixo custo ou materiais refratários, o nitreto de ferrossilício é o preferido (seu custo é de apenas 1/5-1/10 do nitreto de silício).
Para aplicações que exigem resistência a altas-temperaturas ou desempenho de isolamento, o nitreto de silício deve ser usado (como em embalagens de semicondutores e rolamentos-de altas temperaturas).
Tendências da indústria
Nitreto de Ferrossilício:
Desenvolvendo para baixo teor de silício (60% Si) e alto teor de nitrogênio (N 20%+) para atender aos requisitos de fundição de aço com ultra{3}}baixo carbono.
Nitreto de Silício:
A condutividade térmica está sendo melhorada para mais de 200 W/(m·K) através de tecnologia nanocristalina (por exemplo, nano -Si₃N₄ desenvolvido pelo Instituto de Cerâmica de Xangai, Academia Chinesa de Ciências).
