Ferrosilikon Nitrida (FeSi₃N₄)
Komposisi Kimia: Diproduksi oleh-nitridasi suhu tinggipaduan silikon ferro(biasanya berisi65%-75%Si) dalam atmosfer nitrogen. Fase utamanya adalah Si₃N₄ (terhitung 70%-85%), dengan sejumlah kecil Fe bebas (10%-15%) dan silikon yang tidak bereaksi.
Bentuk Fisik: Serbuk atau butiran berwarna putih keabu-abuan hingga abu-abu tua, dengan kepadatan sekitar 3,2-3,4g/cm³ dan kekerasan HV 1400-1800.
Struktur Kristal: Didominasi oleh -Si₃N₄ dengan jumlah fasa yang sedikit. Unsur besi tersebar dalam matriks dalam bentuk partikel halus.
Silikon Nitrida (Si₃N₄)
Komposisi Kimia: Bahan keramik fase-murni dengan rasio atom Si:N 3:4 dan kepadatan teoritis 3,18g/cm³.
Bentuk Fisik: Serbuk putih atau abu-abu muda, yang membentuk badan keramik sangat padat setelah sintering, dengan kekerasan HV 1800-2200 (untuk badan sinter).
Struktur Kristal: Terutama ada dalam dua bentuk: fase (tipe stabil-suhu rendah) dan fase (tipe stabil-suhu tinggi). Produk industri menyesuaikan proporsi kedua fase tersebut dengan mengontrol proses sintering.
Perbandingan Properti Utama
| Dimensi Perbandingan | Ferrosilikon Nitrida, FeSi₃N₄ | Silikon Nitrida, Si₃N₄ | Dampak Inti |
|---|---|---|---|
| Komponen Inti dan Kemurnian | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, struktur fasa komposit | Kemurnian Si₃N₄ Lebih besar dari atau sama dengan 99% (kelas industri), Lebih besar dari atau sama dengan 99,9% (kelas-kelas atas), keramik fase murni | Kemurnian menentukan batas atas kinerja; besi silikon nitrida menyeimbangkan fungsionalitas dan biaya, sedangkan silikon nitrida berfokus pada kinerja terbaik. |
| Sifat Fisik Utama | Konduktivitas termal 15-30 W/(m・K), kekuatan lentur 300-600 MPa, kekerasan HV 1400-1800 | Konduktivitas termal 40-170 W/(m・K) (fase hingga 200), kekuatan lentur 700-1500 MPa, kekerasan HV 1800-2200 | Silikon nitrida mengungguli besi silikon nitrida dalam segala aspek, terutama dalam suhu tinggi dan kekuatan mekanik. |
| Stabilitas Kimia | Oksidasi pada 1300-1400 derajat membentuk lapisan pelindung SiO₂, tahan terhadap korosi asam dan alkali (kecuali oksidan kuat) | Stabil pada 1600-1700 derajat, tahan terhadap korosi oleh sebagian besar media kimia, struktur fase murni tanpa pengendapan pengotor | Silikon nitrida cocok untuk suhu yang lebih tinggi dan lingkungan korosi yang lebih parah. |
| Kesulitan Proses Pembuatan | Nitridasi ferrosilikon-suhu tinggi (1350-1450 derajat , 8-12 jam), sebuah proses yang matang. | Reaksi sintering / sintering pengepresan panas (1700-1850 derajat, memerlukan alat bantu sintering), proses rumit | Besi silikon nitrida memiliki kapasitas produksi yang besar (1,5 juta ton/tahun secara global, dengan Tiongkok menyumbang 65%), memastikan stabilitas pasokan yang tinggi. |
Perbedaan Proses Persiapan
PersiapanFerrosilikon Nitrida
Kapasitas produksi global: sekitar 1,5 juta ton/tahun, denganTiongkok menyumbang 65%.
Persiapan Bahan Baku:
Pilih paduan ferrosilikon (65%-75% Si) dan hancurkan hingga ukuran kurang dari 1mm.
Reaksi Nitridasi:
Introduce high-purity nitrogen (>99,99%) ke dalam tungku resistansi vertikal, panaskan hingga 1350-1450 derajat, dan bereaksi selama 8-12 jam membentuk fase komposit dimana partikel besi dibungkus dengan Si₃N₄.
Pasca-pengobatan:
Setelah dingin, hancurkan dan saring produk, dan buang besi bebas melalui pemisahan magnetik untuk mengontrol kandungan Fe dalam 10% -15%.
PersiapanSilikon Nitrida
Metode Sintering Reaksi:
Tekan bubuk silikon hingga menjadi padat, yang kemudian bereaksi dalam nitrogen pada 1350-1450 derajat untuk mensintesis -Si₃N₄. Sintering sekunder diperlukan untuk pemadatan.
Metode Sintering Pengepresan Panas:
Tambahkan bahan bantu sintering seperti MgO dan Y₂O₃, dan sinter pada suhu 1700-1850 derajat di bawah tekanan 20-30MPa untuk mendapatkan -Si₃N₄ dengan kepadatan tinggi.
Metode Sintering Tekanan Gas:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) untuk menghambat dekomposisi Si₃N₄ dan menghasilkan komponen keramik dengan kemurnian tinggi.
Perbandingan Bidang Aplikasi Inti
Aplikasi Ferrosilikon Nitrida
Refraktori:
Digunakan pada tanah liat taphole pada tanur sembur besar (misalnya, tanur sembur Baosteel 4966m³) untuk meningkatkan ketahanan erosi dan stabilitas guncangan termal, mengurangi fluktuasi kedalaman taphole sebesar 30%.
Metalurgi Besi dan Baja:
Berfungsi sebagai pengganti sebagian FeSi dan FeN sebagai deoxidizer, mengurangi biaya paduan sebesar 15%-20% dalam produksi tulangan HRB400.
Pelapis Tahan Aus-:
Pelapis FeSi₃N₄ yang disemprotkan termal diterapkan pada mesin pertambangan, dengan tingkat keausan 50% lebih rendah dibandingkan baja karbon tradisional.
Aplikasi Silikon Nitrida
Bagian Struktural-Suhu Tinggi:
Digunakan pada bilah turbin mesin aero-(mesin GE9X mengadopsi bantalan keramik Si₃N₄), yang dapat menahan suhu tinggi 1300 derajat dan mengurangi bobot sebesar 30%.
Bidang Elektronik:
Substrat silikon nitrida untuk BTS 5G memiliki konduktivitas termal sebesar 170W/(m·K), dengan efisiensi pembuangan panas dua kali lipat dari Al₂O₃.
Alat Pemotong:
Peralatan keramik berbahan dasar Si₃N₄-untuk memproses paduan berbahan dasar nikel-dapat mencapai kecepatan potong 300m/mnt, dengan masa pakai 5 kali lipat dari semen karbida.
Panduan Seleksi dan Rekomendasi Industri
Kriteria Pemilihan Bahan
Untuk bahan deoksidasi atau tahan api-yang berbiaya rendah, ferrosilikon nitrida lebih disukai (biayanya hanya 1/5-1/10 silikon nitrida).
Untuk aplikasi yang memerlukan kekuatan-suhu tinggi atau kinerja isolasi, silikon nitrida harus digunakan (seperti dalam kemasan semikonduktor dan bantalan-suhu tinggi).
Tren Industri
Ferrosilikon Nitrida:
Berkembang menuju silikon rendah (60% Si) dan nitrogen tinggi (N 20%+) untuk memenuhi persyaratan peleburan baja karbon ultra-rendah.
Silikon Nitrida:
Konduktivitas termal ditingkatkan hingga lebih dari 200W/(m·K) melalui teknologi nanokristalin (misalnya, nano -Si₃N₄ yang dikembangkan oleh Institut Keramik Shanghai, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok).
