氮化硅鐵(Fe-Si3N4)是利用氮化技術(shù)在高溫下合成的一種新型氮化物系原料。20世紀(jì)70年代，日本就已成功研制出這種新的氮化硅系耐火原料——氮化硅鐵。它是把硅鐵合金粉在化氣氛中加熱到1200~1400℃進(jìn)行氮化后的產(chǎn)物，其主要成分為75%~80%(w)的氮化硅，還含有游離鐵和未氮化的FeSi。自此，許多國(guó)家開(kāi)始對(duì)氮化硅鐵這種材料進(jìn)行了研究。
氮化硅鐵由于具有良好的高溫性能、抗侵蝕、耐磨性和燒結(jié)性，較高的熱導(dǎo)率，較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，除了在高爐炮泥中廣泛使用外，還在含碳耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、鎂質(zhì)澆注料等耐火材料中有廣闊的應(yīng)用前景。本文中，就氮化硅鐵的性能、制備及在耐火材料中的應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)地介紹，為Fe-Si3N4的研究和應(yīng)用提供一些參考。
1、氮化硅鐵的性能
耐火材料用氮化硅鐵是一種灰白色(或茶褐色)的粉末，煉鋼用氮化硅鐵是灰白色粒狀物。氮化硅鐵是氮化硅和鐵的混合物，一般含有75%~80%(w)的Si3N4，12%~17%(w)的Fe，游離的Si不大于1%(w)。氮化硅鐵中的Si3N4有以和3兩種晶型，均為六方晶體，鐵元素以α-Fe或(和)鐵的硅化物形式存在。表1示出了國(guó)內(nèi)外廠家生產(chǎn)的氮化硅鐵產(chǎn)品的典型性能對(duì)比。
采用的合成方法不同，制備的氮化硅鐵物相組成、結(jié)構(gòu)和性能有所不同。例如：采用閃速燃燒工藝合成的氮化硅鐵相組成為β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和少量SiO2，結(jié)構(gòu)中存在大量長(zhǎng)徑比較高的柱狀氮化硅晶體，F(xiàn)egSi位于柱狀結(jié)晶所包裹材料的內(nèi)部，形成包裹體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)疏松，活性較強(qiáng);而采用自蔓延高溫合成的氮化硅鐵由β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和Si2N2O組成，顯微結(jié)構(gòu)為致密的氮化硅塊體，在塊體表面覆蓋有氧氮化硅膜，塊體的間隙存在晶形細(xì)小的氮化硅晶體，含鐵組分鑲嵌在致密的塊體中，且結(jié)構(gòu)致密，性質(zhì)穩(wěn)定。
Fe-Si3N4含有高溫氮化硅相而具有優(yōu)異的高溫性能，還含有塑性Fe相，可促進(jìn)燒結(jié)，提高Si3N4抗氧化性。Fe-Si3N4粉體在耐火材料中的應(yīng)用大多是作為添加劑，一般使用的氮化硅鐵粉的粒度為≤0.074mm，少數(shù)要求氮化硅鐵粉的粒度為≤0.045mm。
2、氮化硅鐵的制備方法
2.1直接氮化法
直接氮化法是將硅鐵粉和硅粉在氮?dú)庵懈邷亻L(zhǎng)時(shí)間氮化來(lái)制備氮化硅鐵粉末。如文獻(xiàn)中發(fā)明的“氮化硅鐵的制造方法”就是以硅粉、硅鐵粉為原料，在氮?dú)鈿夥障拢瑴囟葹?000~1400℃，升溫速率高于10℃·h-1，長(zhǎng)時(shí)間氮化生成氮化硅鐵。直接氮化法溫度高，時(shí)間長(zhǎng)。為了降低氮化溫度及縮短氮化時(shí)間，有采用機(jī)械化學(xué)法對(duì)原料進(jìn)行處理;也有先將原料進(jìn)行處理后，再進(jìn)一步調(diào)整燒成制度。有研究表明：直接氮化過(guò)程中硅鐵粉的粒度對(duì)氮化效果影響很大，較細(xì)的硅鐵粉(d50=5.229μm)氮化時(shí)，反應(yīng)速度快，反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致燒結(jié)嚴(yán)重，氮化效果差;而較粗的硅鐵粉(d50=13.41μm)氮化效果較好。
總的說(shuō)來(lái)，直接氮化法制備Fe-Si3N4的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少;缺點(diǎn)是氮化率低，氮化時(shí)間長(zhǎng)，能耗高。此外，要得到高含量的β-Si3N4，必須長(zhǎng)時(shí)間高溫氮化，使得能耗大增。