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氮化硅铁中少量的SiO2在高温下也消失了,少部分Si3N4转变为Si2N2O,与Fe3Si—起弥散于新相SiC之中!2无碳复合材料张勇等和PengDayan等在SiC颗粒中添加硅铁粉(FeSi2),加压成形后在氮化炉内直接氮化烧成氮化硅铁结合SiC复合材料时,发现硅铁粉的添加量应小于15%(w),而且还需通过控制氮化炉内氮的平衡分压和减缓升温速率的措施来控制氮化反应的进度,以此减缓氮化过程中试样内部的应力,防止试样的损坏。
同时,相对于氮化硅而言,氮化硅铁价格更低廉,也便于进行工业化推广和生产,因此已被用为耐火材料的原料、高温结合相和高温结构材料,现已广泛应用于高炉铁沟浇注料和炮泥中!近年来,对氮化硅铁材料及其在耐火材料中应用的研究越来越多,也取得了一些成果!在本文中,介绍了氮化硅铁的合成、特性及其在浇注料、炮泥和复合耐火材料中应用的研究进展,并对其进行了前景展望!目前氮化硅铁主要用于浇注料、炮泥和复合耐火材料等耐火材料中!
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氮化硅铁结合SiC复合材料在1100~1300℃的氧化主要是SiC与Si3N4的氧化,氧化产物SiO2能起到保护膜的作用,阻止进一步的氧化;而且,氧化反应初期单位面积的质量变化符合直线规律,氧化中期符合二次曲线规律,氧化后期符合抛物线规律!研究还表明,相比Si3N4结合SiC复合材料,氮化硅铁结合SiC复合材料中的Fe还可以提高材料的抗热震性!朱晓燕等以FeSi75和SiC为主要原料,直接氮化烧结,在1450℃成功制备了性能优异的氮化硅铁结合SiC复合材料,此材料的耐压强度为145MPa,荷重软化开始温度为1750℃,其主要物相组成为SiC、α-Si3N4和Fe3Si,氮化产物以α-Si3N4为主,并有少量的β-Si3N4;而且Fe并未参加氮化,而是以稳定的金属间化合物Fe3Si的形式分散于晶界中。
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随着钢铁冶炼等高温技术的发展,耐火材料及原料的开发及研究迫在眉睫,合成原料作为一种具有发展前途的耐火材料得到越来越多的应用!氮化硅铁(Fe-Si3N4)是近些年来出现的一种新型合成原料,它是以FeSi75铁合金为原料,利用氮化技术和高温合成工艺来制备的。氮化硅铁因含有Si3N4相,而具有Si3N4的一些优异性能,如高的耐火度,良好的抗侵蚀性,高的力学强度,良好的抗热震性,较低的热膨胀率,较高的抗氧化性等一系列优点;又因其含有Fe塑性相而具有良好的烧结性能。
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宋文等研究发现,氮化硅铁在AI2O3-C体系中高温下主要发生Si3N4向SiC的转变(α-Si3N4先转化为β-Si3N4,后转化为SiC),氮化硅铁中的Fe3Si颗粒在此过程中逐渐变小,分散于SiC新相和未转变完的β-Si3N4中,材料的组织结构致密.陈俊红等研究了Fe-Si3N4-C体系材料高温时的物相变化和Fe元素的作用机制,结果表明:与Si3N4-C材料相比,Fe-Si3N4-C体系中的Fe对Si3N4向SiC转化具有明显的促进作用,使SiC的生成温度大大降低;Fe-Si3N4中的Fe3Si在C存在条件下变为Fe-Si-C熔体,[Fe]的活度增加,继而与Si3N4反应并吸纳其中的Si而成为Fe-Si-C系高硅过渡中间相,且伴随过渡中间相的流动、渗透,继而与C反应生成SiC或在熔体中析出SiC结晶,实现Fe对Si3N4向SiC转化的促进作用;而SiC的形成也将铁粒子由大分割变小,终形成SiC新相中弥散着铁粒子的复相结构.
氮化硅铁在复合耐火材料中的应用主要侧重于含碳复合材料和无碳复合材料.1含碳复合材料王跃等发现在ASC砖中加入氮化硅铁时,氮化硅铁中的Si3N4在高温使用过程中会转化为Si2N2O;而且随着氮化硅铁加入量的增加,Si2N2O生成量增加,ASC试样的高温抗折强度和抗渣侵蚀性能不断提高。AI2O3-C系材料是冶金工业中常用的含碳复合材料,具有较高的强度、良好的抗热震性和抗渣性能,被广泛应用于连铸用功能性构件,如滑板。
而发现氮化硅铁加入量为9%(w)时,抗渣性能好;当氮化硅铁量过大时,反应过程中大量游离铁的出现会造成材料内部出现大量的低共熔点物,从而降低浇注料的抗渣侵蚀性能!2镁质浇注料镁质浇注料具有耐火度和荷重软化温度高,不污染钢水,抗碱性渣侵蚀性好等特点,在炼钢炉及其钢包等热工设备上应用较多.涂军波等以二氧化硅微粉为结合剂,研究了不同氮化硅铁细粉加入量对镁质浇注料常温物理性能和高温力学性能的影响。发现在氮化硅铁加入量为3%(w)时,1200和1500℃烧后的常温强度以及1400℃的高温抗折强度均达到大,这是由于氮化硅铁加热过程中氧化生成的SiO2与镁砂生成了镁橄榄石,增加了材料的强度,铁相物质与氧化镁固溶促进了材料的烧结。
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