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，許多國家開始對氮化硅鐵這種材料進行了研究。
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，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)用等方面的研究進展進行了系統(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示出了國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的氮化硅鐵產(chǎn)品的典型性能對比。
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;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氣中高溫長時間氮化來制備氮化硅鐵粉末。如文獻中發(fā)明的“氮化硅鐵的制造方法”就是以硅粉、硅鐵粉為原料，在氮氣氣氛下，溫度為1000~1400℃，升溫速率高于10℃·h-1，長時間氮化生成氮化硅鐵。直接氮化法溫度高，時間長。為了降低氮化溫度及縮短氮化時間，有采用機械化學(xué)法對原料進行處理;也有先將原料進行處理后，再進一步調(diào)整燒成制度。有研究表明：直接氮化過程中硅鐵粉的粒度對氮化效果影響很大，較細(xì)的硅鐵粉(d50=5.229μm)氮化時，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。
總的說來，直接氮化法制備Fe-Si3N4的優(yōu)點是工藝簡單，所需設(shè)備少;缺點是氮化率低，氮化時間長，能耗高。此外，要得到高含量的β-Si3N4，必須長時間高溫氮化，使得能耗大增。