Ferrosilicon Nitride (FeSi₃N₄)
הרכב כימי: מיוצר על ידי ניטרציה-בטמפרטורה גבוהה שלסגסוגת סיליקון ברזל(מכיל בדרך כלל65%-75%Si) באווירת חנקן. השלב העיקרי הוא Si₃N₄ (מהווה 70%-85%), עם כמויות קטנות של Fe חופשי (10%-15%) וסיליקון שלא הגיב.
צורה פיזית: אבקה או גרגירים לבנה -אפרפרה עד אפורה כהה, עם צפיפות של כ-3.2-3.4 גרם/ס"מ³ וקשיות של HV 1400-1800.
מבנה קריסטל: נשלט על ידי -Si₃N₄ עם כמות קטנה של פאזה. יסודות ברזל מפוזרים במטריקס בצורה של חלקיקים עדינים.
סיליקון ניטריד (Si₃N₄)
הרכב כימי: חומר קרמי טהור-עם יחס אטומי של Si:N שהוא 3:4 וצפיפות תיאורטית של 3.18g/cm³.
צורה פיזית: אבקה לבנה או אפורה בהירה, היוצרת גוף קרמי צפוף מאוד לאחר סינטרה, עם קשיות של HV 1800-2200 (לגופים מחוטאים).
מבנה קריסטל: קיים בעיקר בשתי צורות: פאזה (סוג יציב-בטמפרטורה נמוכה) ופאזה (סוג יציב בטמפרטורה-גבוהה). מוצרים תעשייתיים מתאימים את הפרופורציה של שני השלבים על ידי שליטה בתהליך הסינטר.
השוואה בין מאפייני מפתח
| ממד השוואה | Ferrosilicon Nitride, FeSi₃N₄ | סיליקון ניטריד, Si₃N₄ | אימפקט ליבה |
|---|---|---|---|
| רכיבי ליבה וטוהר | Si 65%-75%, N 18%-22%, Fe 10%-15%, מבנה פאזה מרוכבת | טוהר Si₃N₄ גדול או שווה ל-99% (כיתה תעשייתית), גדול או שווה ל-99.9% (דרגה גבוהה-), קרמיקה פאזה טהורה | טוהר קובע את הגבול העליון של הביצועים; ברזל סיליקון ניטריד מאזן פונקציונליות ועלות, בעוד סיליקון ניטריד מתמקד בביצועים אולטימטיביים. |
| מאפיינים פיזיים מרכזיים | מוליכות תרמית 15-30 W/(m・K), חוזק כיפוף 300-600 MPa, קשיות HV 1400-1800 | מוליכות תרמית 40-170 W/(m・K) (שלב עד 200), חוזק כיפוף 700-1500 MPa, קשיות HV 1800-2200 | סיליקון ניטריד מתעלה על ברזל סיליקון ניטריד בכל ההיבטים, במיוחד בטמפרטורה גבוהה ובחוזק מכני. |
| יציבות כימית | חמצון ב-1300-1400 מעלות יוצר סרט מגן SiO₂, עמיד בפני קורוזיה חומצה ואלקלית (למעט חומרי חמצון חזקים) | יציב ב-1600-1700 מעלות, עמיד בפני קורוזיה על ידי רוב המדיה הכימית, מבנה פאזה טהור ללא משקעי טומאה | סיליקון ניטריד מתאים לטמפרטורה גבוהה יותר ולסביבות קורוזיה חמורות יותר. |
| קושי בתהליך הייצור | ניטרידינג-בטמפרטורה גבוהה של פרוסיליקון (1350-1450 מעלות, 8-12 שעות), תהליך בוגר. | סינטר ריאקציונלי / סינטר בכבישה חמה (1700-1850 מעלות, דורש עזרי סינטר), תהליך מורכב | לברזל סיליקון ניטריד יש כושר ייצור גדול (1.5 מיליון טון בשנה ברחבי העולם, כאשר סין אחראית ל-65%), מה שמבטיח יציבות אספקה גבוהה. |
הבדלים בתהליכי הכנה
הכנה שלפרוסיליקון ניטריד
כושר ייצור עולמי: כ-1.5 מיליון טון לשנה, עםסין אחראית ל-65%.
הכנת חומר גלם:
בחר סגסוגת פרוסיליקון (65%-75% Si) וכתש אותה לגודל של פחות מ-1 מ"מ.
תגובת ניטרידציה:
Introduce high-purity nitrogen (>99.99%) לתוך תנור התנגדות אנכי, מחממים ל-1350-1450 מעלות ומגיבים במשך 8-12 שעות ליצירת שלב מרוכב שבו חלקיקי ברזל עטופים ב-Si₃N₄.
לאחר-טיפול:
לאחר הקירור, מרסקים ומסננים את המוצר, והסר ברזל חופשי באמצעות הפרדה מגנטית כדי לשלוט בתכולת ה-Fe בתוך 10%-15%.
הכנה שלסיליקון ניטריד
שיטת סינטר תגובה:
לחץ אבקת סיליקון לתוך קומפקטי, אשר לאחר מכן מגיב בחנקן ב-1350-1450 מעלות כדי לסנתז -Si₃N₄. לשם צפיפות נדרשת סינטר משני.
שיטת סינטר בכבישה חמה:
הוסף עזרי סינטר כגון MgO ו-Y₂O₃, וסינטר ב-1700-1850 מעלות בלחץ של 20-30MPa כדי להשיג צפיפות גבוהה של -Si₃N₄.
שיטת סינת לחץ גז:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) כדי לעכב את הפירוק של Si₃N₄ ולייצר רכיבים קרמיים בטוהר- גבוה.
השוואה בין שדות יישום ליבה
יישומים של Ferrosilicon Nitride
חסיני אש:
בשימוש בחימר חור של תנורי פיצוץ גדולים (למשל, תנור הפיצוץ של Baosteel בגודל 4966 מ"ר) כדי לשפר את עמידות השחיקה ויציבות הלם תרמית, להפחית את התנודות של עומק חור ב-30%.
מטלורגיית ברזל ופלדה:
משמש כתחליף לחלק מ-FeSi ו-FeN כמסיר חמצון, ומפחית את עלויות הסגסוגת ב-15%-20% בייצור של ברז HRB400.
ללבוש-ציפויים עמידים:
ציפויי FeSi₃N₄ מרוססים תרמיים מיושמים על מכונות כרייה, עם שיעור בלאי נמוך ב-50% מזה של פלדת פחמן מסורתית.
יישומים של סיליקון ניטריד
חלקים מבניים-בטמפרטורה גבוהה:
משמש בלהבי טורבינת-מנועי אוויר (מנוע GE9X מאמץ מיסבים קרמיים Si₃N₄), שיכולים לעמוד בטמפרטורה גבוהה של 1300 מעלות ולהפחית משקל ב-30%.
שדה אלקטרוני:
מצעי סיליקון ניטריד לתחנות בסיס 5G הם בעלי מוליכות תרמית של 170W/(m·K), עם יעילות פיזור חום כפולה מזו של Al₂O₃.
כלי חיתוך:
כלים קרמיים מבוססי Si₃N₄- לעיבוד סגסוגות המבוססות על ניקל- יכולים להשיג מהירות חיתוך של 300 מטר לדקה, עם חיי שירות פי 5 מזה של קרביד צמנט.
מדריך בחירה והמלצות בתעשייה
קריטריונים לבחירת חומר
עבור שחרור-בעלות נמוכה או חומרים עקשנים, עדיף פרוסיליקון ניטריד (העלות שלו היא רק 1/5-1/10 של סיליקון ניטריד).
עבור יישומים הדורשים חוזק-בטמפרטורה או ביצועי בידוד גבוהים, יש להשתמש בסיליקון ניטריד (כגון באריזה של מוליכים למחצה ומסבים בטמפרטורה גבוהה-).
מגמות בתעשייה
פרוסיליקון ניטריד:
מתפתח לקראת סיליקון נמוך (60% Si) וחנקן גבוה (N 20%+) כדי לעמוד בדרישות ההיתוך של פלדה דלת פחמן במיוחד-.
סיליקון ניטריד:
המוליכות התרמית משופרת ליותר מ-200W/(m·K) באמצעות טכנולוגיה ננו-גבישית (למשל, ננו -Si₃N₄ שפותח על ידי המכון לקרמיקה של שנחאי, האקדמיה הסינית למדעים).
