Vol.27 No.5 陈俊红等：较低温度下制备自结合氨化硅铁制品 587 表1氮化硅铁制品的性能指标 Table 1 Performance indexes of Fe-Si,N,samples 试样 气孔率/%体积密度/(g·cm)耐压强度MPa 试样1 39.6 2.09 33.5 试样2 39.0 2.12 373 试样3 40.1 2.09 32.7 平均值 39.6 2.10 34.5 1200 L(6) Si 2.2分析与讨论 1000 由于氮化硅铁原料中含有Si,N,c-Fe及Fe,Si 800 等，所以高温下可能的反应如下： 吏 600 [1/3Si,N.(s)+Ox(g)=SiO2(s)+2/3N2(g) 400 △，G(-663777+69.31T),J (1) 200 [1/5SiN.(s)+Oa(g)=3/5SiO(s)+4/5NO(g) 0l2A1 Fe Fe △.G-(-317490+31.61,J (2) 0 2.0 4.06.0 8.0 1.0 4/3SiN(s+O:(g)=2Si2NO(s)+2/3N2(g) E/keV △，Gg-(-842547+38.21T,J (3) 图1烧后氨化硅铁制品的剖面结构(a)及EDS分析(b) 4/5SiN,(s)+O,(g)=6/5SiN2O(s+4/5NO(g) Fig.I Section structure (a)and EDS analysis (b)of calcined Fe- △，G8=(-424760+12.95T0,J (4) Si,N,samples 12/3SiN,O(s)+O,(g)-4/3SiO(s)+2/3N,(g) ■B-Si,N (5) △.G-(-602080+79.63刀，J ◆a-SiN, oSiO, T2IFe].+0,(g-2Fe0(s) Oa-Fe △，G-(-541038+126.96T7,J (6) ●FeSi 2/5FeSi(s)H0:(g)=6/5Fe0(s)+2/5SiO2(s) (7) △.G°=(-617433+191.5467)，J [9[Fe]+SiN.(s)=3Fe,Si(s)+2N2(g) (8) △，G-(204746-657.36T),J 20 40 60 80 式中，Fe]为a-Fe固溶体中的铁， 28/() 由文献[4]，在高氧分压条件下，氮化硅趋向 图2ZFSN与FSN的XRD图谱 于进行式(1)和式(2)的反应：而且式(1)进行的 Fig.2 XRD patteras of ZFSN and FSN Gibbs自由能最小，最容易进行.为便于比较氮化 硅铁材料烧结过程中化学反应发生顺序的先后， 仅将反应式(1)，式(6)，式(7)，式（⑧）的自由能与温 度的关系绘于图5.由图中看出，在低温状态下氮 化硅氧化的Gibbs自由能（见图5中直线1）最小， 氮化硅被氧化的反应是优先进行的：随着温度的 升高，反应式(8)的Gibbs自由能（见图5中直线8） 图3氨化硅铁制品的内部结构 变得最小，铁与氮化硅之间的反应变得更容易进 Fig.3 Interior structure of on an Fe-SiN,sample 行：而在整个温度范围内，铁相材料氧化的Gibs 110 0.6 自由能（见图5中直线6，直线）都不是最小，所 108 以，铁相材料的氧化反应可能始终处于被抑制状 0.4 态，仅有在氮化硅的氧化及氮化硅同铁的反应进 104 质量变化8.52% 行之后才可能发生. 0.2 102 质量变化0.15 从DTA-TG曲线可知，低温阶段，氮化硅铁 质量变化0.02% 100 下1.50%J0 氧化增重的速率很缓慢，氧化量较少，形成致密 200 400600800100012001400 层的可能性不大，此阶段应为氮化硅的氧化：随 温度/℃ 图4氢化硅铁原料的DTA-TG曲线 着温度的升高，1127.2℃时；在DTA曲线上出现 Fig.4 DTA-TG curves of Fe-Si,N. 较强的放热峰，同时在TG曲线上出现失重，结合V匕1 . 2 7 N 0 . 5 陈俊 红等 : 较 低温度 下制 备 自结合 氮 化硅铁 制 品 . 5 8 7 - 表 1 氮 化硅铁 制品 的性 能指标 aT b l e 1 P e r 肠〕恤 a cn e i n d e x o o f eF 一 S训 . s a m P I。 试 样 气孔 率 /% 体积 密度 / 毯 · c m 一 , ) 耐压 强度 /M P a 试样 1 3 9 . 6 2 . 0 9 3 3 . 5 试样 2 3 9 . 0 2 . 12 3 7 3 试样 3 4 0 . 1 2 . 09 3 2 . 7 平 均值 3 9 . 6 2 . 10 3 4 . 5 .2 2 分 析 与讨 论 由于 氮化 硅 铁 原料 中含 有 S i 3 N 4瓜- F e 及 F e , 5 1 等 , 所 以高温 下可 能 的 反应 如 下 : 6)(78(4)23l5 ( b ) S i 、 A … … ` 万 e F e E / k e V 图 1 烧后氮 化硅 铁制 品 的剖 面结 构 (a) 及 E D S 分析 ( b ) F ig . 1 S e e血 n s tr u e tU er ( a ) a . d E D S a n a ly s is 伪) o f c a l c i n ed F e . S切 ; s a . P les . 声一 S i 3 N ` 。 a 一 S i 3 N 月 。 5 10 2 O a 一 F e 一 F e 3 Si . 咭甲 l , , z F洲 {义津黑母黑 i共黔 3N 切 }篡驾落器撰黔+45/ N` }墓上默黑;考辉卿 3N }篡黯母篇黑黔榔 {絮默言昆篇蓄淤 ( ` , ` 2` , , 1至琴咒罗篇器 6。 , , {篡箕沈篡翼裂尹 i ’ 1翼蕊:;禁{刃髯靠黔 凡 s() 0642280 0 ǎ象卞à侧燃 洲阴. ; 匕. . 0 . 1 | 1 . | | ì翻以洲 . l 目飞llse . 引囚日喇 se "l 2 0 4 0 6 0 8 0 2 0 / ( o ) 图 2 Z F S N 与 F S N 的 X R D 图谱 iF g · 2 X R D P a t e ur , o f Z F S N a n d FNS 图 3 氮化硅 铁 制品 的内部 结构 n g . 3 I . t e ir o r s t ur c加作 o f o . a n F -e S切 ; s a m p l e ǎ .1 互à奋。g仙甲 芝 脚 …遍2 00 4 0 0 60 0 8塑0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 温度 / ℃ 图 4 氮 化硅 铁原 料的 D T A` T G 曲线 F ig . 4 D T A . T G ` u vr es of F -e S训 . 式 中 , F[ e] 。 为。 , F e 固溶 体 中的铁 . 由文 献 [4] , 在 高氧 分 压 条件 下 , 氮 化 硅趋 向 于 进 行式 ( l) 和 式 (2 ) 的 反应 ; 而且 式 ( l) 进行 的 G ib b s 自由能最 小 , 最容 易进 行 . 为便 于 比 较氮 化 硅 铁材 料烧 结过 程 中化 学反 应发 生顺 序 的先后 , 仅 将 反应 式 ( l) , 式 (6 ) , 式 (7 ) , 式 (8) 的 自由能与 温 度 的关 系绘 于图 5 . 由图中看 出 , 在低温 状 态下 氮 化硅 氧 化 的 iG bbs 自由能 (见 图 5 中直 线 l) 最 小 , 氮 化硅被 氧 化 的反应 是优 先进 行 的 ; 随着 温度 的 升 高 , 反应 式 ( 8) 的 iG b be 自由能 (见 图 5 中直 线 8) 变得 最 小 , 铁 与氮 化硅 之 间 的反应 变得 更 容易进 行 ; 而在 整 个温 度 范 围 内 , 铁 相材 料氧 化 的 iG b bs 自由能 ( 见 图 5 中直线 6 , 直 线 7) 都 不 是最 小 , 所 以 , 铁相 材料 的氧 化 反应 可能 始终 处于 被抑 制状 态 , 仅有 在氮 化硅 的氧 化 及氮 化硅 同铁 的 反应进 行之 后才 可 能 发 生 , 从 D T A es T G 曲线 可 知 , 低 温 阶 段 , 氮 化硅 铁 氧 化 增重 的速率 很 缓慢 , 氧 化量 较 少 , 形 成致 密 层 的可 能性 不大 , 此 阶段 应 为氮 化硅 的氧化 ; 随 着 温度 的升 高 , 1 12 .7 2℃ 时 ; 在 D T A 曲线 上 出现 较 强 的放热 峰 , 同时在 T G 曲线 上 出现 失重 , 结 合