D0I:10.13374/j.issn1001053x.2005.05.049 第27卷第5期 北京科技大学学报 Vol.27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dct,2005 较低温度下制备自结合氮化硅铁制品 陈俊红孙加林占华生刘晓光洪彦若 北京科技大学无机非金属材料系，北京100083 摘要为了深入了解闪速燃烧法制备的F©-SiN作为高温领域中新型原料的优良特性，用 粒度小于74μm的Fe-SiN,原料制成50mm×80mm的试样，成型压力为250kN,经1500℃恒温 3h空气条件下烧成后，在试样内部钻取36mm×50mm圆柱体进行气孔率、体积密度及常温 耐压强度等指标检测，并结合XRD,SEM,EDS及DTA-TG等进行了分析.结果表明，用纯Fe- Si,N,原料，不添加任何烧结助剂，依靠原料自身的F®Si以及原料中铁固溶体同氨化硅反应生 成的FSi的结合作用，在空气条件下低温烧成制备氮化硅铁耐火材料是可行的， 关键词氧化硅铁耐火材料：自结合：低温制备；烧结 分类号TB39 氨化硅为共价键化合物，自扩散系数低，难 热重(TG)分析，实验仪器型号为NETZSCH Ther- 于烧结，所以，以氮化硅为原料的制品的烧结温 mal Analyzer STA449C.升温范围为35~1500℃，升 度都在1850℃以上，而且多数要添加烧结助剂. 温速率为10℃·min',空气气氛. 氮化硅铁为氮化硅与铁相材料的复合体系，铁 相材料的熔点相对较低；以单纯的氨化硅铁为原 2实验结果与讨论 料，依靠材料自身的结合作用是否可以在空气条 2.1实验结果 件下低温烧成制备出性能较好的氮化硅铁耐火 (1)氮化硅铁制品烧后的显微分析.图1(a)为 材料.关于这方面的文献却未见报道，为此本文 烧后氮化硅铁制品的断口结构.从图中看出，烧 拟对其可行性进行实验探讨. 后的氮化硅制品存在两层：其一为致密层，其二 1实验 为内部灰白色部分.颜色较深的致密层的元素主 要为Si,Fe,O,Al等，EDS如图1(b),说明氮化硅铁 氮化硅铁是以粒度小于74m的FeSi75为原 料经闪速燃烧合成工艺制备的，原料FeSi75由闪 已经氧化. 图2为烧后氮化硅铁制品内部灰白色部分 速炉炉顶连续加入到炉内的高温氮气流中，在 (ZFSN)与氮化硅铁原料(FSN)的XRD对比.从图 1550℃，0.2MPa压力的氮气中闪速燃烧，生成氮 化硅铁.反应形成的氮化硅铁受重力作用落入产 中看出，烧后氨化硅铁中除a-Fe消失外，其余物 相都存在.烧后材料中的含铁材料仅为FeSi.图 物池中. 1中内部灰白色部分的显微结构如图3.从图中 取74μm的氮化硅铁原料，以胶水为临时性 结合剂，液压成型为中50mm×80mm的试样，压力 看出，亮白色的FeSi已经大都跑到颗粒间隙，充 为250kN.干燥后于空气气氛中烧成，烧成温度 当了氨化硅颗粒的粘结剂而把氮化硅颗粒粘到 了一起. 为1500℃，恒温3h.自然冷却至室温后，用36 (2)氮化硅铁制品的性能指标.烧后氮化硅铁 mm金刚石钻头在试样内部钻取36mm×50mm 圆柱体进行气孔率、体积密度、常温耐压强度等 制品的性能指标检测见表1， (3)氮化硅铁原料的DTA-TG分析.氮化硅铁 性能的检测，同时进行XRD,SEM及EDS分析. 原料的DTA-TG曲线如图4.从图中看出，氨化硅 取74μm的氨化硅铁细粉进行差热(DTA)- 铁原料从600℃开始缀慢增重，1100℃之后增重 收稿日期：2004-10-12修回日期：2005-03-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目0No.5017207和5032010相对加快.放热峰的出现温度为1127.2℃，并伴 作者简介：陈俊红(1971一)，男，博士研究生 随失重，第2 7 卷 第 5 期 2 0 0 5 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u 扭al o f 加ive 比ity of 肋i e . ce a 皿d Te c 五n o l o gy B e ij 加g V b L 2 7 N 0 . 5 O C t . 20 5 较低温度下制备 自结合氮化硅铁制品 陈俊 红 孙加 林 占华生 刘 晓 光 洪 彦若 北 京科技大 学无机 非金 属材 料系 , 北 京 10 0 53 摘 要 为 了深入 了解 闪速燃 烧 法制备 的 F e - 5 1 3从 作 为 高温 领 域 中新 型原 料的优 良特性 , 用 粒度 小于 74 卜m 的 F 卜Si 3N 月 原料制 成中50 r Dr n x 80 m l n 的试 样 , 成型 压力 为 2 50 kN , 经 1 5 0 ℃ 恒 温 3 h 空 气条 件 下烧 成 后 , 在 试样 内部 钻取 中36 I n r n x 50 ~ 圆柱体 进行 气 孔率 、 体积 密度及 常 温 耐压 强度 等指 标检 测 , 并结合 X RD , S E M , E D S 及 D T A es T G 等进 行 了分 析 . 结果表 明 , 用纯 F卜 is ,N4 原 料 , 不 添加任 何烧 结助 剂 , 依 靠原 料 自身 的 F e 3 is 以及原 料 中铁 固溶体 同氮 化硅 反应 生 成 的 eF 3 is 的结合 作 用 , 在 空气 条件 下低 温烧 成制 备氮 化硅 铁 耐火 材料 是可 行 的 . 关键 词 氧 化 硅铁 耐火 材料 : 自结合 ; 低温 制备 ; 烧 结 分类号 T B 3 9 氮 化硅 为共 价键 化 合物 , 自扩 散 系数 低 , 难 于 烧 结 , 所 以 , 以氮 化硅 为 原料 的制 品 的烧 结温 度 都 在 1 850 ℃ 以上 , 而 且 多数 要添 加烧 结助 剂 . 氮 化硅 铁 为氮 化硅 与 铁相 材料 的复合 体系 〔卜习 , 铁 相 材料 的熔 点相对 较低 ; 以单 纯 的氮 化 硅铁 为原 料 , 依 靠材 料 自身 的 结合作 用 是否可 以在空气 条 件 下 低温烧 成制 备 出性 能 较好 的氮 化 硅铁 耐火 材料 . 关 于 这方 面 的 文献 却 未见 报 道 , 为 此本 文 拟 对其 可 行 性进 行 实验 探 讨 . 热 重 ( T G ) 分 析 , 实验 仪 器 型号 为 N E zT S C H T h e -r m a l A n a ly z e r S T A 4 4 9 C . 升温 范 围 为 3 5一 1 5 0 0 ℃ , 升 温速 率 为 10 ℃ · m i n 一 ` , 空气 气氛 . 1 实验 氮化 硅 铁 是 以粒度 小于 74 林m 的 F es i75 为原 料 经 闪速燃 烧 合成 工 艺制 备 的 . 原料 F es i75 由 闪 速 炉 炉 顶连 续 加 入 到炉 内 的高 温 氮 气流 中 , 在 1 5 0 ℃ , .0 2 M p a 压力 的氮 气 中闪速 燃烧 , 生成 氮 化硅 铁 . 反 应形 成 的氮化 硅铁受 重力 作用 落入 产 物池 中 . 取 74 p m 的氮化 硅 铁 原料 , 以胶 水 为 临 时性 结合 剂 , 液压 成 型为 中50 ~ x8 0 ~ 的试样 , 压 力 为 2 50 kN . 干 燥 后 于空 气 气氛 中烧成 , 烧成 温度 为 1 5 0 0 ℃ , 恒 温 3 h . 自然 冷 却至 室温后 , 用 中36 m m 金 刚 石 钻 头在 试 样 内 部钻 取 中36 ~ 巧o r n r n 圆柱 体 进行 气 孔 率 、 体 积 密度 、 常温 耐 压强 度 等 性 能 的检测 , 同时进 行 X R D , S EM 及 E D S 分 析 . 取 74 卜m 的氮 化 硅铁 细 粉进 行 差 热 ( D T A卜 收 稿 日期 : 2 0 今】于 12 修回 日期 : 2 0 5-() 3一 15 蓦 金项 目 : 国家 自然科 学基 金资 助项 目N( 。 . 5 0 17 2 0 07 和 5 03 32 0 10) 作 者简 介 : 陈俊 红 ( 19 71 一) , 男 , 博 士 研 究生 2 实验结 果 与讨 论 .2 1 实 验 结 果 ( 1) 氮化 硅 铁 制 品烧 后 的显 微分 析 . 图 l a() 为 烧 后 氮化硅 铁 制 品 的断 口 结构 . 从 图 中看 出 , 烧 后 的氮 化硅 制 品存 在 两 层 : 其 一 为 致密 层 , 其 二 为 内部灰 白色 部 分 . 颜色 较深 的致密 层 的元 素主 要 为 iS , F e , 0 , A l等 , DE s 如 图 1b( ) , 说 明氮化硅 铁 已经 氧 化 . 图 2 为 烧 后氮 化 硅 铁 制 品 内部 灰 白色 部 分 (z F S N ) 与 氮化 硅 铁 原料 (F S N ) 的X R D 对 比 . 从 图 中看 出 , 烧后 氮 化硅 铁 中除。 尸 F e 消 失 外 , 其余 物 相 都 存在 . 烧 后 材 料中 的含铁 材料 仅 为 F e 3 is . 图 1 中 内部 灰 白色 部 分 的显 微 结 构如 图 3 . 从 图中 看 出 , 亮 白色 的 eF 3 is 已 经大 都 跑 到 颗粒 间 隙 , 充 当 了氮 化硅颗 粒 的粘 结 剂 而 把氮 化硅 颗 粒 粘 到 了一起 . (2 )氮 化硅 铁制 品 的性 能指 标 . 烧 后氮 化硅 铁 制 品 的性 能 指标检 测见 表 1 . (3 )氮 化硅 铁 原料 的 D T A- T G 分 析 . 氮化 硅铁 原料 的 D T A一 T G 曲线 如 图 4 . 从 图中看 出 , 氮 化硅 铁 原料 从 6 0 ℃ 开 始缓慢 增 重 , 1 1 0 ℃ 之 后 增 重 相对 加 快 . 放 热峰 的出现 温 度 为 1 12 .7 2 ℃ , 并 伴 随 失重 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 05. 049