D01:10.13374.isml00103x.2009.06.007 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 闪速燃烧合成的Fe SisN4中FeSi粒子的形成机理 陈俊红宋文刘晓光孙加林 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要采用SEM、EDS等手段研究了闪速燃烧合成的氮化硅铁及其原料FSi75的组成，结构，并结合闪速燃烧合成工艺和 热力学分析，揭示氮化硅铁中FeSi粒子的形成机理.结果表明：在以74m的FSi75氮化制备氮化硅铁过程中，金属硅和 (FS23)相中部分硅氮化为氮化硅，而氮化硅铁中FeSi粒子则来源于：相的氮化：当相被氮化到其中的S]摩尔分数降低 近25%时，[S可的活度as趋于0，氮化趋于平衡，相中不能被继续氮化的部分即为FeSi粒子，其FeSi原子比例大约为31： FSi粒子的大小、均匀分布状况与相颗粒粒径大小及分布状况有关. 关键词氮化硅铁：氮化硅：闪速燃烧：热力学分析 分类号TB332 Formation mechanism of FexSi particles in ferro-silicon nitride prepared via flashing combustion CHEN Jun-hong.SONG Wen.LIU Xiao-guang,SUN Jia-lin School of Materials Science and Engireering.University of Science and Technology Beiing.Beijng 100083.China ABSTRACT The composition and structure of ferrosilicon nitride prepared via flashing combustion and the starting material FeSi75 were analyzed by SEM and EDS.The formation mechanism of FerSi particles in ferro-silioon nitride was studied in combination with thermody namic analysis and flashing combustion.The results show that nitridation of metallic silioon and the silicon part ofs phase FeSi2 3)form silicon nitride during the synthesis of ferro-silicon nitride with FeSi75 of 74m.FexSi particles in ferro-silicon nitride come from nitridation of phase.When the molar fraction of[Si in phase decreases to 25%,the activity of[Si]is approaching to zero and the nitridation reaction tends to balance.FeSiparticles form from the residual part of phase w hich can not be nitrided any- more.The atom proportion of Fe to Si is 3 to 1.The size of FexSi particles and homogeneity distribution relate to the particle size of 乞hase. KEY WORDS ferrosilicon nitride;silicon nitride;flashing combustion:thermodynamic analysis 闪速燃烧工艺是近年来在金属硅、铝氮化领域 铁而言，该工艺的最大优点在于合成的氮化硅及氮 发展起来的新型工艺，主要用来合成氮化硅、氮化硅 化硅铁中没有游离硅，而且可以连续生产.所以，生 铁等.该工艺将粒度为74m的金属硅或FSi75 产成本大幅度降低.仅相当于其他生产方式生产成 原料由闪速炉炉顶连续加入到炉内的1400~ 本的1/10~1/3. 1600℃氮气(N299.99%)中，金属硅或FSi75在高 利用闪速燃烧工艺，以FSi75(质量分数：Si 温氮气中边下降边闪速燃烧，生成氮化硅或氮化硅 77.10%,Fe19.30%,Mg0.136%,Ca1.95%, 铁. A1119%,Mn0.14%,其他0.184%)为原料合成 相对于自蔓延及其他工艺合成氮化硅或氮化硅 的氮化硅铁（简写为Fe一Si3N4)的主要物相为氮化 收稿日期：200806-15 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(Na.50332010) 作者简介：陈俊红(1971一），男，讲师，博士，E-maik chenjunhong2666@yalo.com,m闪速燃烧合成的 Fe-Si3N4 中 FexSi 粒子的形成机理 陈俊红 宋 文 刘晓光 孙加林 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用 SEM 、EDS 等手段研究了闪速燃烧合成的氮化硅铁及其原料 FeSi75 的组成、结构, 并结合闪速燃烧合成工艺和 热力学分析, 揭示氮化硅铁中 Fex Si 粒子的形成机理.结果表明:在以 74μm 的 FeSi75 氮化制备氮化硅铁过程中, 金属硅和ξ ( FeSi2.3) 相中部分硅氮化为氮化硅, 而氮化硅铁中 Fe xSi 粒子则来源于ξ相的氮化;当ξ相被氮化到其中的[ Si] 摩尔分数降低 近 25 %时,[ Si] 的活度 aSi趋于 0, 氮化趋于平衡,ξ相中不能被继续氮化的部分即为 Fe xSi 粒子, 其 Fe∶Si 原子比例大约为 3∶1; Fe xSi 粒子的大小、均匀分布状况与ξ相颗粒粒径大小及分布状况有关. 关键词 氮化硅铁;氮化硅;闪速燃烧;热力学分析 分类号 TB332 Formation mechanism of FexSi particles in ferro-silicon nitride prepared via flashing combustion CHEN J un-hong , SONG Wen, LIU Xiao-guang, S UN J ia-lin S chool of Materials S cience and Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The compositio n and structure of ferro-silicon nitride prepared via flashing combustion and the starting material FeSi75 w ere analyzed by SEM and EDS.The fo rmatio n mechanism of Fe xSi particlesin ferro-silico n nitride was studied in combination with thermody namic analysis and flashing combustion.The results show that nitridation of metallic silico n and the silico n part of ξphase ( FeSi2.3) form silicon nitride during the synthesis of ferro-silicon nitride with FeSi75 of 74μm .Fex Si particlesin ferro-silicon nitride come from nitridation of ξphase.When the molar fraction of [ Si] in ξphase decreases to 25 %, the activity of [ Si] is approaching to zero and the nitridation reaction tends to balance.Fe xSi particlesform from the residual part of ξphase w hich can not be nitrided any￾more.The atom proportion of Fe to Si is 3 to 1 .The size of Fe xSi particles and homogeneity distribution relate to the particle size of ξphase. KEY WORDS ferro-silicon nitride;silicon nitride;flashing combustion ;thermo dynamic analysis 收稿日期:2008-06-15 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目( No .50332010) 作者简介:陈俊红( 1971—) , 男, 讲师, 博士, E-mail:chenjunhong2666@yahoo .com .cn 闪速燃烧工艺是近年来在金属硅、铝氮化领域 发展起来的新型工艺, 主要用来合成氮化硅、氮化硅 铁等[ 1] .该工艺将粒度为 74 μm 的金属硅或 FeSi75 原料 由闪速 炉炉顶 连续加 入到炉 内的 1 400 ～ 1 600 ℃氮气( N2 99.99 %) 中, 金属硅或 FeSi75 在高 温氮气中边下降边闪速燃烧, 生成氮化硅或氮化硅 铁. 相对于自蔓延及其他工艺合成氮化硅或氮化硅 铁而言, 该工艺的最大优点在于合成的氮化硅及氮 化硅铁中没有游离硅, 而且可以连续生产.所以, 生 产成本大幅度降低, 仅相当于其他生产方式生产成 本的 1/10 ～ 1/3 . 利用闪速燃烧工艺, 以 FeSi75 ( 质量分数 :Si 77.10 %, Fe 19.30 %, M g 0.136 %, Ca 1.95 %, Al 1.19 %, M n 0.14 %, 其他 0.184 %) 为原料合成 的氮化硅铁( 简写为 Fe-Si3N4) 的主要物相为氮化 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.007