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纯铁与氮化硅体系耐火材料在氧化气氛下的高温稳定性

[发布时间:2020-06-29 12:43:01 ][阅读次数:526次]

1.氮化硅的氧化:

纯铁与氮化硅体系耐火材料在不同的温度及氧分压条件下稳定存在的凝聚相以及它们的稳定范围。在Si-N-O系中有实际意义的凝聚相有Si、Si3N4、Si2N2O和SiO2。

在标准状态下,Si3N4的氧化基本按上述两个反应进行,且产物主要为SiO及N2气,同时存在少量NO气体。

但是,随着氧分压的降低,氮化硅的氧化行为将发生变化,氧化所形成的物相将有所区别,最终物相存在形式将随氧分压及温度不同而有所改变。

2.金属铁的氧化:

铁在各种温度下稳定存在的氧分压要比氮化硅大得多,也就是说,同样的条件下氮化硅要比铁更容易氧化。

因此,在同样的氧分压条件下,就可能存在氮化硅氧化,而铁仍为单质的状况。由氮化硅与铁的稳定状态图可以得知不同氧分压条件下该体系中稳定存在的物相组成,由此也可构筑出不同组成的复合材料。

3.铁与氮化硅之间的反应:

尽管铁与氮化硅在高温氧化条件下都容易氧化,即使两者都稳定存在的氧分压下,也会部分反应发生,因此铁与氮化硅体系耐火材料经高温处理后铁可能的存在形式有Fe3Si、Fe5Si3、FeSi及未反应完全的铁等;

Fe3Si与Si3N4的高温稳定性较高,所以,经高温处理后的Fe-SiN4体系材料中的铁应是以Fe3Si为主的相对于氮化硅而言,铁在低温状态下的氧化比较容易进行。

所以,在铁与氮化硅体系耐火材料加热过程中,铁首先被氧化成FeO或Fe2O3,在持续的高温处理过程中。

高温处理过程中,在氮气气氛或者在材料表面形成封闭层的情况下,材料内部的氧分压将降低,就会形成一个易发生FeO或Fe2O3同氮化硅的反应的环境。

4.铁与氮化硅体系材料在不同氧分压下的物相组成:

不同温度及氧分压条件下,铁与氮化硅所存在的稳定物相是不一样的。

在1370K时:

在不同的氧分压范围下,铁与氮化硅体系有以下几种状态出现:

(1)铁与氮化硅都不会被氧化,只会发生氮化硅同铁之间的反应,则体系成分为Si3N4及Fe或者FeSi。如果在高纯氮气中,应为Fe3Si。

(2)铁与氧化硅体系成分为SiO2及Fe。

(3)铁与氧化硅体系被氧化为SiO2及FeO,继而形成低熔点物相,体系性能较低,不适合用于高温领域。

(4)铁与氧化硅体系被氧化为SiO2及Fe2O3,形成低熔点相,体系性能较低。

在1770K时:

特定氧分压范围下,氮化硅不会被氧化,而是同铁反应生成FeSi,该耐火材料体系最终物相应为Si3N4及FeSix;

在另一特定氧分压范围下与氮化硅反应,被氧化为Si2N2O,如果氮化硅有剩余,则铁同未氧化的氮化硅反应生成FeSix,体系最终为Si2N2O、Si3N4及FeSix的复合体系。

这时可将该体系做成FeSix弥散增强的Si2N2O结合Si3N4复合材料,由于Si2N2O的稳定性好,同时结合强度较高,再加之FeSix的高导热性及韧性,则该复合材料的综合性能将是非常出色的。

在不同的氧分压范围下,铁与氮化硅体系有以下几种状态出现:

(1)氮化硅发生氧化,生成SiO2;铁仍为单质或同剩余的氮化硅反应生成FeSi,体系材料性能下降。

(2)氮化硅及铁被氧化为SiO2及FeO,形成低熔点相,体系性能较低。

(3)氮化硅及铁被氧化为SO2及Fe2O3,形成低熔点相,体系性能较低。

由以上热力学讨论可知,用氮化硅与铁进行复合时,应该尽可能控制为以氮化硅或氧氮化硅为主要物相,而以Fe或FeSi为增韧相的微观结构。

如此,既能保证氮化硅材料的性能,又由于铁相的存在,增加了耐火材料的韧性和导热率,强化了材料的抗热冲击性,由此制备的耐火材料将是非常有前景的。

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