專利名稱：自蔓延高溫合成氮化硅鐵粉末的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化硅鐵粉末的制備方法，特別是用自蔓延高溫合成(SHS)制備氮化硅鐵粉末。屬于非氧化物超細粉末制備領(lǐng)域。
氮化硅鐵中的主要物質(zhì)為氮化硅，主晶相為β相，占72～80wt％，其中硅含量49～53wt％，氮含量29～32wt％，鐵含量11～14wt％，顏色為灰白色。
氮化硅鐵材料對熔融Al、Pb、Sn、Zn、Bi有很好的抗侵蝕性，對熔融Mg、Cu、Ni也有較好的抗侵蝕性。對Cl2、H2S、HCl、H2SO4、HNO3、H2P2O7有優(yōu)良的抗腐蝕性，但易為HF和NaOH所侵蝕。
氮化硅鐵作為結(jié)構(gòu)材料和抗氧化材料，可提高碳化硅質(zhì)耐火材料的熱強度和抗氧化性。同時，當它與其它耐火材料混合，配以適當粘合劑，可制造抗熔融金屬性能優(yōu)良的耐火材料。
作為涂料和鑄型材料使用時，鑄造物表面良好，提高鑄型壽命。
由于有高的含氮率，因而它又是各種含氮耐蝕合金材料優(yōu)良的添加劑。此外，氮化硅鐵還在高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫電氣材料、濕化器具材料等中得到應(yīng)用。至今，氮化硅鐵粉末的制備方法主要為硅鐵粉和硅粉在氮氣中高溫長時間氮化。如日本山岸登等人發(fā)明的“氮化硅鐵的制造方法”(昭58-151311)是在豎型氮化爐內(nèi)，將金屬硅粉和硅鐵放在爐的上部，給爐中供給氮氣，然后從爐體下部給它加熱，最后在爐體下部得到氮化硅鐵。爐溫保持在800℃以上并保持。原料為粉狀、粒狀或它們的混合物中的一種。
日本加賀鐵夫等人發(fā)明的“氮化硅鐵及其制備方法”(平8-59216)，是以金屬硅粉、硅鐵粉為原料，在氮氣氣氛下，溫度在1000～1400℃之間，升溫速率高于10℃/小時，長時間下氮化生成氮化硅鐵。
前兩種工藝及其改進的方法能獲得氮化硅鐵粉，但共同缺點是生產(chǎn)過程需要消耗較多的能源。目前氮化硅鐵的制備，主要是通過硅鐵在氮氣中長時間氮化得到的，因此這些生產(chǎn)方法能耗較高，而且產(chǎn)品中要得到高β相的氮化硅，必須長時間氮化，而且氮化溫度很高，因此能耗很大。
自蔓延高溫合成(SHS)法是60年代中期新開發(fā)的一種新制備方法，它具有工藝簡單、能耗低、產(chǎn)品純度高、投資少等優(yōu)點。至今尚未有用SHS方法制備氮化硅鐵粉末的報道。
本發(fā)明的目的在于利用自蔓延高溫合成方法，改變其工藝參數(shù)，提供一種簡便、快速、節(jié)能、高效的制備氮化硅鐵粉末的方法。
首先，使用75硅鐵來合成氮化硅鐵，最大的困難在于如何控制產(chǎn)物中鐵的含量在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，75硅鐵氮化反應(yīng)不象鈦、鋁氮化等強放熱反應(yīng)，它屬中等強度的放熱反應(yīng)，因此燃燒溫度較低，燃燒反應(yīng)時鐵雜質(zhì)揮發(fā)較少。為此必須在原料中添加硅粉。而銨鹽，NH4Cl和NH4F，或兩者的混合物的添加，使鐵在合成反應(yīng)時，生成鐵的鹵化物揮發(fā)掉，這樣可有效地減少硅粉的添加量或不添加硅粉，從而可有效地降低生產(chǎn)成本。
其次，銨鹽(NH4Cl和NH4F)或兩者的混合物的添加，也可有效地降低氮化硅鐵稀釋劑和晶種的添加量，當不加銨鹽添加劑時，硅鐵與氮化硅鐵的比例為10∶4，而加了銨鹽添加劑后，硅鐵與氮化硅鐵的比例下降為10∶3，這樣可增加最終產(chǎn)品的產(chǎn)量，提高效率。
第三，本發(fā)明采用的主要原料為硅鐵粉、金屬硅粉及氮化硅鐵粉，顆粒度分別為0.5～40μm、0.3～30μm和0.3～40μm，較寬的粒度范圍，可有效降低成本；第四，以3～15MPa高壓氮氣作為氮化源，為氮化提供充足的原料；第五，可以以銨鹽(NH4Cl和NH4F)或兩者的混合物為添加劑，也減少反應(yīng)物中的其它雜質(zhì)和促使燃燒產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松。
具體制備方法是將硅鐵粉、氮化硅鐵粉按一定比例(兩者比例為1～10∶1～6)或硅鐵粉、硅粉和氮化硅鐵粉按一定比例(三者比例為1～10∶1～6∶1～6)混合后，與銨鹽NH4Cl、NH4F或它們的混合物NH4Cl∶NH4F＝1∶1(重量比)添加劑混合，添加劑的加入量為硅鐵粉和氮化硅鐵粉末重量的1～10wt％(亦可以不用添加劑)。松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，然后在高壓容器中經(jīng)點火自蔓延高溫合成，冷卻后即可生成所需的氮化硅鐵粉。
本發(fā)明提供的高壓容器和一般SHS方法中提供的相仿，無需特殊要求，僅僅是反應(yīng)物和添加劑在均勻混合后或反應(yīng)物本身均勻混合后，以2.3～3.0kg/cm3松裝密度安放在碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，它們的形狀圖分別如

圖1-1、1-2所示。圖中1為鎢絲發(fā)熱體，2為點火劑，3為反應(yīng)物4為碳氈容器，圖1-1為直立環(huán)狀，圖1-2為盤狀容器。自蔓延高溫合成后采用自然冷卻。
很顯然，本發(fā)明通過工藝改進，克服了上述二個專利存在的缺點，而且具有以下幾個優(yōu)點(1)能耗低，除啟動燃燒合成反應(yīng)外不需任何能量；(2)不需特殊設(shè)備；(3)產(chǎn)量大，效率高；(4)外加的添加劑既有利于減緩反應(yīng)速度而又可有效地降低硅粉和氮化硅鐵的使用量，使鐵含量保持在一定范圍內(nèi)，同時也可減少整個反應(yīng)體系中其它雜質(zhì)的含量，。
下面通過實施方案進一步闡明發(fā)明實質(zhì)進步和本發(fā)明的創(chuàng)新點。
實施方案1采用75硅鐵粉(硅含量74.39wt％，鐵含量24.27wt％，顆粒度范圍為0.5～40μm)和氮化硅鐵(硅含量52.59wt％，氮含量30.31wt％，鐵含量11.80wt％，顆粒度范圍為0.3～40.0μm)，按重量比為10∶4混合，均勻混合后，松裝于外徑φ60mm×內(nèi)徑φ55mm×高60mm的碳氈制的直立環(huán)狀筒(圖1-1所示)中，松裝密度為2.70g/cm3，并置于高壓容器中，抽真空后充入3～15MPa的高壓氮氣(純度99.99％)，經(jīng)點火后自蔓延燃燒，自然冷卻后即得氮化硅鐵粉末，經(jīng)測定，制得氮化硅鐵粉末的硅含量為51.08wt％，氮含量為30.16wt％，鐵含量為13.70wt％，平均粒徑為9.1μm。
實施方案2采用75硅鐵粉、金屬硅粉(硅含量97.47wt％，鐵含量0.83wt％，氧含量0.085wt％，平均顆粒度0.92μm)和氮化硅鐵粉，按重量比為10∶3∶3混合，均勻混合后，裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒(圖1-1)中，松裝密度為2.52g/cm3，然后放入高壓容器中進行自蔓延高溫合成反應(yīng)，氮氣壓力為3～15MPa。其余條件包括原料純度和粒徑均同實施方案1。
按本實施例制備的氮化硅鐵粉末的性能列于表1。
實施方案3按75硅鐵粉∶氮化硅鐵粉＝10∶3(重量比)混合，再外加2wt％的NH4Cl的銨鹽混合均勻后，裝入碳氈制的盤狀(200mm×400mm)容器(圖1-2)中，厚度20～40mm，松裝密度為2.67g/cm3，然后放入高壓容器中進行自蔓延高溫合成，氮氣壓力為3～15MPa，其余條件包括原料純度和粒徑均同實施方案1。
實施方案4采用75硅鐵粉、氮化硅鐵粉，按硅鐵粉∶氮化硅鐵＝10∶3(重量比)配料，外加2wt％固體添加劑(銨鹽NH4F和NH4Cl的重量比為1∶1)，混合后松裝密度為2.61g/cm3，裝于碳氈制的盤狀容器(圖1-2)中，其它條件同實施方案1。制備的氮化硅鐵粉末的主要性能也列于表1，其中平均粒徑為8.2μm。
表1本發(fā)明制備的氮化硅鐵粉的主要性能
權(quán)利要求
1.一種自蔓延高溫合成制備氮化硅鐵粉末的方法，包括配料、混合、氮化，其特征在于(1)按硅鐵粉∶氮化硅鐵粉＝1～10∶1～6比例配料或硅鐵粉∶硅粉∶氮化硅鐵粉＝1～10∶1～6∶1～6比例配料，以粉末形式松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，然后裝入高壓容器中進行自蔓延高溫合成；(2)反應(yīng)的高壓氮氣為3～15MPa；(3)自蔓延高溫合成后采用自然冷卻。
2.一種自蔓延高溫合成制備氮化硅鐵粉末的方法，包括添加劑使用、配料、混合、氮化，其特征在于(1)按硅鐵粉∶硅粉＝1～10∶1～6比例配料或硅鐵粉∶硅粉∶氮化硅鐵粉＝1～10∶1～6∶1～6比例配料，然后與固體添加劑均勻混合后，以粉末形式松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，然后裝入高壓容器中進行自蔓延高溫合成反應(yīng)；(2)固體添加劑為NH4F、NH4Cl或它們的混合物，NH4F∶NH4Cl＝1∶1(重量比)，加入量為硅粉、硅鐵和氮化硅鐵重量的1～10wt％；(3)反應(yīng)的高壓氮氣為3～15MPa；(4)自蔓延高溫合成后采用自然冷卻。
3.按權(quán)利要求1或2所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于所述的硅鐵粉粒度粒徑范圍為0.5～40μm，氮化硅鐵的粒徑范圍為0.3～40μm，硅粉的粒徑范圍為0.3～30μm。
4.按權(quán)利要求1或2所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于硅粉和氮化硅鐵粉及固體添加劑的混合物松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，松裝密度為2.3～3.0g/cm3。
5.按權(quán)利要求1所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于(1)硅鐵粉∶硅粉＝10∶4(重量比)；(2)經(jīng)混合后粉末松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，松裝密度為2.70g/cm3；(3)反應(yīng)的高壓氮氣壓力為3～15MPa；(4)自蔓延高溫合成后自然冷卻。
6.按權(quán)利要求1所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于(1)硅鐵粉∶硅粉∶氮化硅鐵粉＝10∶3∶3(重量比)；(2)經(jīng)混合后粉末松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，松裝密度為2.52g/cm3；
7.按權(quán)利要求2所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于(1)硅鐵粉∶硅粉＝10∶3(重量比)；(2)固體添加劑為銨鹽NH4Cl，加入量為2wt％；(3)經(jīng)混合后粉末松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，松裝密度為2.67g/cm3；(4)反應(yīng)的高壓氮氣壓力為3～15MPa；(5)自蔓延高溫合成后自然冷卻。
8.按權(quán)利要求2所述的氮化硅鐵粉末制備方法，其特征在于(1)硅鐵粉∶氮化硅鐵粉＝10∶3(重量比)；(2)固體添加劑為銨鹽NH4Cl和NH4F，加入量為2wt％，其中NH4F∶NH4Cl＝1∶1(重量比)；(3)經(jīng)混合后粉末松裝于碳氈制的直立環(huán)狀筒和盤狀容器中，松裝密度為2.61g/cm3；(4)反應(yīng)的高壓氮氣壓力為3～15MPa；(5)自蔓延高溫合成后自然冷卻。
全文摘要
一種自蔓延高溫合成氮化硅鐵粉末的制備方法,屬于非氧化物超細粉末制備領(lǐng)域。本發(fā)明是由金屬硅鐵粉和氮化硅鐵粉按1～10∶1～6的比例或硅鐵粉、金屬硅粉和氮化硅鐵粉按1～10∶1～6∶1～6混合,加入添加劑并通以3～15MPa氮氣。固體添加劑為銨鹽(NH
文檔編號C01B21/06GK1275526SQ0011680
公開日2000年12月6日 申請日期2000年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月27日
發(fā)明者江國健, 莊漢銳, 李文蘭, 張寶林 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所