前氮化硅鐵主要用作高爐出鐵口炮泥、出鐵溝等炭系耐火材料中。由于Fe-Si3N4具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好及不易被熔渣滲透等特點(diǎn)，也被用于合成復(fù)合材料、鎂質(zhì)澆注料、不燒無(wú)鉻耐火材料等。       氮化硅鐵       1、在Al2O3-SiC-C系耐火材料中的應(yīng)用       1.1在Al2O3-SiC-C質(zhì)炮泥中的應(yīng)用       試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用表明：氮化硅鐵不僅可以改善炮泥的物理性能、高溫強(qiáng)度，而且對(duì)炮泥的開口性能、抗侵蝕沖刷性能等應(yīng)用性能的提高具有很好的效果。近年來(lái)，全國(guó)重點(diǎn)大型鋼鐵企業(yè)2000m3以上高爐堵鐵口炮泥基本上都使用氮化硅鐵。添加氮化硅鐵的炮泥很好地滿足了大型高爐的需要，使高爐出鐵次數(shù)由18次普遍降低到12次，可降到6次。炮泥的消耗量由每噸鐵1.2kg降低到0.5kg。       但是氮化硅鐵在炮泥中的添加達(dá)到一定量以后，炮泥的綜合性能提高不明顯，因此，應(yīng)控制好氮化硅鐵加入量。有研究認(rèn)為，氮化硅鐵加入量控制在10%~20%(w)時(shí)，炮泥綜合性能好。       關(guān)于氮化硅鐵在高爐炮泥中作用機(jī)制的研究有不少報(bào)道。文獻(xiàn)中對(duì)氮化硅鐵在高爐出鐵口用炮泥料中的性狀進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在1250℃開始放出隊(duì)；1300℃以上時(shí)，鐵常常發(fā)生硅鐵化；1400~1500℃時(shí)反應(yīng)劇烈，放出大量氣體，基質(zhì)中生成了SiC和AlN。分析認(rèn)為，氮化硅鐵在炮泥中發(fā)生的反應(yīng)如下：       9Fe+Si3N4→3Fe3Si+2N2，(1)       3Fe+Si3N4+2C→Fe3Si+2SiC+2N2，(2)       9Fe+Si3N4+Al2O3+3C→2AlN+3Fe3Si+3CO+N2。(3)       可見，在炮泥中加入氮化硅鐵，高溫下在基質(zhì)中生成SiC和AlN，增強(qiáng)了基質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生大量氣體，可以提高炮泥的氣孔率，改善炮泥的開口性能和透氣性能，產(chǎn)生的氣體可以減少與鐵水接觸界面的摩擦，防止?fàn)t渣侵蝕。       氮化硅鐵-碳體系中高溫下主要發(fā)生氮化硅向碳化硅的轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e對(duì)Si3N4向SiC轉(zhuǎn)化具有明顯的促進(jìn)作用，是由于SiC-C復(fù)相材料的形成而強(qiáng)化了高爐炮泥的強(qiáng)度及抗熔渣侵蝕性能，使用性能大大提高。研究認(rèn)為，高溫下Si3N4同金屬Fe反應(yīng)生成的Fe3Si增加液相量，不僅促進(jìn)燒結(jié)，而且促進(jìn)α-Si3N4向β-Si3N4轉(zhuǎn)變，形成長(zhǎng)柱狀晶粒；另外，Si3N4同C反應(yīng)生成SiC，大量Si3N4和SiC彼此交叉構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了炮泥的高溫強(qiáng)度。然而，徐國(guó)濤等則認(rèn)為1300℃以上，氮化硅鐵并不一定發(fā)生硅鐵化，其認(rèn)為氮化硅鐵首先分解為氮化硅與Fe，F(xiàn)e容易氧化形成硅鐵的氧化物固溶體，而分解的氮化硅也可能發(fā)生氧化生成氮氧化合物，產(chǎn)生N2，可以避免炭素被氧化，也可促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程中生成微小氣孔，有利于改善炮泥的透氣性能和開口性能。       1.2在Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝料中的應(yīng)用       將少量Fe-Si3N4加入到Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝料中，可改善材料的抗氧化性，提高材料的高溫強(qiáng)度，因而極大地提高了高爐出鐵溝的通鐵量。研究發(fā)現(xiàn)，氮化硅鐵可以顯著改善Al2O3-SiC-C質(zhì)出鐵溝澆注料的抗氧化性，而且隨著氮化硅鐵加入量的增加，抗氧化能力增強(qiáng)。其抗氧化機(jī)制為：在高溫氧化氣氛下，表面氮化硅鐵中的Si3N4首先氧化生成SiO2，構(gòu)成氧化層的主體；隨著鐵相材料的氧化，形成的氧化鐵不但降低了氧化層的熔點(diǎn)，而且降低了熔體的黏度，增進(jìn)熔體在材料表面上的潤(rùn)濕性及流動(dòng)性，形成覆蓋于材料表面的氧化層而阻止炭素氧化，使其具有比純Si3N4更好的抗氧化性能。但是加入氮化硅鐵，會(huì)使?jié)沧⒘系募铀吭黾?，常溫性能指?biāo)有所降低，因此要控制氮化硅鐵的加入量，以保證具有足夠的施工性能和脫模強(qiáng)度。       鐵溝料       1.3在Al2O3-SiC-C磚中的應(yīng)用       研究表明，在魚雷車用Al2O3-SiC-C磚中加入氮化硅鐵，提高了高溫抗折強(qiáng)度，原因是加入氮化硅鐵后，在高溫下生成S2N2O，且隨著氮化硅鐵加入量的增多，Si2N20增多，高溫抗折強(qiáng)度增大。       2、Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料       Si3N4-SiC材料具有良好的理化性能和高溫性能，廣泛用于高爐、鋁電解槽等高溫領(lǐng)域，具有很好的使用效果。與純氮化硅相比，氮化硅鐵具有更好的燒結(jié)性，可用作高溫結(jié)合相。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%和10%的工業(yè)SiC和硅鐵粉為原料，外加2%(w)的黃糊精，經(jīng)1380℃5h氮化燒成制備出Fe-Si3N4結(jié)合SiC復(fù)合材料，生成的物相除巧為、SiO2外，還含有少量硅鐵(FeSi)和單質(zhì)Fe。       以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%和88%的FeSi粉和SiC為主要原料，通過(guò)直接氮化反應(yīng)燒結(jié)，成功制備出Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料，其主要物相為SiC、α-Si3N4、β-Si3N4和Fe3Si，硅鐵金屬間化合物均呈直徑小于10μm的類球狀，均勻分布的硅鐵金屬間化合物可以作為金屬塑性相。合成的Fe-Si3N4-SiC制品的常溫耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度均優(yōu)于Si3N4-SiC材料。Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料不僅含有高溫增強(qiáng)相SiC和氮化硅，還含有金屬塑性相(Fe、FeSi或Fe3Si)，可改善材料的抗熱震性，該材料有望在高溫領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。       3、在其他耐火材料中的應(yīng)用       氮化硅鐵含有氮化硅和Fe相，具有高溫性能好，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性好以及不被熔渣滲透等一系列優(yōu)異性能，也已被用到其他耐火材料中。利用氮化硅鐵含有高溫增強(qiáng)相氮化硅和金屬塑性相Fe，以剛玉、尖晶石為原料，將氮化硅鐵以細(xì)粉形式添加，根據(jù)過(guò)渡塑性理論制備出低成本的抗氧化、抗侵蝕性好的無(wú)鉻不燒耐火材料。該耐火材料具有優(yōu)良的物理性能，良好的抗氧化性和鋼水侵蝕性，可用來(lái)代替鎂鉻磚用于RH精煉爐。       將一定量的氮化硅鐵引入到鎂質(zhì)澆注料中，改善了鎂質(zhì)澆注料的中高溫處理后的強(qiáng)度以及熱態(tài)抗折強(qiáng)度，其認(rèn)為這是因?yàn)榈梃F在加熱過(guò)程能部分氧化成SiO2，進(jìn)而形成纖維狀的鎂橄欖石，增大強(qiáng)度；鐵相物質(zhì)能和方鎂石固溶，促進(jìn)燒結(jié)。將氮化硅鐵引入到高鋁質(zhì)澆注料中制備高熱震性和抗侵蝕性好的高鋁澆注料，期望可以代替用于與鋁液接觸的部位(要求具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的抗熱震性)的高鋁磚。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入氮化硅鐵后，干燥和燒后材料的顯氣孔率降低，體積密度、強(qiáng)度增大，雖然熔渣對(duì)試樣的滲透增大，但是熔渣對(duì)試樣的侵蝕減輕。

       高氮合金材料屬世界材料科學(xué)前沿領(lǐng)域，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家近幾年加大力度競(jìng)相研發(fā)。由于氮元素資源豐富、廉價(jià)、生產(chǎn)工藝環(huán)保、節(jié)省資源和能源，高氮合金被譽(yù)為環(huán)境友好材料、被世界材料科學(xué)界公認(rèn)為前沿領(lǐng)域材料。用氮元素完全取代鎳進(jìn)行合金化，一方面可以節(jié)省鎳資源，另一方面可以從根本上減少鎳合金在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害。?       氮合金化后顯著提高材料的強(qiáng)度、韌性、無(wú)磁性、抗蝕性，相對(duì)于傳統(tǒng)不銹鋼在海水中耐蝕能力較弱的情況，高氮鋼突顯了超強(qiáng)的抗海洋環(huán)境腐蝕性能，氮元素具有強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體的作用，即使是大變形情況下依然具有無(wú)磁性。高氮合金材料可以應(yīng)用于海洋工程設(shè)備設(shè)施中重要的部件，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)件、耐海水腐蝕高強(qiáng)度鋼絲繩、海底油氣管線、海水淡化裝置、跨海大橋構(gòu)件、高強(qiáng)度耐蝕緊固件、閥體、泵體等。除此之外，高氮合金材料還可以應(yīng)用在艦船推進(jìn)器用螺旋槳、明輪等；石化設(shè)備零部件；汽車渦輪增壓器殼體、渦輪、排氣歧管等方面。也可以用在骨科用內(nèi)植入材料，包括膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、骨釘、骨板等?！奔鹃L(zhǎng)濤說(shuō)，在醫(yī)療領(lǐng)域，植入器械的表面是與人體直接接觸的，高氮合金材料具有優(yōu)異的生物相容性，強(qiáng)度也非常高，適合于人體膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等受力部位。       高氮合金研發(fā)項(xiàng)目有助于快速構(gòu)建一個(gè)新型的、符合對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、國(guó)防起到關(guān)鍵支撐作用的綠色、環(huán)保、高性價(jià)比、資源節(jié)約型高品質(zhì)特殊性能合金產(chǎn)業(yè)。

       氮化硅作為一種主要依靠人工條件合成的化合物，在一百五十多年前被國(guó)外科學(xué)家成功研制，地球上自然存在的氮化硅（大小約為2×5μm）直到二十世紀(jì)九十年代才在隕石中被人類發(fā)現(xiàn)。氮化硅作為一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有同其他金屬和材料更為優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨性、高韌性、高抗彎強(qiáng)度等性能，能夠被應(yīng)用于傳統(tǒng)金屬材料所不能適應(yīng)匹配的高要求極端運(yùn)作環(huán)境，其制成零部件等產(chǎn)品可被應(yīng)用于機(jī)械工程、超細(xì)研磨、高性能機(jī)床切削刀具、冶金等領(lǐng)域。       下面簡(jiǎn)略介紹幾種氮化硅陶瓷制品（包含但不僅限于）：       （一）氮化硅陶瓷軸承及軸承球       陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，在新材料領(lǐng)域當(dāng)中，因具有相較于金屬軸承更優(yōu)良的耐高溫、高強(qiáng)度等性能而被推崇應(yīng)用。伴隨加工技術(shù)、工藝水平的日益提高，其制造成本的下降，產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格走向?qū)嵱没?，陶瓷軸承的應(yīng)用開始向各行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍，不再僅停留于高、精、尖、小范圍內(nèi)應(yīng)用。陶瓷軸承的材質(zhì)主要分為氮化硅和氧化鋯，氮化硅制陶瓷相比氧化鋯材料適用于更高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷，以及高溫的環(huán)境下。利用氮化硅制備高速、高精度剛性主軸的精密陶瓷軸承，其制造精度可達(dá)P4至UP級(jí)。氮化硅或氮化硅基陶瓷復(fù)合材料也因此被公認(rèn)是制造軸承及其零件最理想的材料。目前氮化硅陶瓷軸承主要用于四個(gè)方面：①高速軸承②高溫軸承③真空用軸承④腐蝕用軸承。       氮化硅陶瓷球則是在非氧化環(huán)境中高溫?zé)Y(jié)的精密陶瓷制品，具有耐酸堿、耐腐蝕等特性，不僅可以在海水中長(zhǎng)期使用，絕緣性、自潤(rùn)滑性也十分優(yōu)異，因此可以使用到無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)高污染的環(huán)境中。在800℃時(shí)，氮化硅陶瓷球強(qiáng)度、硬度幾乎不變，密度為3.20g/cm3，重量幾乎是軸承鋼的1/3的重量，旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力小.可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。由此氮化硅陶瓷球很大程度上能成為陶瓷軸承、混合陶瓷軸承的佳選球珠，在超細(xì)研磨領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。       （二）氮化硅制渦輪轉(zhuǎn)子       渦輪增壓是一種利用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作所產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的技術(shù)，作用在于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，同時(shí)對(duì)降低燃油消耗、減少噪聲、減少尾氣中的有害分子等方面具有重要意義。渦輪增壓器的關(guān)鍵零件是渦輪轉(zhuǎn)子，主要由轉(zhuǎn)子葉片、渦輪盤、渦輪軸等零件組成。氮化硅系陶瓷具有的質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高耐熱、耐沖擊和高斷裂韌性等優(yōu)越性質(zhì)，與高品質(zhì)轉(zhuǎn)子的適用要求非常匹配。經(jīng)試驗(yàn)表明，氮化硅制成的渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可減少40%，增壓響應(yīng)時(shí)間快30%，明顯改進(jìn)了低速時(shí)的加速度。并且氮化硅陶瓷在渦輪增壓器上的應(yīng)用，為車用渦輪增壓器上的輕量化技術(shù)提供了可能。       （三）氮化硅陶瓷刀具       在全球制備硬質(zhì)合金的金屬礦產(chǎn)資源日益減少、價(jià)格上漲的大環(huán)境下，新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨耐高溫新材料的研制，陶瓷刀具也應(yīng)運(yùn)而生。一代陶瓷刀具為氧化鋁陶瓷刀具，于1950年開始在生產(chǎn)上進(jìn)行應(yīng)用，1968年二代的復(fù)合氧化鋁陶瓷刀具在強(qiáng)度和韌性上較一代性能更加優(yōu)異；20世紀(jì)70年代末80年代初國(guó)際上第三代陶瓷刀具——氮化硅陶瓷刀具才出現(xiàn)。這類刀具又比第二代復(fù)合氧化鋁刀具更高的韌性、抗沖擊性、高溫強(qiáng)度和抗熱震性。氮化硅刀具主要適用于鑄鐵、高溫合金的粗加工、高速切削和重切削，其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性可在高速條件下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行切削加工運(yùn)作，比普通硬質(zhì)合金刀具運(yùn)行效率平均提高三倍以上。       （四）鋁冶金氮化硅陶瓷部件       氮化硅陶瓷具有的抗鋁液腐蝕的特性讓其在鑄鋁連軋生產(chǎn)線和煉鋁、熔鋁作業(yè)中，可用來(lái)制作測(cè)溫?zé)犭娕脊芴住掍X爐爐襯、鋁液包子內(nèi)襯、坩堝、鑄鋁模具、鋁電解槽等用具。例如氮化硅陶瓷制成的熱電偶管套用于鋁液測(cè)溫這一技術(shù)已經(jīng)開始在我國(guó)普及，這種管套相較于常用的不銹鋼、剛玉陶瓷管套在使用性能上更加優(yōu)異，畢竟不銹鋼容易被鋁液腐蝕，連續(xù)使用20h后就會(huì)被損壞，剛玉更是經(jīng)不起熱沖擊。而在鋁液中性能長(zhǎng)期穩(wěn)定、間歇測(cè)溫1200次以上都不開裂的氮化硅陶瓷管套在加工過(guò)程中可謂是一大利器。