专利名称：自蔓延高温合成氮化硅铁粉末的制备方法
技术领域：
本发明涉及氮化硅铁粉末的制备方法，特别是用自蔓延高温合成(SHS)制备氮化硅铁粉末。属于非氧化物超细粉末制备领域。
氮化硅铁中的主要物质为氮化硅，主晶相为β相，占72～80wt％，其中硅含量49～53wt％，氮含量29～32wt％，铁含量11～14wt％，颜色为灰白色。
氮化硅铁材料对熔融Al、Pb、Sn、Zn、Bi有很好的抗侵蚀性，对熔融Mg、Cu、Ni也有较好的抗侵蚀性。对Cl2、H2S、HCl、H2SO4、HNO3、H2P2O7有优良的抗腐蚀性，但易为HF和NaOH所侵蚀。
氮化硅铁作为结构材料和抗氧化材料，可提高碳化硅质耐火材料的热强度和抗氧化性。同时，当它与其它耐火材料混合，配以适当粘合剂，可制造抗熔融金属性能优良的耐火材料。
作为涂料和铸型材料使用时，铸造物表面良好，提高铸型寿命。
由于有高的含氮率，因而它又是各种含氮耐蚀合金材料优良的添加剂。此外，氮化硅铁还在高温结构材料、高温电气材料、湿化器具材料等中得到应用。至今，氮化硅铁粉末的制备方法主要为硅铁粉和硅粉在氮气中高温长时间氮化。如日本山岸登等人发明的“氮化硅铁的制造方法”(昭58-151311)是在竖型氮化炉内，将金属硅粉和硅铁放在炉的上部，给炉中供给氮气，然后从炉体下部给它加热，最后在炉体下部得到氮化硅铁。炉温保持在800℃以上并保持。原料为粉状、粒状或它们的混合物中的一种。
日本加贺铁夫等人发明的“氮化硅铁及其制备方法”(平8-59216)，是以金属硅粉、硅铁粉为原料，在氮气气氛下，温度在1000～1400℃之间，升温速率高于10℃/小时，长时间下氮化生成氮化硅铁。
前两种工艺及其改进的方法能获得氮化硅铁粉，但共同缺点是生产过程需要消耗较多的能源。目前氮化硅铁的制备，主要是通过硅铁在氮气中长时间氮化得到的，因此这些生产方法能耗较高，而且产品中要得到高β相的氮化硅，必须长时间氮化，而且氮化温度很高，因此能耗很大。
自蔓延高温合成(SHS)法是60年代中期新开发的一种新制备方法，它具有工艺简单、能耗低、产品纯度高、投资少等优点。至今尚未有用SHS方法制备氮化硅铁粉末的报道。
本发明的目的在于利用自蔓延高温合成方法，改变其工艺参数，提供一种简便、快速、节能、高效的制备氮化硅铁粉末的方法。
首先，使用75硅铁来合成氮化硅铁，最大的困难在于如何控制产物中铁的含量在适当的范围内，75硅铁氮化反应不象钛、铝氮化等强放热反应，它属中等强度的放热反应，因此燃烧温度较低，燃烧反应时铁杂质挥发较少。为此必须在原料中添加硅粉。而铵盐，NH4Cl和NH4F，或两者的混合物的添加，使铁在合成反应时，生成铁的卤化物挥发掉，这样可有效地减少硅粉的添加量或不添加硅粉，从而可有效地降低生产成本。
其次，铵盐(NH4Cl和NH4F)或两者的混合物的添加，也可有效地降低氮化硅铁稀释剂和晶种的添加量，当不加铵盐添加剂时，硅铁与氮化硅铁的比例为10∶4，而加了铵盐添加剂后，硅铁与氮化硅铁的比例下降为10∶3，这样可增加最终产品的产量，提高效率。
第三，本发明采用的主要原料为硅铁粉、金属硅粉及氮化硅铁粉，颗粒度分别为0.5～40μm、0.3～30μm和0.3～40μm，较宽的粒度范围，可有效降低成本；第四，以3～15MPa高压氮气作为氮化源，为氮化提供充足的原料；第五，可以以铵盐(NH4Cl和NH4F)或两者的混合物为添加剂，也减少反应物中的其它杂质和促使燃烧产物结构疏松。
具体制备方法是将硅铁粉、氮化硅铁粉按一定比例(两者比例为1～10∶1～6)或硅铁粉、硅粉和氮化硅铁粉按一定比例(三者比例为1～10∶1～6∶1～6)混合后，与铵盐NH4Cl、NH4F或它们的混合物NH4Cl∶NH4F＝1∶1(重量比)添加剂混合，添加剂的加入量为硅铁粉和氮化硅铁粉末重量的1～10wt％(亦可以不用添加剂)。松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，然后在高压容器中经点火自蔓延高温合成，冷却后即可生成所需的氮化硅铁粉。
本发明提供的高压容器和一般SHS方法中提供的相仿，无需特殊要求，仅仅是反应物和添加剂在均匀混合后或反应物本身均匀混合后，以2.3～3.0kg/cm3松装密度安放在碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，它们的形状图分别如
图1-1、1-2所示。图中1为钨丝发热体，2为点火剂，3为反应物4为碳毡容器，图1-1为直立环状，图1-2为盘状容器。自蔓延高温合成后采用自然冷却。
很显然，本发明通过工艺改进，克服了上述二个专利存在的缺点，而且具有以下几个优点(1)能耗低，除启动燃烧合成反应外不需任何能量；(2)不需特殊设备；(3)产量大，效率高；(4)外加的添加剂既有利于减缓反应速度而又可有效地降低硅粉和氮化硅铁的使用量，使铁含量保持在一定范围内，同时也可减少整个反应体系中其它杂质的含量，。
下面通过实施方案进一步阐明发明实质进步和本发明的创新点。
实施方案1采用75硅铁粉(硅含量74.39wt％，铁含量24.27wt％，颗粒度范围为0.5～40μm)和氮化硅铁(硅含量52.59wt％，氮含量30.31wt％，铁含量11.80wt％，颗粒度范围为0.3～40.0μm)，按重量比为10∶4混合，均匀混合后，松装于外径φ60mm×内径φ55mm×高60mm的碳毡制的直立环状筒(图1-1所示)中，松装密度为2.70g/cm3，并置于高压容器中，抽真空后充入3～15MPa的高压氮气(纯度99.99％)，经点火后自蔓延燃烧，自然冷却后即得氮化硅铁粉末，经测定，制得氮化硅铁粉末的硅含量为51.08wt％，氮含量为30.16wt％，铁含量为13.70wt％，平均粒径为9.1μm。
实施方案2采用75硅铁粉、金属硅粉(硅含量97.47wt％，铁含量0.83wt％，氧含量0.085wt％，平均颗粒度0.92μm)和氮化硅铁粉，按重量比为10∶3∶3混合，均匀混合后，装于碳毡制的直立环状筒(图1-1)中，松装密度为2.52g/cm3，然后放入高压容器中进行自蔓延高温合成反应，氮气压力为3～15MPa。其余条件包括原料纯度和粒径均同实施方案1。
按本实施例制备的氮化硅铁粉末的性能列于表1。
实施方案3按75硅铁粉∶氮化硅铁粉＝10∶3(重量比)混合，再外加2wt％的NH4Cl的铵盐混合均匀后，装入碳毡制的盘状(200mm×400mm)容器(图1-2)中，厚度20～40mm，松装密度为2.67g/cm3，然后放入高压容器中进行自蔓延高温合成，氮气压力为3～15MPa，其余条件包括原料纯度和粒径均同实施方案1。
实施方案4采用75硅铁粉、氮化硅铁粉，按硅铁粉∶氮化硅铁＝10∶3(重量比)配料，外加2wt％固体添加剂(铵盐NH4F和NH4Cl的重量比为1∶1)，混合后松装密度为2.61g/cm3，装于碳毡制的盘状容器(图1-2)中，其它条件同实施方案1。制备的氮化硅铁粉末的主要性能也列于表1，其中平均粒径为8.2μm。
表1本发明制备的氮化硅铁粉的主要性能
权利要求
1.一种自蔓延高温合成制备氮化硅铁粉末的方法，包括配料、混合、氮化，其特征在于(1)按硅铁粉∶氮化硅铁粉＝1～10∶1～6比例配料或硅铁粉∶硅粉∶氮化硅铁粉＝1～10∶1～6∶1～6比例配料，以粉末形式松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，然后装入高压容器中进行自蔓延高温合成；(2)反应的高压氮气为3～15MPa；(3)自蔓延高温合成后采用自然冷却。
2.一种自蔓延高温合成制备氮化硅铁粉末的方法，包括添加剂使用、配料、混合、氮化，其特征在于(1)按硅铁粉∶硅粉＝1～10∶1～6比例配料或硅铁粉∶硅粉∶氮化硅铁粉＝1～10∶1～6∶1～6比例配料，然后与固体添加剂均匀混合后，以粉末形式松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，然后装入高压容器中进行自蔓延高温合成反应；(2)固体添加剂为NH4F、NH4Cl或它们的混合物，NH4F∶NH4Cl＝1∶1(重量比)，加入量为硅粉、硅铁和氮化硅铁重量的1～10wt％；(3)反应的高压氮气为3～15MPa；(4)自蔓延高温合成后采用自然冷却。
3.按权利要求1或2所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于所述的硅铁粉粒度粒径范围为0.5～40μm，氮化硅铁的粒径范围为0.3～40μm，硅粉的粒径范围为0.3～30μm。
4.按权利要求1或2所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于硅粉和氮化硅铁粉及固体添加剂的混合物松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，松装密度为2.3～3.0g/cm3。
5.按权利要求1所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于(1)硅铁粉∶硅粉＝10∶4(重量比)；(2)经混合后粉末松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，松装密度为2.70g/cm3；(3)反应的高压氮气压力为3～15MPa；(4)自蔓延高温合成后自然冷却。
6.按权利要求1所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于(1)硅铁粉∶硅粉∶氮化硅铁粉＝10∶3∶3(重量比)；(2)经混合后粉末松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，松装密度为2.52g/cm3；
7.按权利要求2所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于(1)硅铁粉∶硅粉＝10∶3(重量比)；(2)固体添加剂为铵盐NH4Cl，加入量为2wt％；(3)经混合后粉末松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，松装密度为2.67g/cm3；(4)反应的高压氮气压力为3～15MPa；(5)自蔓延高温合成后自然冷却。
8.按权利要求2所述的氮化硅铁粉末制备方法，其特征在于(1)硅铁粉∶氮化硅铁粉＝10∶3(重量比)；(2)固体添加剂为铵盐NH4Cl和NH4F，加入量为2wt％，其中NH4F∶NH4Cl＝1∶1(重量比)；(3)经混合后粉末松装于碳毡制的直立环状筒和盘状容器中，松装密度为2.61g/cm3；(4)反应的高压氮气压力为3～15MPa；(5)自蔓延高温合成后自然冷却。
全文摘要
一种自蔓延高温合成氮化硅铁粉末的制备方法,属于非氧化物超细粉末制备领域。本发明是由金属硅铁粉和氮化硅铁粉按1～10∶1～6的比例或硅铁粉、金属硅粉和氮化硅铁粉按1～10∶1～6∶1～6混合,加入添加剂并通以3～15MPa氮气。固体添加剂为铵盐(NH
文档编号C01B21/06GK1275526SQ0011680
公开日2000年12月6日 申请日期2000年6月27日 优先权日2000年6月27日
发明者江国健, 庄汉锐, 李文兰, 张宝林 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所