氮化矽鐵(Fe-Si3N4)是利用氮化技術在高溫下合成的一種新型氮化物系原料。20世紀70年代，日本就已成功研製出這種新的氮化矽系耐火原料——氮化矽鐵。它是把矽鐵合金粉在化氣氛中加熱到1200~1400℃進行氮化後的產物，其主要成分為75%~80%(w)的氮化矽，還含有游離鐵和未氮化的FeSi。自此，許多國家開始對氮化矽鐵這種材料進行了研究。
氮化矽鐵由於具有良好的高溫性能、抗侵蝕、耐磨性和燒結性，較高的熱導率，較小的熱膨脹係數等優點，除了在高爐炮泥中廣泛使用外，還在含碳耐火材料、高溫結構材料、鎂質澆注料等耐火材料中有廣闊的應用前景。本文中，就氮化矽鐵的性能、製備及在耐火材料中的應用等方面的研究進展進行了系統地介紹，為Fe-Si3N4的研究和應用提供一些參考。
1氮化矽鐵的性能
耐火材料用氮化矽鐵是一種灰白色(或茶褐色)的粉末，煉鋼用氮化矽鐵是灰白色粒狀物。氮化矽鐵是氮化矽和鐵的混合物，一般含有75%~80%(w)的Si3N4，12%~17%(w)的Fe，游離的Si不大於1%(w)。氮化矽鐵中的Si3N4有以和3兩種晶型，均為六方晶體，鐵元素以α-Fe或(和)鐵的矽化物形式存在。表1示出了國內外廠家生產的氮化矽鐵產品的典型性能對比。
表1國內外廠家生產的氮化矽鐵產品的性能
採用的合成方法不同，製備的氮化矽鐵物相組成、結構和性能有所不同。例如：採用閃速燃燒工藝合成的氮化矽鐵相組成為β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和少量SiO2，結構中存在大量長徑比較高的柱狀氮化矽晶體，FegSi位於柱狀結晶所包裹材料的內部，形成包裹體結構，且結構疏鬆，活性較強;而採用自蔓延高溫合成的氮化矽鐵由β-Si3N4、α-Si3N4、Fe3Si和Si2N2O組成，顯微結構為緻密的氮化矽塊體，在塊體表面覆蓋有氧氮化矽膜，塊體的間隙存在晶形細小的氮化矽晶體，含鐵組分鑲嵌在緻密的塊體中，且結構緻密，性質穩定。
Fe-Si3N4含有高溫氮化矽相而具有優異的高溫性能，還含有塑性Fe相，可促進燒結，提高Si3N4抗氧化性。Fe-Si3N4粉體在耐火材料中的應用大多是作為添加劑，一般使用的氮化矽鐵粉的粒度為≤0.074mm，少數要求氮化矽鐵粉的粒度為≤0.045mm。
2氮化矽鐵的製備方法
2.1直接氮化法
直接氮化法是將矽鐵粉和矽粉在氮氣中高溫長時間氮化來製備氮化矽鐵粉末。如文獻中發明的「氮化矽鐵的製造方法」就是以矽粉、矽鐵粉為原料，在氮氣氣氛下，溫度為1000~1400℃，升溫速率高於10℃·h-1，長時間氮化生成氮化矽鐵。直接氮化法溫度高，時間長。為了降低氮化溫度及縮短氮化時間，有採用機械化學法對原料進行處理;也有先將原料進行處理後，再進一步調整燒成制度。有研究表明：直接氮化過程中矽鐵粉的粒度對氮化效果影響很大，較細的矽鐵粉(d50=5.229μm)氮化時，反應速度快，反應劇烈，導致燒結嚴重，氮化效果差;而較粗的矽鐵粉(d50=13.41μm)氮化效果較好。
總的說來，直接氮化法製備Fe-Si3N4的優點是工藝簡單，所需設備少;缺點是氮化率低，氮化時間長，能耗高。此外，要得到高含量的β-Si3N4，必須長時間高溫氮化，使得能耗大增。
2.2自蔓延高溫合成法
中國科學院上海矽酸鹽研究所將矽鐵粉(0.5~40μm)和氮化矽鐵粉(0.3~40μm，稀釋劑)按質量比(1~10)：(1~6)或矽鐵粉、矽粉(0.3~30μm)和氮化矽鐵粉按質量比(~10)(~6)(1~6)混合，加入添加劑並通3~15MPa氮氣，在高壓容器中經自蔓延高溫合成製得氮化矽鐵粉末。該方法合成的氮化矽鐵中主要為Si3N4相，主晶相為β相，佔72%~80%(w)，鐵含量為11%~14%(w)，顏色為灰白色。添加一定量的稀釋劑、固體添加劑，可以將矽鐵合金的氮化率提高至100%。
該方法需要的隊壓力大，需要在高壓容器中進行。為了降低壓力，文獻中採用機械活化法減小粉體粒度，細化晶粒，提高反應活性，同時加入價格便宜的反應助劑，可將氮氣壓力降至0.01~1MPa。
相對於直接氮化法，該方法具有能耗低，除啟動燃燒合成反應需要消耗能量外，不需任何能量;效率高;不需要預先壓塊，反應是在碳氈制的直立環狀筒和盤狀容器中進行，外加的添加劑既有利於減緩反應速度，又可減少整個反應體系的雜質含量，提高矽鐵轉化率，還能促使燃燒產物結構疏鬆。但是其缺點是：需要的%壓力大，需要在高壓容器中進行;操作工藝嚴格，一旦點燃燃燒，氮化反應難於控制。
2.3閃速燃燒合成法
祝少軍等以粒度≤0.088mm的矽鐵細粉為原料，在0.2MPa的氮氣壓力與1400℃的溫度條件下，利用閃速燃燒合成法製備出了細蜂窩狀的氮化矽鐵。該方法通過調節原料與稀釋劑的配比、加料速度以及氮氣的壓力、流量與流速，把閃速燃燒合成溫度控制在1400℃左右，氮氣壓力控制在0.2MPa。該方法合成的氮化矽鐵主晶相是β-Si3N4相，為短柱狀晶體，並有α-Si3N4、SiO2、Fe3Si和少量的Al0.5FeSi0.5相存在。矽鐵原料對合成後的氮化矽鐵中鐵粒的大小及分布影響很大，要獲得鐵粒微細化、均勻分散的氮化矽鐵，就必須使用較細、均勻的矽鐵原料。
該方法的優點是可以在常壓下快速、連續和低成本、大批量地製備出高品質的氮化矽鐵，而且合成出的Fe-Si3N4中沒有游離Si。
2.4微波合成法
長沙隆泰科技有限公司將粒度小於0.5mm矽鐵粉置於微波合成反應腔體內，添加含銨添加劑，均勻混合後，在氮氣氣氛中進行微波合成(微波頻率為0.3~300GHz，壓力為0.1~0.12MPa，合成溫度為800~1800℃，合成時間為0.5~3h)，所得合成物冷卻即為氮化矽鐵。該方法可以在較低的溫度、較短的時間內，在較低的氮氣壓力下合成氮化矽鐵。同時，該發明通過改進工藝，克服了常規方法需要添加較多稀釋劑和晶種的問題，提高了合成效率。該方法比較適合實驗室用小批量氮化矽鐵的合成。
2.5碳熱還原氮化法
中國地質大學的研究人員以鐵精礦粉、石英粉和焦炭粉等為主要原料(其粒度均小於0.3mm)，外加常溫結合劑，按一定比例混合，在合適的溫度制度下進行碳熱還原氮化燒結，冷卻後將產物破碎和磨細，得到可應用於各種炮泥耐火材料的高性能Fe-Si3N4耐火原料。文獻中還發現，該方法的最佳工藝條件是焦炭過量50%(w)，在1450℃保溫3h燒成，在此條件下製備的Fe-Si3N4復相材料主要物相為β-Si3N4、β-SiC和Fe3Si。如果燒成溫度高於1550℃，產物物相轉變為β-SiC和Fe3Si;焦炭加入量過多，生成的β-Si3N4反而減少;焦炭加入量低於50%(w)，會造成還原氣氛不足而導致原料中的石英粉並未完全被氮化，而是生成了Si2N2O。另外，石英粉粒度越小，越有利於碳熱還原氮化產物中氮化矽的形成。
本方法中所採用的主要原料為成本較為低廉的石英粉、鐵礦粉和焦炭粉，且製備期間能量消耗少;但是由於使用的原料純度低，合成產物雜質多，該方法合成的Fe-Si3N4粉體只適用於炮泥耐火材料，在其他方面的應用還有待研究。