Effekter av kväve i ferrokiselnitrid på smält stålkvalitet

Vad ferrokiselnitrid bidrar till ett smält stålbad

Ferrokiselnitrid är en nitrid-haltig ferrolegering som används som tillsats vid ståltillverkning, särskilt för specialstål som sedan smids. Den bär kväve i en form som lätt löser sig i flytande stål, och eftersom dess kiselhalt också är användbar tillför en laddning två legeringselement samtidigt. Tillsatt i skänken eller ugnen höjer det kvävenivån i badet samtidigt som det bidrar till deoxidation, varför det ofta föredras framför andra kvävebärare när både kväve och kisel önskas.

Fördelaktiga effekter av kväve i stål

Kväve löst i stål är inte automatiskt skadligt. I kontrollerade mängder stärker den ferrit genom fast-lösningshärdning, förfinar korn genom nitridfällning och ökar hårdheten och slitstyrkan. I austenitiska kvaliteter stabiliserar kväve austenit och tillåter en del av nickelet att ersättas samtidigt som det förbättrar motståndet mot lokal korrosion och höjer sträckgränsen utan en stor förlust av duktilitet. I ferritiska specialstål kan en liten, avsiktligt kontrollerad kvävetillsats förbättra styrkan och härdbarheten.

Skadliga effekter: Åldrande, blå sprödhet och förlust av seghet

Svårigheten med kväve är timing. Kväve som kvarhålls i övermättad fast lösning efter kylning fälls långsamt ut som järnnitrid, och den utfällningen förvränger metallgittret och genererar inre spänningar. De synliga konsekvenserna är åldrande påfrestningar, en gradvis förlust av duktilitet med tiden och försämring av slagsegheten. Kväve-inducerad sprödhet i låg-kolstål liknar det som orsakas av fosfor men anses allmänt vara mer skadligt, eftersom det fortskrider med åldrandet medan fosforförsprödning är en låg-temperatureffekt utan en åldrande komponent. När fosfor redan är hög förvärras skadorna som kan hänföras till kväve.

Blå sprödhet är det klassiska symptomet. När stål med hög kvävehalt värms upp till cirka 250-450 C, får ytan en blå härdfärg, draghållfastheten ökar och slaghållfastheten sjunker. Eftersom det temperaturbandet överlappar med svetsförvärmning och med driftsförhållandena för vissa komponenter, är kvävekontroll en fråga om svetskvalitet-likväl som en mekanisk-egenskapsfråga. När kvävehalten ökar försämras svetsbarheten i allmänhet genom porositet och en hårdare, mer sprickkänslig- värmepåverkad zon.

Hur aluminium förändrar kvävebalansen

Aluminium är standard korrigerande element. Genom att tillsätta en lämplig mängd aluminium till badet bildas stabil aluminiumnitrid, som är mycket mindre löslig än järnnitrid och därför binder upp kväve i en ofarlig, fint dispergerad form. Effekterna är tvåfaldiga: det kväve som är tillgängligt för att bilda järnnitrid och orsaka åldrande reduceras, och aluminiumnitridpartiklarna fäster austenitkorngränser och begränsar korntillväxten under efterföljande varmbearbetning. Detta är samma mekanism som gör aluminium-kväve användbar för kornförfining i special-stålsmide.

Doseringsfönstret är smalt. För lite aluminium lämnar kvävefritt för att orsaka åldrande; för mycket lämnar grova aluminiumoxidinneslutningar som minskar renheten, påverkar utmattningsprestandan och kan täppa till gjutmunstycken. Kväve- och aluminiumspecifikationer sätts därför alltid ihop snarare än var för sig.

Typisk kompositions- och tilläggsövning

Ladda in i skänken under tappning, eller i ugnen efter deoxidation, när löst syre redan har reducerats.

Beräkna tillsatsen från målkvävehalten och analysen av partiet och verifiera sedan med ett badprov.

Räkna med lägre återvinning från fint pulver exponerat för luft och högre återvinning från täta granulat som tillsätts på djupet.

Kontrollera kväve och aluminium tillsammans efter tillsatsen för att bekräfta att fritt kväve har fångats.

Eftersom upplösning är tidsberoende kan en tillsats som gjorts för sent i tappningen delvis stanna kvar i slaggen eller som olösta partiklar, vilket ger ett kväveresultat under målet trots att värmen laddades som om legeringen hade lösts upp helt. Provtagning efter kort hålltid ger en mycket mer tillförlitlig siffra än provtagning vid tillsatstillfället.

FAQ

F: Är kväve i stål alltid skadligt?
Nej. Inom kontrollerade gränser stärker kväve matrisen och förfinar kornstrukturen; skador uppstår främst när överskott av kväve finns kvar i fast lösning och sakta utfälls som järnnitrid.

F: Vad orsakar blå sprödhet?
Uppvärmning av hög-kvävestål till cirka 250-450 C. I det intervallet ökar hållfastheten medan slagsegheten minskar och ytan visar en blå tempererad färg.

F: Varför är kväveskador jämfört med fosfor?
Båda är spröda-kolstål. Kväve anses vara mer skadligt i detta sammanhang eftersom dess effekter fortskrider med tiden genom åldrandet, medan fosfor orsakar sprödhet vid låga-temperaturer utan en åldrande komponent.

F: Hur förhindrar aluminium åldrande?
Det bildar stabil aluminiumnitrid, som tar bort kväve från fast lösning och förhindrar långsam utfällning av järnnitrid. Partiklarna begränsar också austenitkorntillväxt.

F: Kan för mycket aluminium tillsättas?
Ja. Överskott av aluminium bildar grova aluminiumoxidinneslutningar som minskar renheten och kan täppa till munstycken, så aluminium och kväve specificeras tillsammans.

F: Hur kontrolleras återvinningen av kvävetillsatsen?
Främst genom partikelstorlek, tillsatsdjup och timing. Grova granulat som tillsätts djupt i badet under tappningen ger den mest konsekventa återhämtningen.