Effekter av nitrogen i ferrosilisiumnitrid på smeltet stålkvalitet

Hva ferrosilisiumnitrid bidrar til et smeltet stålbad

Ferrosilisiumnitrid er en nitrid-holdig ferrolegering som brukes som et tilsetningsstoff i stålproduksjon, spesielt for spesialstål som senere blir smidd. Den bærer nitrogen i en form som lett løses opp i flytende stål, og fordi silisiuminnholdet også er brukbart, tilfører en ladning to legeringselementer samtidig. Tilsatt i øsen eller ovnen øker det nitrogennivået i badet samtidig som det bidrar til deoksidering, og det er derfor det ofte foretrekkes fremfor andre nitrogenbærere når både nitrogen og silisium ønskes.

Fordelaktige effekter av nitrogen i stål

Nitrogen oppløst i stål er ikke automatisk skadelig. I kontrollerte mengder styrker den ferritt ved fast-løsningsherding, foredler korn gjennom nitridutfelling og øker hardheten og slitestyrken. I austenittiske kvaliteter stabiliserer nitrogen austenitt og lar deler av nikkelen erstattes samtidig som motstanden mot lokal korrosjon forbedres og flytegrensen økes uten stort tap av duktilitet. I ferritiske spesialstål kan en liten, bevisst kontrollert nitrogentilsetning forbedre styrke og herdbarhet.

Skadelige effekter: Aldring, blå sprøhet og tap av seighet

Vanskeligheten med nitrogen er timing. Nitrogen som holdes tilbake i overmettet fast løsning etter avkjøling utfelles sakte som jernnitrid, og denne nedbøren forvrenger metallgitteret og genererer indre spenninger. De synlige konsekvensene er belastningsaldring, gradvis tap av duktilitet over tid og forringelse av slagfastheten. Nitrogen-indusert sprøhet i lav-karbonstål ligner det som er forårsaket av fosfor, men anses generelt som mer skadelig, fordi det utvikler seg med aldring, mens fosforsprøhet er en lav-temperatureffekt uten en aldringskomponent. Når fosfor allerede er høyt, forverres skaden som kan tilskrives nitrogen.

Blå sprøhet er det klassiske symptomet. Når stål med høyt nitrogeninnhold varmes opp til omtrent 250-450 C, får overflaten en blåfarge, strekkfastheten øker og slagfastheten synker. Fordi dette temperaturbåndet overlapper med sveiseforvarming og med driftsbetingelsene til enkelte komponenter, er nitrogenkontroll et spørsmål om-sveiskvalitet så vel som et mekanisk-egenskapsspørsmål. Når nitrogeninnholdet øker, blir sveisbarheten generelt dårligere gjennom porøsitet og en hardere, mer sprekkfølsom- varmepåvirket sone.

Hvordan aluminium endrer nitrogenbalansen

Aluminium er standard korrigerende element. Tilsetning av en passende mengde aluminium til badekaret danner stabilt aluminiumnitrid, som er langt mindre løselig enn jernnitrid og derfor binder opp nitrogen i en ufarlig, fint dispergert form. Effektene er todelt: nitrogenet som er tilgjengelig for å danne jernnitrid og forårsake aldring reduseres, og aluminiumnitridpartiklene fester austenittkorngrenser og begrenser kornvekst under påfølgende varmbearbeiding. Dette er den samme mekanismen som gjør aluminium-nitrogenpraksis nyttig for kornforedling i spesial-stålsmiing.

Doseringsvinduet er smalt. For lite aluminium etterlater nitrogenfritt for å forårsake aldring; for mye etterlater grove aluminiumoksydinneslutninger som reduserer renslighet, påvirker tretthetsytelsen og kan tette støpedyser. Nitrogen- og aluminiumspesifikasjoner er derfor alltid satt sammen i stedet for uavhengig.

Typisk komposisjon og tilleggspraksis

Fyll inn i øsen under tapping, eller inn i ovnen etter deoksidering, når oppløst oksygen allerede er redusert.

Beregn tilsetningen fra målnitrogeninnholdet og analysen av partiet, og kontroller deretter med en badprøve.

Forvent lavere gjenvinning fra fint pulver eksponert for luft og høyere gjenvinning fra tette granuler tilsatt i dybden.

Sjekk nitrogen og aluminium sammen etter tilsetningen for å bekrefte at fritt nitrogen har blitt fanget.

Fordi oppløsning er tidsavhengig, kan en tilsetning gjort for sent i tappingen delvis forbli i slagget eller som uoppløste partikler, noe som gir et nitrogenresultat under målet selv om varmen ble ladet som om legeringen var helt oppløst. Prøvetaking etter kort oppbevaringsperiode gir et langt mer pålitelig tall enn prøvetaking ved tilsetning.

FAQ

Spørsmål: Er nitrogen i stål alltid skadelig?
Nei. Innenfor kontrollerte grenser styrker nitrogen matrisen og forfiner kornstrukturen; skade oppstår hovedsakelig når overskudd av nitrogen forblir i fast løsning og utfelles sakte som jernnitrid.

Spørsmål: Hva forårsaker blå sprøhet?
Oppvarming av høy-nitrogenstål til ca. 250–450 C. I dette området øker styrken mens slagfastheten faller, og overflaten viser en blå temperert farge.

Spørsmål: Hvorfor er nitrogenskade sammenlignet med fosfor?
Begge sprøtt-karbonstål. Nitrogen anses som mer skadelig i denne sammenhengen fordi effektene av det utvikler seg over tid gjennom aldring, mens fosfor forårsaker lav-temperatursprøhet uten en aldringskomponent.

Spørsmål: Hvordan forhindrer aluminium aldring?
Det danner stabilt aluminiumnitrid, som fjerner nitrogen fra fast løsning og forhindrer langsom utfelling av jernnitrid. Partiklene begrenser også austenittkornveksten.

Spørsmål: Kan for mye aluminium tilsettes?
Ja. Overflødig aluminium danner grove aluminiumoksydinneslutninger som reduserer renslighet og kan tette til dyser, så aluminium og nitrogen er spesifisert sammen.

Spørsmål: Hvordan kontrolleres utvinningen av nitrogentilsetningen?
Hovedsakelig etter partikkelstørrelse, tilsetningsdybde og timing. Grove granulat tilsatt dypt i badekaret under tapping gir den mest konsekvente utvinningen.