高氮钢的制造工艺

TOT一笑而过

　　通常情况下,氮被认为是钢中的有害杂质之一。虽然常压下氮在液态钢中的溶解度很低,但这些少量的氮却能导致钢材产生时效脆化,于是开发了各种减少液态钢中氮的二次精炼技术,并还在不断地改进。然而,在高氮钢中氮作为合金元素可以和钢中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用,而赋予该钢种许多优异性能。例如,提高奥氏体的稳定性,使钢的力学性能大大提高,改善钢的耐腐蚀性等等。把铁素体基体中含有0.08%(质量分数)以上的氮或在奥氏体基体中含0.4%(质量分数)以上的氮的钢称为高氮钢。
　　当前发展高氮钢的主要问题是发展相应的工艺和设备,以保证金属在凝固时整个体积范围内达到一个高且均匀的氮浓度。高氮钢不像其他钢种那样容易冶炼,为了加入足够量的氮,钢的合金成分或冶炼工艺或两者都必须加以调整以使氮的溶解度足够高。
　　氮的溶解度取决于压力、温度和合金成分,这在文献中有较详细的讨论,因此为了加入足够量的氮,通常希望钢中含有尽可能高的铬和锰且在高氮压力下熔炼。目前高氮钢的生产有以下一些方法。
　　1固体含氮合金添加法
　　该法向熔池添加含氮铁合金,如含氮的Mn-Fe,Cr-Fe,V-Fe,氮化物Si3N4或氰化物Ca(CN)2等,以达到氮合金化的目的,其最高含氮量可达到0.5%~0.6%。但是由于该法引入了含氮铁合金,一是提高了材料的成本,二是降低了钢液的纯净度,而且,氮的浓度起伏加剧,易在高氮区形成氮气泡。
　　2.增压感应炉中大量氮合金化
　　钢在增压感应炉中进行大量氮合金化是通过气相产生作用的。在熔融金属和气体之间的界面通过N2反应产生吸氮,金属的吸氮量取决于熔体与氮气的接触时间和接触面积。但由于在操作和处理大量过饱和氮的钢液时,存在着安全等方面的问题,故使得大规模生产的增压感应炉未能获得进一步发展。
　　3.增压等离子炉中大量氮合金化
　　其原理也是通过气相实现的,差别在于氮在等离子弧中分离成原子的形式供给液体金属。液态金属的吸氮量取决于氮气的分压、熔炼速率以及等离子弧的条件等。在等离子弧作用下,达到氮饱和浓度仅需3min,时间明显比电阻炉、感应炉所需的时间短,吸氮速率大,而且溶液中金属杂质含量低,能减少挥发性元素(如Mn和Cr)的损失,不用加入含氮合金就能得到较高的氮浓度。重熔钢锭中的平均氮含量约可达0.6%,相当于Sievert公式的平衡值。然而,等离子的条件很难控制,因而对氮含量也就难于精确控制,并且由于熔炼过程中熔池温度的波动,无论从横向或纵向上来看,钢锭中氮的浓度极不均匀。