Nitrogen i karbureringsmidler har en betydelig innvirkning på egenskapene til grått støpejern. Denne påvirkningen er et tveegget sverd og krever presis kontroll.
Generelt sett er nitrogen et forsterkende element i grått støpejern, men for store mengder kan føre til feil. Dens påvirkningsmekanisme og manifestasjoner er som følger:
I. Positive effekter av nitrogen (Anbefalt område: 70-120 ppm)
1. Fremmer perlittdannelse, forbedrer styrke og hardhet:
• Nitrogen stabiliserer austenitt, senker perlitttransformasjonstemperaturen og øker andelen perlitt i den -støpte strukturen, noe som forfiner den interlamellære avstanden.
• Dette fører direkte til forbedret strekkfasthet, hardhet og slitestyrke for grått støpejern. Vanligvis, for hver 10 ppm økning i nitrogen, kan strekkstyrken øke med omtrent 5-10 MPa.
2. Foredler grafitt:
• Nitrogen hemmer grafittveksten litt, noe som resulterer i finere og mer jevnt fordelte grafittflak. Fin A-grafitt er gunstig for å forbedre mekaniske egenskaper.
3. Reduksjon av ferritt: Nitrogen oppløst i ferritt forvrenger krystallgitteret, øker hardheten, men reduserer plastisiteten. Derfor har nitrogen en tendens til å redusere ferrittinnholdet i den -støpte mikrostrukturen, og fremmer en perlittmatrise.
4. Interaksjon med titan - "nitrogenfiksering":
• Grått støpejern inneholder ofte spormengder av titan (Ti). Titan har en sterk affinitet for nitrogen, og danner fortrinnsvis svært fine TiN-partikler med høyt-smeltepunkt-.
• Disse TiN-partiklene kan fungere som kjerner for grafittdannelse, øke grafittkjernedannelseshastigheten og ytterligere raffinere grafittmikrostrukturen, noe som er gunstig for ytelsen.
• Overskudd av nitrogen eksisterer kun som fritt nitrogen når titan er fullstendig "forbrukt".
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm, eller når i ubalanse med aluminium/titan)
1. Indusering av "nitrogen-indusert porøsitet/sprekker":
• Dette er den mest betydningsfulle og farligste feilen. 1. **Nitrogenløseligheten synker kraftig i de senere stadiene av jernstørkningen (løseligheten i fast jern er mye lavere enn i flytende jern):** Overmettet nitrogen feller ut og danner bobler.
• Disse boblene eksisterer ofte ved eutektiske grenser, og manifesterer seg som subkutane porer eller indre sprekker-lignende porer, noe som reduserer tettheten og styrken til støpestykket kraftig og potensielt forårsaker lekkasje under trykktesting.
2. **Økt sprøhet og redusert bearbeidbarhet:**
• For mye fritt nitrogen oppløst i ferritt forverrer gitterforvrengning alvorlig, noe som fører til skjørhet og redusert slagfasthet.
• For høy hardhet og sprøhet i støpingen gjør bearbeiding vanskelig, akselererer verktøyslitasje og forringer kvaliteten på bearbeidede overflater.
3. **Risiko for "fissurgrafittdannelse":**
• I hypereutektisk gråjern med høy karbonekvivalent (høy CE-verdi) er for mye nitrogen en av hovedårsakene til D-type/Widmanstätten-grafitt eller enda mer alvorlig frakturgrafitt.
• Denne grafittmorfologien bryter matrisen alvorlig, noe som fører til en kraftig forringelse av styrke, termisk ledningsevne og bearbeidbarhet.
III. Kontrollstrategier og anbefalinger i produksjon
1. Foretrekk lav-NOx-oppgassingsmidler: For kritiske komponenter og tynne-vegger, høy-deler (som bilmotorblokker og sylinderhoder), må lav-NOx-grafitiserte karbureringsmidler brukes for å kontrollere nitrogentilførselen ved kilden.
2. Overvåking og balansering:
• Test regelmessig nitrogeninnholdet i smeltet jern (vanligvis ved hjelp av en termisk konduktivitetsanalysator).
• Analyser samtidig innholdet av titan (Ti) og aluminium (Al). Aluminium fikserer også nitrogen (danner AlN), men det er mindre stabilt enn TiN. Å forstå Ti/N-forholdet er viktig for å sikre tilstrekkelig titan til å fikse nitrogen (ideelt kombinert nitrogen).
3. Kontroll skrapstålråmaterialer: Unngå bruk av skrapstål fra ukjente kilder som kan inneholde høye nivåer av nitrogen.
4. Prosesskontroll: Unngå overdreven omrøring og langvarig oppbevaring av smeltet jern ved høye temperaturer for å redusere nitrogenabsorpsjonen.
5. Målområde: For vanlig grått støpejern er det trygt og fordelaktig å kontrollere nitrogeninnholdet til 80-120 ppm. For høyytelses grått støpejern (som GJL-300 og høyere), bør nitrogeninnholdet kontrolleres nær den øvre grensen for dette området for å utnytte dets styrkende effekt. Unngå absolutt å overskride 150 ppm.
Konklusjon: I moderne skrap-baserte smelteprosesser, bestemmer valget av rekarboniseringsmidler direkte nitrogeninnholdet i det smeltede jernet. Aktiv håndtering av nitrogen som et sentralt "legeringselement", gjennom bruk av råmaterialer med lavt-nitrogennivå, overvåking av sammensetningen og opprettholdelse av en rimelig Ti/N-balanse, er avgjørende for å fullt ut realisere dens styrkende effekt, eliminere defekter forårsaket av nitrogen og konsekvent produsere grå støpejernsdeler av høy-kvalitet.
