Kväve i förkolningsmedel har en betydande inverkan på egenskaperna hos grått gjutjärn. Detta inflytande är ett dubbel-svärd och kräver exakt kontroll.
Generellt sett är kväve ett stärkande element i grått gjutjärn, men för stora mängder kan leda till defekter. Dess påverkansmekanism och manifestationer är följande:
I. Positiva effekter av kväve (Rekommenderat intervall: 70-120 ppm)
1. Främjar perlitbildning, förbättrar styrka och hårdhet:
• Kväve stabiliserar austenit, sänker perlitomvandlingstemperaturen och ökar andelen perlit i den -gjutna strukturen, vilket förfinar det interlamellära avståndet.
• Detta leder direkt till förbättrad draghållfasthet, hårdhet och slitstyrka hos grått gjutjärn. Typiskt, för varje 10 ppm ökning av kväve, kan draghållfastheten öka med cirka 5-10 MPa.
2. Förfinar grafit:
• Kväve hämmar något grafittillväxt, vilket resulterar i finare och mer jämnt fördelade grafitflingor. Fin A-grafit är fördelaktigt för att förbättra mekaniska egenskaper.
3. Reduktion av ferrit: Kväve löst i ferrit förvränger dess kristallgitter, ökar hårdheten men minskar plasticiteten. Därför tenderar kväve att minska ferrithalten i den -gjutna mikrostrukturen, vilket främjar en perlitmatris.
4. Interaktion med titan - "Kvävefixering":
• Grått gjutjärn innehåller ofta spår av titan (Ti). Titan har en stark affinitet för kväve, och bildar företrädesvis mycket fina TiN-partiklar med hög-smältpunkt-.
• Dessa TiN-partiklar kan fungera som kärnor för grafitbildning, vilket ökar grafitens kärnbildningshastighet och ytterligare förfinar grafitmikrostrukturen, vilket är fördelaktigt för prestanda.
• Överskott av kväve finns bara som fritt kväve när titan är helt "förbrukat".
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm, eller i obalans med aluminium/titan)
1. Inducering av "Kväve-inducerad porositet/sprickor":
• Detta är den mest betydande och farligaste defekten. 1. **Kvävelösligheten sjunker kraftigt i de senare stadierna av järnets stelning (lösligheten i fast järn är mycket lägre än i flytande järn):** Övermättat kväve fälls ut och bildar bubblor.
• Dessa bubblor förekommer ofta vid eutektiska gränser och visar sig som subkutana porer eller inre sprickor-liknande porer, vilket kraftigt minskar gjutstyckets densitet och styrka och kan orsaka läckage under trycktestning.
2. **Ökad sprödhet och minskad bearbetbarhet:**
• För mycket fritt kväve löst i ferrit förvärrar kraftigt gallerförvrängning, vilket leder till materialförsprödning och minskad slagseghet.
• För hög hårdhet och sprödhet i gjutgodset försvårar bearbetning, påskyndar verktygsslitage och försämrar kvaliteten på bearbetade ytor.
3. **Risk för "fissurgrafitbildning":**
• I hypereutektiskt gråjärn med hög kolekvivalent (högt CE-värde) är överskott av kväve en av huvudorsakerna till D-typ/Widmanstätten-grafit eller ännu allvarligare frakturgrafit.
• Denna grafitmorfologi bryter allvarligt matrisen, vilket leder till en kraftig försämring av styrka, värmeledningsförmåga och bearbetbarhet.
III. Styrstrategier och rekommendationer i produktionen
1. Föredrar låg-NOx-förkolningsmedel: För kritiska komponenter och tunna-väggiga, hög-delar (som bilmotorblock och cylinderhuvuden) måste grafitiserade låg-NOx-förkolningsmedel användas för att kontrollera kvävetillförseln vid källan.
2. Övervakning och balansering:
• Testa regelbundet kvävehalten i smält järn (vanligtvis med en termisk konduktivitetsanalysator).
• Analysera samtidigt innehållet av titan (Ti) och aluminium (Al). Aluminium fixerar även kväve (bildar AlN), men det är mindre stabilt än TiN. Att förstå Ti/N-förhållandet är viktigt för att säkerställa tillräckligt med titan för att fixera kväve (idealiskt kombinerat kväve).
3. Kontroll av stålskrot Råmaterial: Undvik att använda stålskrot från okända källor som kan innehålla höga halter av kväve.
4. Processkontroll: Undvik överdriven omrörning och långvarig hållning av smält järn vid höga temperaturer för att minska kväveabsorptionen.
5. Målområde: För vanligt grått gjutjärn är det säkert och fördelaktigt att kontrollera kvävehalten till 80-120 ppm. För högpresterande grått gjutjärn (som GJL-300 och högre) bör kvävehalten kontrolleras nära den övre gränsen för detta intervall för att utnyttja dess stärkande effekt. Undvik absolut att överskrida 150 ppm.
Slutsats: I moderna skrotbaserade-smältningsprocesser bestämmer valet av återförkolningsmedel direkt kvävehalten i det smälta järnet. Att aktivt hantera kväve som ett "legeringselement" genom användning av råvaror med låg-kvävehalt, övervakning av sammansättningen och bibehållande av en rimlig Ti/N-balans är väsentligt för att till fullo inse dess stärkande effekt, eliminera defekter orsakade av kväve och konsekvent producera gråa gjutjärnsdelar av hög-kvalitet.
