Co je nitrid ferosilicia
Nitrid ferosilicia je feroslitina založená převážně na nitridu křemíku (Si3N4), spolu s volným železem, -nitridovaným křemíkem a malým množstvím dalších složek. Používá se jako přísada obsahující dusík při výrobě oceli a při výrobě žáruvzdorných materiálů. Žáruvzdorné třídy se dodávají jako bělavý nebo hnědý prášek, zatímco třídy pro výrobu oceli jsou obvykle bělavý zrnitý materiál, protože přísada se musí rozpouštět v tavenině spíše než vytvářet žáruvzdornou strukturu.
Materiál je v tavírně atraktivní, protože působí třemi způsoby najednou: vnáší dusík, deoxiduje a produkty jeho rozkladu pomáhají odstraňovat kyslík z roztavené oceli. Dusík, který dodává, je součástí, která řídí pevnost, chování při stárnutí a svařitelnost hotového výrobku.
Jak dusík vstupuje do roztavené oceli
Když se granulovaný nitrid ferosilicia ponoří do taveniny, nitrid se rozloží a uvolní dusík, který se rozpouští v tekuté oceli. Křemík a železo přecházejí do oceli nebo do strusky a dusík, který zůstává v roztoku, je k dispozici pro tvorbu nitridů během tuhnutí a chlazení. Protože rozpustnost dusíku prudce klesá, jak ocel tuhne, dusík, který není fixován silným nitridovým formovačem, může zůstat v intersticiálním roztoku a pohybovat se později, což je kořenem níže popsaných problémů stárnutí.
Praxe přidávání je proto důležitá stejně jako analýza doplňkové látky. Granulovaný materiál s kontrolovanou velikostí frakce se rozpouští rychleji a poskytuje opakovatelnější regeneraci dusíku než hrubý nebo silně segregovaný produkt a deoxidovaná tavenina zadržuje dusík účinněji než ta, která se stále vaří s kyslíkem.
Formy produktu a velikost zrna
Nitrid ferosilicia se třídí především podle průměru zrna, protože velikostní frakce rozhoduje o tom, jak rychle se přísada rozpustí v pánvi nebo ve formě. Typická granulární specifikace je uvedena níže; sloupec procent uvádí podíl produktu, který musí spadat do uvedeného velikostního pásma.
| Forma produktu | Průměr zrna | Překročení uvedeného rozsahu |
|---|---|---|
| Jemné zrno | 3~5 mm | nad 90 % |
| Obyčejné obilí | 3~10 mm | nad 90 % |
| Hrubé zrno | 10~50 mm | nad 90 % |
Prášek a jemné granulované formy jsou preferovány tam, kde musí být dusík distribuován rychle a rovnoměrně, například v dusíkaté výztuži a v orientované křemíkové oceli, zatímco hrubší granule vyhovují větším teplotám a hlubšímu ponoření.
Příznivé účinky dusíku na roztavenou ocel
Dusík není jen nečistota. V kontrolovaných množstvích jde o záměrné legování s několika užitečnými účinky.
Dusík se kombinuje s hliníkem, vanadem, niobem a titanem za vzniku jemných nitridů a karbonitridů, které spojují hranice zrn a zušlechťují jak litou, tak válcovanou strukturu.
U armovací tyče, jako je HRB400, zvyšuje srážení za pomoci dusíku mez kluzu, takže stejné úrovně pevnosti lze dosáhnout s menším množstvím uhlíku a přídavku mikroslitiny.
V orientované křemíkové oceli se dusík podílí na systému inhibitorů, které řídí růst zrn během zpracování, což podporuje magnetické vlastnosti konečného plechu.
Dusík zvyšuje odolnost proti měknutí při zvýšené teplotě u některých druhů oceli, protože vytvořené nitridy jsou stabilní při teplotách, kdy by karbidy zhrubly.
Nitrid ferosilicia také deoxiduje taveninu, takže spolu s dusíkem, který dodává, přispívá k čistší oceli.
Škodlivé účinky dusíku a jak jsou kontrolovány
Nad úrovní, kterou může ocel fixovat jako stabilní nitridy, se dusík mění z užitečného legujícího prvku ve zdroj defektů.
Stárnutí: dusík ponechaný v intersticiálním roztoku se pomalu sráží jako nitrid železa. Precipitáty deformují kovovou mřížku a vytvářejí vnitřní pnutí, takže ocel časem zkřehne a její rázová houževnatost a plasticita klesnou. Dusík zvyšuje náchylnost ke stárnutí tohoto kmene; nezlepšuje odolnost vůči němu a vysoký obsah fosforu účinek zhoršuje.
Modrá křehkost: když je ocel s vysokým obsahem dusíku zahřátá na 250 až 450 stupňů, její povrch zmodrá, zatímco pevnost stoupá a rázová houževnatost klesá. Tato ztráta tažnosti v oblasti modrého žáru musí být zohledněna vždy, když je součást tvářena nebo rovnána za tepla.
Svařitelnost: s rostoucím obsahem dusíku se výkon svařování zhoršuje. Poréznost, kalení v tepelně ovlivněné zóně a ztráta houževnatosti jsou obvyklé důsledky, takže oceli obsahující dusík potřebují svařovací postup přizpůsobený jejich chemii.
Oprava intersticiálního problému: přidání kontrolovaného množství hliníku do oceli tvoří stabilní AlN, který omezuje tvorbu a srážení Fe4N. To zlepšuje výkon při stárnutí a současně částice AlN omezují růst austenitových zrn.
Praktickým pravidlem je, že dusík by měl být specifikován, nikoli pouze akceptován. Cílový rozsah dusíku, přizpůsobený přídavek nitridové formovací látky a řízená hladina hliníku společně přeměňují dusík ze zdroje defektu na zpevňující nástroj.
Často kladené otázky
Otázka: K čemu se používá nitrid ferosilicia při výrobě oceli?
Používá se k přidávání dusíku do roztavené oceli, k deoxidaci taveniny a k podpoře precipitačního zpevnění a zjemnění zrn v ocelích obsahujících dusík, jako je armovací tyč a orientovaná křemíková ocel.
Otázka: Co znamená označení FeSi3N4?
Odráží hlavní složku slitiny, nitrid křemíku (Si3N4), který dodává dusík. Komerční materiál také obsahuje volné železo, ne-nitridovaný křemík a minoritní složky, takže obsah dusíku v produktu je uváděn odděleně od analýzy čistého nitridu křemíku.
Otázka: Co způsobuje stárnutí oceli obsahující dusík?
Dusík, který zůstává v intersticiálním roztoku, se po ochlazení pomalu sráží jako nitrid železa. Precipitáty deformují mřížku a zvyšují vnitřní pnutí, takže tažnost a rázová houževnatost s časem klesají, zvláště když je také vysoký fosfor.
Otázka: Co je modrá křehkost?
Je to ztráta rázové houževnatosti, ke které dochází, když se ocel se zvýšeným obsahem dusíku zahřeje na zhruba 250 až 450 stupňů, což je rozsah, ve kterém povrch získá modrý oxidový odstín. Pevnost stoupá, zatímco houževnatost klesá, takže tvarování za tepla a rovnání vyžadují péči.
Otázka: Jak hliník pomáhá, když je dusíku hodně?
Hliník je silná látka tvořící nitrid. Slučuje se s dusíkem a vytváří stabilní AlN místo toho, aby nechal Fe4N se vysráží později, což zlepšuje odolnost proti stárnutí a svírá hranice austenitových zrn během zahřívání.
Otázka: Jak by měl být nitrid ferosilicia skladován?
Uchovávejte jej v suchu, v uzavřeném obalu nebo v zakrytém bunkru, odděleně od ostatních feroslitin. Nasávání vlhkosti mění efektivní regeneraci dusíku a může způsobit spékání granulovaného produktu, který se pak nerovnoměrně přivádí do taveniny.