اثرات نیتروژن در نیترید فروسیلیس بر کیفیت فولاد مذاب

فروسیلیس نیترید چیست؟

فروسیلیس نیترید یک فروآلیاژ است که عمدتاً بر پایه نیترید سیلیکون (Si₃N₄همراه با آهن آزاد، سیلیکون نیترید نشده-و مقدار کمی از اجزای دیگر. به عنوان یک افزودنی حاوی نیتروژن در فولادسازی و در تولید نسوز استفاده می شود. گریدهای نسوز به صورت پودر سفید یا قهوه‌ای عرضه می‌شوند، در حالی که گریدهای فولادسازی معمولاً از مواد دانه‌دار سفید هستند، زیرا افزودنی به جای ایجاد ساختار نسوز باید در مذاب حل شود.

این ماده در کارگاه ذوب جذاب است زیرا به سه صورت همزمان عمل می کند: نیتروژن وارد می کند، اکسیدزدایی می کند و محصولات تجزیه آن به حذف اکسیژن از فولاد مذاب کمک می کند. نیتروژنی که تحویل می دهد بخشی است که بر استحکام، رفتار پیری و جوش پذیری محصول نهایی حاکم است.

نحوه ورود نیتروژن به فولاد مذاب

هنگامی که نیترید فروسیلیس دانه ای در مذاب فرو می رود، نیترید تجزیه می شود و نیتروژن آزاد می کند که در فولاد مایع حل می شود. سیلیکون و آهن به داخل فولاد یا سرباره عبور می کنند و نیتروژنی که در محلول باقی می ماند برای تشکیل نیترید در طول انجماد و سرد شدن در دسترس است. از آنجایی که حلالیت نیتروژن با جامد شدن فولاد به شدت کاهش می یابد، نیتروژنی که توسط یک نیترید ساز قوی ثابت نشده است، می تواند در محلول بینابینی باقی بماند و بعدا حرکت کند، که ریشه مشکلات پیری است که در زیر توضیح داده شده است.

بنابراین عمل افزودن به اندازه تجزیه و تحلیل ماده افزودنی اهمیت دارد. مواد دانه‌ای با کسر اندازه کنترل‌شده سریع‌تر حل می‌شوند و بازیابی نیتروژن قابل تکرار بیشتری نسبت به یک محصول درشت یا به شدت جدا شده می‌دهند، و مذاب اکسیدزدایی شده نیتروژن را به طور موثرتری نسبت به مذابی که هنوز با اکسیژن در حال جوشیدن است نگه می‌دارد.

فرم های محصول و اندازه دانه

نیترید فروسیلیس عمدتاً بر اساس قطر دانه درجه بندی می شود، زیرا کسر اندازه تعیین می کند که افزودنی با چه سرعتی در ملاقه یا قالب حل شود. یک مشخصات دانه ای معمولی در زیر نشان داده شده است. ستون درصد نسبت محصولی را که باید در محدوده اندازه اعلام شده قرار گیرد را بیان می کند.

در جایی که نیتروژن باید به سرعت و به طور یکنواخت توزیع شود، پودر و فرم های دانه ریز ترجیح داده می شوند، به عنوان مثال در میلگردهای نیتروژن دار و فولاد سیلیکونی جهت دار، در حالی که گرانول های درشت تر مناسب گرمای بزرگتر و غوطه ور شدن عمیق تر هستند.

اثرات مفید نیتروژن بر فولاد مذاب

نیتروژن صرفاً یک ناخالصی نیست. در مقادیر کنترل شده یک افزودن آلیاژی عمدی با چندین اثر مفید است.

نیتروژن با آلومینیوم، وانادیم، نیوبیوم و تیتانیوم ترکیب می شود و نیتریدها و کربنیتریدهای ریز را تشکیل می دهد که مرزهای دانه را سنجاق می کند و ساختار را به صورت ریخته گری و نورد اصلاح می کند.

در میلگردهای تقویت‌کننده مانند HRB400، بارش به کمک نیتروژن استحکام تسلیم را افزایش می‌دهد به طوری که می‌توان با افزودن کربن و ریزآلیاژ کمتر به همان سطح استحکام رسید.

در فولاد سیلیکونی جهت دار، نیتروژن در سیستم بازدارنده شرکت می کند که رشد دانه را در طول پردازش کنترل می کند، که از خواص مغناطیسی ورق نهایی پشتیبانی می کند.

نیتروژن مقاومت در برابر نرم شدن در دمای بالا را در برخی از گریدهای فولاد افزایش می دهد، زیرا نیتریدهای تشکیل شده در دماهایی که کاربیدها درشت می شوند پایدار هستند.

نیترید فروسیلیکون همچنین مذاب را اکسید زدایی می کند، بنابراین در کنار نیتروژنی که تامین می کند، به یک فولاد تمیزتر کمک می کند.

اثرات مضر نیتروژن و نحوه کنترل آنها

بالاتر از سطحی که فولاد می تواند به عنوان نیتریدهای پایدار ثابت کند، نیتروژن از یک عنصر آلیاژی مفید به منبع نقص تبدیل می شود.

پیری: نیتروژن باقی مانده در محلول بینابینی به آرامی به صورت نیترید آهن رسوب می کند. رسوبات شبکه فلزی را منحرف می کند و تنش داخلی ایجاد می کند، بنابراین فولاد با گذشت زمان شکننده می شود و چقرمگی ضربه و انعطاف پذیری آن کاهش می یابد. نیتروژن حساسیت به پیری این سویه را افزایش می دهد. مقاومت در برابر آن را بهبود نمی بخشد و محتوای فسفر بالا باعث بدتر شدن اثر می شود.

شکنندگی آبی: وقتی فولاد با محتوای نیتروژن بالا در محدوده 250 تا 450 درجه حرارت داده می شود، سطح آن آبی می شود در حالی که استحکام بالا می رود و چقرمگی ضربه کاهش می یابد. این از دست دادن شکل‌پذیری در محدوده گرمای آبی هر زمان که یک جزء تشکیل می‌شود یا گرم می‌شود باید در نظر گرفته شود.

جوش پذیری: با افزایش محتوای نیتروژن، عملکرد جوش بدتر می شود. تخلخل، سخت شدن در ناحیه متاثر از گرما و از دست دادن چقرمگی عواقب معمول هستند، بنابراین فولادهای نیتروژن دار نیاز به روش جوشکاری مطابق با شیمی خود دارند.

اصلاح مشکل بینابینی: افزودن مقدار کنترل شده آلومینیوم به فولاد، AlN پایدار را تشکیل می دهد، که تشکیل و بارش آهن را محدود می کند.₄N. این عملکرد پیری را بهبود می بخشد و در عین حال، ذرات AlN رشد دانه های آستنیت را محدود می کند.

قاعده عملی این است که نیتروژن باید مشخص شود، نه اینکه صرفاً پذیرفته شود. محدوده نیتروژن مورد نظر، افزودن همسان ساز نیترید و سطح کنترل شده آلومینیوم با هم نیتروژن را از یک منبع نقص به یک ابزار تقویت کننده تبدیل می کند.

سوالات متداول

س: نیترید فروسیلیس در فولادسازی برای چه مواردی استفاده می شود؟
برای افزودن نیتروژن به فولاد مذاب، اکسید زدایی مذاب و حمایت از تقویت بارش و پالایش دانه در فولادهای نیتروژن دار مانند میله تقویت کننده و فولاد سیلیکونی جهت دار استفاده می شود.

س: نام FeSi3N4 به چه معناست؟
این ماده تشکیل دهنده اصلی آلیاژ، نیترید سیلیکون (Si₃N₄) که نیتروژن را تامین می کند. مواد تجاری همچنین حاوی آهن آزاد، سیلیکون نیترید نشده و اجزای جزئی هستند، بنابراین محتوای نیتروژن محصول به طور جداگانه از تجزیه و تحلیل نیترید سیلیکون خالص نقل شده است.

س: چه چیزی باعث پیری در فولاد نیتروژن دار می شود؟
نیتروژنی که در محلول بینابینی باقی می ماند پس از سرد شدن به آرامی به صورت نیترید آهن رسوب می کند. رسوبات شبکه را منحرف می کنند و تنش داخلی را افزایش می دهند، بنابراین شکل پذیری و چقرمگی ضربه با گذشت زمان کاهش می یابد، به خصوص زمانی که فسفر نیز بالا باشد.

س: شکنندگی آبی چیست؟
این از دست دادن چقرمگی ضربه است که زمانی رخ می دهد که فولاد با نیتروژن بالا تا حدود 250 تا 450 درجه حرارت داده شود، محدوده ای که در آن سطح رنگ اکسید آبی به خود می گیرد. استحکام بالا می رود در حالی که چقرمگی کاهش می یابد، بنابراین فرم دهی گرم و صاف کردن نیاز به مراقبت دارد.

س: وقتی نیتروژن زیاد است آلومینیوم چگونه کمک می کند؟
آلومینیوم یک نیترید قوی است. با نیتروژن ترکیب می شود و به جای اجازه دادن Fe، AlN پایدار ایجاد می کند₄N دیرتر رسوب می‌کند، که مقاومت در برابر پیری را بهبود می‌بخشد و مرزهای دانه آستنیت را در حین گرم کردن می‌بندد.

س: نیترید فروسیلیس چگونه باید ذخیره شود؟
آن را خشک، در بسته بندی مهر و موم شده یا یک پناهگاه سرپوشیده، جدا از سایر فروآلیاژها نگهداری کنید. جذب رطوبت بازیابی موثر نیتروژن را تغییر می دهد و می تواند باعث کیک شدن محصول دانه ای شود که سپس به طور ناموزون وارد مذاب می شود.