Kvælstof i karbureringsmidler har en væsentlig indflydelse på egenskaberne af gråt støbejern. Denne indflydelse er et dobbelt-sværd og kræver præcis kontrol.
Generelt er kvælstof et forstærkende element i gråt støbejern, men for store mængder kan føre til defekter. Dens indflydelsesmekanisme og manifestationer er som følger:
I. Positive virkninger af nitrogen (Anbefalet område: 70-120 ppm)
1. Fremmer perlitdannelse, forbedrer styrke og hårdhed:
• Nitrogen stabiliserer austenit, sænker perlittransformationstemperaturen og øger andelen af perlit i den -støbte struktur, hvilket forfiner den interlamellære afstand.
• Dette fører direkte til forbedret trækstyrke, hårdhed og slidstyrke af gråt støbejern. Typisk kan trækstyrken for hver 10 ppm stigning i nitrogen øges med ca. 5-10 MPa.
2. Forfiner grafit:
• Nitrogen hæmmer en smule grafitvækst, hvilket resulterer i finere og mere ensartet fordelte grafitflager. Fin A-grafit er gavnlig til at forbedre mekaniske egenskaber.
3. Reduktion af ferrit: Nitrogen opløst i ferrit forvrænger dets krystalgitter, hvilket øger hårdheden, men mindsker plasticiteten. Derfor har nitrogen en tendens til at reducere ferritindholdet i den -støbte mikrostruktur, hvilket fremmer en perlitmatrix.
4. Interaktion med Titanium - "nitrogenfiksering":
• Grått støbejern indeholder ofte spormængder af titanium (Ti). Titanium har en stærk affinitet til nitrogen og danner fortrinsvis meget fine TiN-partikler med højt-smeltepunkt-.
• Disse TiN-partikler kan fungere som kerner til grafitdannelse, hvilket øger grafitkernedannelseshastigheden og yderligere forfiner grafitmikrostrukturen, hvilket er gavnligt for ydeevnen.
• Overskydende nitrogen eksisterer kun som frit nitrogen, når titanium er fuldstændig "forbrugt".
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm, eller når i ubalance med aluminium/titanium)
1. Fremkaldelse af "nitrogen-induceret porøsitet/revner":
• Dette er den mest signifikante og farligste defekt. 1. **Nitrogenopløseligheden falder kraftigt i de senere stadier af jernstørkningen (opløseligheden i fast jern er meget lavere end i flydende jern):** Overmættet nitrogen udfælder og danner bobler.
• Disse bobler eksisterer ofte ved eutektiske grænser, der viser sig som subkutane porer eller indre sprækker-lignende porer, hvilket kraftigt reducerer tætheden og styrken af støbningen og potentielt forårsager lækage under trykprøvning.
2. **Øget skørhed og reduceret bearbejdelighed:**
• For meget frit nitrogen opløst i ferrit forværrer i alvorlig grad gitterforvrængning, hvilket fører til materialeskørhed og nedsat slagfasthed.
• For høj hårdhed og skørhed i støbningen gør bearbejdning vanskelig, fremskynder værktøjsslid og forringer kvaliteten af bearbejdede overflader.
3. **Risiko for "fissurgrafitdannelse":**
• I hypereutektisk gråt jern med højt kulstofækvivalent (høj CE-værdi) er for højt nitrogen en af hovedårsagerne til D-type/Widmanstätten-grafit eller endnu mere alvorlig frakturgrafit.
• Denne grafitmorfologi knækker matrixen alvorligt, hvilket fører til en kraftig forringelse af styrke, termisk ledningsevne og bearbejdelighed.
III. Kontrolstrategier og -anbefalinger i produktionen
1. Foretrække lav-NOx-opkulningsmidler: For kritiske komponenter og tynde-væggede dele med høj-styrke (såsom motorblokke til biler og topstykker) skal grafitiserede lav--NOx-opkulningsmidler bruges til at kontrollere nitrogentilførslen ved kilden.
2. Overvågning og balancering:
• Test jævnligt nitrogenindholdet i smeltet jern (normalt ved hjælp af en termisk ledningsevneanalysator).
• Analyser samtidig indholdet af titanium (Ti) og aluminium (Al). Aluminium fikserer også nitrogen (danner AlN), men det er mindre stabilt end TiN. Det er vigtigt at forstå Ti/N-forholdet for at sikre tilstrækkelig titanium til at fiksere nitrogen (ideelt kombineret nitrogen).
3. Kontrol af stålskrot råmaterialer: Undgå at bruge stålskrot fra ukendte kilder, som kan indeholde høje niveauer af nitrogen.
4. Proceskontrol: Undgå overdreven omrøring og langvarig opbevaring af smeltet jern ved høje temperaturer for at reducere nitrogenabsorption.
5. Målområde: For almindeligt gråt støbejern er det sikkert og gavnligt at kontrollere nitrogenindholdet til 80-120 ppm. For højtydende gråt støbejern (såsom GJL-300 og derover) bør nitrogenindholdet kontrolleres nær den øvre grænse af dette område for at udnytte dets styrkende effekt. Undgå absolut at overstige 150 ppm.
Konklusion: I moderne skrotbaserede-smelteprocesser bestemmer udvælgelsen af genkarbureringsmidler direkte nitrogenindholdet i det smeltede jern. Aktiv håndtering af nitrogen som et centralt "legeringselement" gennem brugen af råmaterialer med lavt-nitrogenindhold, overvågning af sammensætning og opretholdelse af en rimelig Ti/N-balance, er afgørende for fuldt ud at realisere dets styrkende effekt, eliminere defekter forårsaget af nitrogen og konsekvent producere grå støbejernsdele af-kvalitet.
