制備高氮鋼存在問題及解決措施

王永霞，顧興，李大勝，魏飛虎，杭博，卞小龍

(1.蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠233030;2.湖南鐳目科技有限公司，湖南長沙410000)

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，高性價比、毒性低、重量輕和綠色環(huán)保的不銹鋼材料成為人們研究的主流材料，傳統(tǒng)不銹鋼中的主加合金元素為鉻和鎳，其中鎳可形成并穩(wěn)定奧氏體相，它與鉻、鉬等元素的聯(lián)合作用使不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性能和力學(xué)性能。但由于地球上礦產(chǎn)資源的有限性和持續(xù)消耗性，使得部分金屬元素將會很快被消耗殆盡［1］，鎳元素就是其中一種貴金屬元素，多年來，鎳價格持續(xù)攀升，導(dǎo)致含鎳不銹鋼產(chǎn)品市場競爭力下降。同時鎳元素對人體存在危害，鎳會引起接觸性皮炎“鎳癢癥”、神經(jīng)衰弱癥和系統(tǒng)紊亂［2］，鎳有致癌性，含鎳材料與腫瘤發(fā)生有很大的關(guān)系［3］。這限制了含鎳不銹鋼在醫(yī)療領(lǐng)域和日常生活中的應(yīng)用。在這種背景下，國內(nèi)外的科技工作者嘗試以價格低廉的N、Mn代替昂貴元素Ni，相繼研發(fā)出高氮鋼。眾所周知，氮是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，氮穩(wěn)定奧氏體的能力是鎳的30倍，氮是有效的固溶強(qiáng)化元素，氮元素加入鋼中有利于細(xì)晶強(qiáng)化效果［4］。在鋼中加入少量氮，就能顯著改善不銹鋼的屈服強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗蠕變性能及抗磨損性能等［5-7］。另外，氮作為改善耐蝕性的元素可在蝕孔內(nèi)形成NH4+，消除產(chǎn)生的H+，抑制pH值降低，減緩點蝕和蝕孔內(nèi)金屬的溶出速度，改善不銹鋼的局部腐蝕性能［8-9］。此外，氮還能降低晶界的腐蝕敏感性，提高不銹鋼的耐蝕性能。相比其他高合金不銹鋼，用氮來降低甚至取代鎳生產(chǎn)出的成本低廉的不銹鋼重量明顯減輕。高氮鋼作為一種性能優(yōu)良、環(huán)保、節(jié)約資源的新型鋼鐵材料，正日益受到人們青睞，開發(fā)價格低廉而綜合性能良好的不銹鋼具有重要的經(jīng)濟(jì)效益及工程應(yīng)用價值。然而，大氣壓力下氮在液態(tài)鋼中的溶解度很低，因此，高氮鋼的冶煉并不像其它鋼那樣容易進(jìn)行。采取經(jīng)濟(jì)有效的方法來冶煉制備高氮鋼一直備受關(guān)注。常用的高氮鋼熔煉方法有噴吹氮氣冶煉法、氮氣加壓熔煉法、粉末冶金法、常壓下添加含氮合金法等。其中噴吹氮氣所獲得氮的增加量并不高，高壓下冶煉存在設(shè)備復(fù)雜、成本昂貴及存在安全隱患等問題，粉末冶金法存在含氮不銹鋼粉末制作過程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、高能耗等問題［10］。文章采用常壓下添加含氮合金(氮化鉻鐵、氮化錳等)的方法制備高氮鋼，相比其他熔煉法，在常壓下添加氮化合金冶煉法具備操作簡單，成本低，安全系數(shù)高的特點。在熔煉過程中，由于氮化合金的分解溫度明顯低于鋼的冶煉溫度，因此氮化合金的增氮原理相當(dāng)于氮氣在鋼液中的分解反應(yīng)，鋼液中氮的添加是以過飽和氮化合金形式加入熔體，從而更易于達(dá)到增N目的。

1 熔煉和澆注

將工業(yè)純鐵、316L不銹鋼、金屬鉻、鉬鐵、金屬鎳及氮化鐵等材料在容量為8 kg功率為35 kW的中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行熔煉。熔化后的鋼液進(jìn)行除渣和除氣處理，待溫度升高至1 628℃時澆入烘干的熔模模型中。熔模模型如圖1所示，模型由澆口、直澆道、橫澆道及三個圓柱形型腔組成。澆口用來澆注液態(tài)合金，同時也是補(bǔ)縮冒口;直澆道與澆口直接相連，是液態(tài)合金流動及充型的通道;橫澆道也叫作內(nèi)澆道，是液態(tài)合金從直澆道進(jìn)入鑄型型腔的通道，也是鑄件重要的補(bǔ)縮通道。

圖1 熔模模型

澆注完成后在澆口(冒口)表面撒一層珍珠巖保溫劑，將裝有液態(tài)合金的模型置于干沙床上進(jìn)行冷卻和凝固，待液態(tài)合金完全凝固后，敲破熔模模型，獲得帶澆口的鑄件如圖2所示。由圖2觀察可知，試棒表面存在氣孔，直澆道部位有篩網(wǎng)狀的大面積氣孔，冒口外凸并有縮孔和縮松缺陷。

圖2 熔煉澆注制備的試樣圖

在澆注過程中，當(dāng)熾熱的液態(tài)金屬澆入溫度較低(相對于液態(tài)金屬溫度)的熔模模型中時，液態(tài)金屬與模型之間會發(fā)生劇烈的熱交換，一方面金屬液通過模型散失熱量而冷卻凝固，另一方面，模型型腔表面層溫度很快升高，導(dǎo)致型腔體積膨脹，水分遷移，粘結(jié)劑燒結(jié)，產(chǎn)生氣體［11］。液態(tài)金屬與模型之間的溫差越大，發(fā)生的熱反應(yīng)、物理化學(xué)反應(yīng)越劇烈。當(dāng)最初的液態(tài)合金進(jìn)入模型時，由于模型壁的激冷作用以及液態(tài)金屬通過熱傳導(dǎo)、輻射和對流將熱量傳遞給模型，使得靠近模型壁的液態(tài)金屬最先發(fā)生凝固，這層最先凝固的金屬軟殼阻礙液態(tài)合金中氣體的通過，即隔絕了氣體從模型孔隙中排出，導(dǎo)致大量的氣體保留在液態(tài)金屬中。隨著溫度的降低，氮在鋼液中的溶解度急劇下降，過飽和的氮聚齊成氮氣，從液態(tài)合金中持續(xù)析出，大量的氮氣上浮至冒口部位，而冒口表面的鋼液因輻射散熱過快而優(yōu)先凝固，而冒口下方的鋼液凝固緩慢依然處于液態(tài)狀態(tài)，大量氮氣聚齊于冒口位置，而冒口表層已經(jīng)凝固，氣體排出困難，最終使得凝固的冒口硬殼表面被氣體頂起并與下部未凝固的鋼液脫離接觸，表現(xiàn)出冒口外凸及液態(tài)金屬上漲的現(xiàn)象。從圖2中也可以觀察到冒口表層金屬出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象。由此可知，大量的氣體無法從冒口頂部及模型孔隙中排出，使得鑄件及直澆道上形成大面積的氣孔。另外，在直澆道中部出現(xiàn)大量的縮孔縮松現(xiàn)象，表明該部位凝固方式為糊狀凝固，冒口凝固先于直澆道中部位置凝固，冒口部位對該部位的補(bǔ)縮作用不充分。此外，在直澆道與試棒交接處的橫澆道位置存在大量的縮孔，表明液態(tài)合金在此處凝固較晚，此處凝固時無外來液態(tài)合金進(jìn)行補(bǔ)縮而形成大量縮孔。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)此處為凝固熱節(jié)部位，熱節(jié)是一種在鑄造過程中產(chǎn)生的效應(yīng)，即由于鑄型結(jié)構(gòu)、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝參數(shù)等條件的影響，液態(tài)合金在模型型腔內(nèi)各點的熔融狀態(tài)和凝固時間是不相同的，熱節(jié)是鑄件內(nèi)的一個節(jié)點或一個區(qū)域其比周圍金屬凝固緩慢，是最后冷卻凝固的地方。橫澆道部位為最后凝固的部位，表明橫澆道填充型腔的補(bǔ)縮通道是最后凝固部位，橫澆道通暢，對周圍鑄件的補(bǔ)縮良好，另外，觀察鑄件無澆不足現(xiàn)象，進(jìn)一步說明橫澆道充型作用良好。鑄件的表面輪廓清晰，完整，表明液態(tài)金屬的流動性和充型能力良好。

2 缺陷分析和制定解決措施

針對氣孔和縮孔缺陷，現(xiàn)采取以下方式:

(1)降低模型壁的激冷作用，使鑄件最外層的冷卻速度降低，以利于鋼液中的氣體排出。澆注前將熔模熔模型放入熱處理爐中進(jìn)行300～400℃的高溫烘烤，減小澆注過程中熔模模型與液態(tài)金屬之間的溫差，降低型壁對液態(tài)金屬的激冷作用，使液態(tài)金屬和模型壁發(fā)生熱作用、物理化學(xué)作用時產(chǎn)生的水分、燒結(jié)的粘結(jié)劑氣體和從鋼液中析出的氮氣能夠從熔模型壁的小孔隙內(nèi)排出。

(2)采用順序凝固方式，使鑄件底部最先凝固，依次朝向冒口的方向凝固，保證冒口部位鋼液在液態(tài)下的時間最長，以利于氣體從冒口及時排出及增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮能力。澆注完成后將鋼液連同熔模模型埋入濕砂床上，然后從下朝上緩慢噴灑水使鑄件進(jìn)行快速強(qiáng)制的順序冷卻凝固，讓遠(yuǎn)離冒口的鑄件底部最先凝固，冒口最后凝固，加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮、排氣功能，使最后凝固的縮孔縮松部位移動至冒口位置。

采取降低模型壁的激冷作用和噴水強(qiáng)制順序凝固方式后澆注出的鑄件如圖3所示，3根試棒表面光滑、無縮孔、縮松和氣孔等鑄造缺陷，冒口頂部內(nèi)陷，縮孔縮松集中在冒口位置。所得試樣采用直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測，其成分都在要求范圍之內(nèi)，見表1所示，其中氮含量為0.51%，屬于高氮鋼。

圖3 澆注冷卻后的鑄件(b為清理熔模模型后的鑄件)

表1 高氮不銹鋼材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

3 結(jié)論

實驗室采用氮化合金制備高氮鋼時，從液態(tài)合金中析出的氮氣，難以從鑄件已經(jīng)凝固成軟殼層的表面及表面帶有硬殼的冒口頂部排出，熔模模型的排氣能力、冒口的補(bǔ)縮和排氣能力受限，鑄件容易出現(xiàn)氣孔、縮孔和縮松等缺陷。采用澆注前高溫烘烤模型和澆注后模型埋濕砂法、噴水強(qiáng)制凝固法，使得液態(tài)合金與型壁之間的溫差降低、冒口補(bǔ)縮作用增強(qiáng)，氣體能夠及時排出和實現(xiàn)順序凝固方式，解決了鑄件的氣孔、縮孔和縮松問題，制備出合格的高氮鋼。