Mikä on ferrosilikonitridi
Ferrosilikonitridi on ferroseos, joka perustuu pääasiassa piinitridiin (Si3N4), sekä vapaata rautaa, -nitridöimätöntä piitä ja pieniä määriä muita komponentteja. Sitä käytetään typpeä sisältävänä lisäaineena teräksen valmistuksessa ja tulenkestävän materiaalin tuotannossa. Tulenkestävät teräslajit toimitetaan luonnonvalkoisena tai ruskeana jauheena, kun taas teräksenvalmistuslaadut ovat yleensä luonnonvalkoista rakeista materiaalia, koska lisäaineen täytyy liueta sulatteeseen eikä rakentaa tulenkestävää rakennetta.
Materiaali houkuttelee sulatossa, koska se toimii kolmella tavalla yhtä aikaa: se tuo typpeä sisään, hajottaa ja sen hajoamistuotteet auttavat poistamaan happea sulasta teräksestä. Sen toimittama typpi säätelee valmiin tuotteen lujuutta, ikääntymiskäyttäytymistä ja hitsattavuutta.
Kuinka typpi tulee sulaan teräkseen
Kun rakeinen ferrosilikonitridi upotetaan sulatteeseen, nitridi hajoaa ja vapauttaa typpeä, joka liukenee nestemäiseen teräkseen. Pii ja rauta siirtyvät teräkseen tai kuonaan, ja liuokseen jäävä typpi on käytettävissä muodostamaan nitridejä jähmettymisen ja jäähtymisen aikana. Koska typen liukoisuus laskee jyrkästi teräksen jähmettyessä, typpi, jota vahva nitridinmuodostaja ei kiinnitä, voi jäädä interstitiaaliseen liuokseen ja siirtyä myöhemmin, mikä on alla kuvattujen ikääntymisongelmien syy.
Lisäyskäytäntö on siksi yhtä tärkeä kuin lisäaineen analyysi. Rakeinen materiaali, jolla on säädellyn kokoinen fraktio, liukenee nopeammin ja antaa enemmän toistettavaa typen talteenottoa kuin karkea tai voimakkaasti erottuva tuote, ja hapettunut sulate pidättää typpeä tehokkaammin kuin vielä hapen kanssa kiehuva sulate.
Tuotemuodot ja raekoko
Ferrosilikonitridi luokitellaan pääasiassa raehalkaisijan mukaan, koska kokofraktio ratkaisee kuinka nopeasti lisäaine liukenee kauhaan tai muottiin. Tyypillinen rakeinen spesifikaatio on esitetty alla; prosenttisarakkeessa ilmoitetaan tuotteen osuus, jonka on oltava ilmoitettuun kokoluokkaan.
| Tuotteen muoto | Raehalkaisija | Ilmoitetun alueen ylittäminen |
|---|---|---|
| Hienojakoisia | 3-5 mm | yli 90 % |
| Tavallinen vilja | 3-10 mm | yli 90 % |
| Karkea vilja | 10-50 mm | yli 90 % |
Jauhe- ja hienorakeiset muodot ovat suositeltavia, joissa typpi on levitettävä nopeasti ja tasaisesti, esimerkiksi typpilaakeroidussa raudoitusraudassa ja orientoidussa piiteräksessä, kun taas karkeammat rakeet sopivat suurempiin lämpötiloihin ja syvempään upotukseen.
Typen hyödylliset vaikutukset sulaan teräkseen
Typpi ei ole pelkkä epäpuhtaus. Valvotuissa määrissä se on tarkoituksellinen seostava lisäys, jolla on useita hyödyllisiä vaikutuksia.
Typpi yhdistyy alumiinin, vanadiinin, niobiumin ja titaanin kanssa muodostaen hienoja nitridejä ja karbonitridejä, jotka kiinnittävät raerajoja ja jalostavat valettua ja valssattua rakennetta.
Terästepalkissa, kuten HRB400, typpiavusteinen saostus nostaa myötölujuutta, jotta sama lujuustaso voidaan saavuttaa pienemmällä hiilen ja mikroseoksen lisäyksellä.
Orientoidussa piiteräksessä typpi osallistuu inhibiittorijärjestelmään, joka säätelee raekasvua käsittelyn aikana, mikä tukee lopullisen levyn magneettisia ominaisuuksia.
Typpi lisää joissakin teräslaaduissa pehmenemiskestävyyttä korotetussa lämpötilassa, koska muodostuneet nitridit ovat stabiileja lämpötiloissa, joissa karbidit karhenisivat.
Ferrosilikonitridi myös deoksidoi sulatteen, joten se edistää puhtaampaa terästä toimittaman typen ohella.
Typen haitalliset vaikutukset ja niiden hallinta
Sen tason yläpuolella, jonka teräs pystyy kiinnittämään stabiileiksi nitrideiksi, typpi muuttuu käyttökelpoisesta seostusaineesta vikojen lähteeksi.
Vanheneminen: interstitiaaliseen liuokseen jäänyt typpi saostuu hitaasti rautanitridinä. Sakka vääristää metallihilaa ja synnyttää sisäistä jännitystä, jolloin teräs haurastuu ajan myötä ja sen iskusitkeys ja plastisuus laskevat. Typpi lisää herkkyyttä tämän kannan ikääntymiselle; se ei paranna vastustuskykyä sille, ja korkea fosforipitoisuus pahentaa vaikutusta.
Sininen hauraus: kun korkean typpipitoisuuden omaavaa terästä kuumennetaan 250-450 asteen alueelle, sen pinta muuttuu siniseksi lujuuden kasvaessa ja iskunkestävyyden laskeessa. Tämä sitkeyden menetys sinisellä lämpöalueella on otettava huomioon aina, kun komponentti muodostetaan tai suoristetaan lämpimänä.
Hitsattavuus: typpipitoisuuden kasvaessa hitsausteho heikkenee. Huokoisuus, kovettuminen lämmön vaikutusalueella ja sitkeyden menetys ovat tavallisia seurauksia, joten typpeä sisältävät teräkset tarvitsevat kemiaansa sopivan hitsausmenetelmän.
Interstitiaalisen ongelman korjaus: Kun teräkseen lisätään kontrolloitu määrä alumiinia, muodostuu stabiilia AlN:a, mikä rajoittaa Fe:n muodostumista ja saostumista4N. Tämä parantaa ikääntymiskykyä ja samalla AlN-hiukkaset rajoittavat austeniittirakeiden kasvua.
Käytännön sääntö on, että typpi on määriteltävä, ei vain hyväksyttävä. Tavoitteena oleva typpialue, yhteensopiva nitridinmuodostajan lisäys ja kontrolloitu alumiinitaso yhdessä muuttavat virhelähteestä tulevan typen vahvistustyökaluksi.
Usein kysytyt kysymykset
K: Mihin ferrosilikonitridia käytetään teräksen valmistuksessa?
Sitä käytetään lisäämään typpeä sulaan teräkseen, poistamaan sulat hapesta sekä tukemaan saostuman vahvistamista ja rakeiden jalostusta typpeä sisältävissä teräksissä, kuten betoniteräksessä ja orientoidussa piiteräksessä.
K: Mitä nimitys FeSi3N4 tarkoittaa?
Se heijastaa lejeeringin pääainesosaa, piinitridia (Si3N4), joka toimittaa typpeä. Kaupallinen materiaali sisältää myös vapaata rautaa, -nitraamatonta piitä ja vähäisiä komponentteja, joten tuotteen typpipitoisuus mainitaan erikseen puhtaan piinitridin analyysistä.
K: Mikä aiheuttaa typpipitoisen teräksen vanhenemisen?
Interstitiaaliseen liuokseen jäävä typpi saostuu hitaasti rautanitridinä jäähtymisen jälkeen. Sakka vääristää hilaa ja nostaa sisäistä jännitystä, joten sitkeys ja iskusitkeys laskevat ajan myötä, varsinkin kun myös fosforia on paljon.
K: Mitä on sininen hauraus?
Iskusitkeys heikkenee, kun terästä, jossa on kohonnut typpi, kuumennetaan noin 250-450 asteeseen, alueelle, jolla pinta saa sinisen oksidisävyn. Lujuus kasvaa kun sitkeys laskee, joten lämmin muotoilu ja suoristus vaativat hoitoa.
K: Miten alumiini auttaa, kun typpeä on paljon?
Alumiini on vahva nitridin muodostaja. Se yhdistyy typen kanssa muodostaen stabiilin AlN:n sen sijaan, että se antaisi Fe:n4N sakka myöhemmin, mikä parantaa ikääntymisen kestävyyttä ja kiinnittää austeniitin raerajoja lämmityksen aikana.
K: Kuinka ferrosilikonitridi tulisi varastoida?
Säilytä se kuivana suljetussa pakkauksessa tai katetussa bunkkerissa erillään muista rautaseoksista. Kosteuden imeytyminen muuttaa tehokkaan typen talteenottoa ja voi aiheuttaa rakeisen tuotteen paakkuuntumista, joka syöttyy sitten epätasaisesti sulatteeseen.