Què és el nitrur de ferrosilici
El nitrur de ferrosilici és un ferroaliatge basat principalment en nitrur de silici (Si3N4), juntament amb ferro lliure, silici no-nitrurat i una petita quantitat d'altres components. S'utilitza com a additiu de nitrogen en la fabricació d'acer i en la producció de refractaris. Els graus refractaris es subministren com a pols de color blanc o marró, mentre que els graus de fabricació d'acer solen ser material granular blanc, perquè l'additiu s'ha de dissoldre a la fosa en lloc de construir una estructura refractària.
El material és atractiu al taller de fusió perquè actua de tres maneres alhora: introdueix nitrogen, es desoxida i els seus productes de descomposició ajuden a eliminar l'oxigen de l'acer fos. El nitrogen que aporta és la part que regeix la resistència, el comportament d'envelliment i la soldabilitat del producte acabat.
Com entra el nitrogen a l'acer fos
Quan el nitrur de ferrosilici granular es submergeix a la fosa, el nitrur es descompon i allibera nitrogen que es dissol a l'acer líquid. El silici i el ferro passen a l'acer o a l'escòria, i el nitrogen que es queda en solució està disponible per formar nitrurs durant la solidificació i el refredament. Com que la solubilitat del nitrogen cau bruscament a mesura que l'acer es solidifica, el nitrogen que no està fixat per un fort nitrur pot romandre en la solució intersticial i moure's més tard, que és l'arrel dels problemes d'envelliment que es descriuen a continuació.
Per tant, la pràctica de l'addició és tan important com l'anàlisi de l'additiu. El material granular amb una fracció de mida controlada es dissol més ràpidament i proporciona una recuperació de nitrogen més repetible que un producte gruixut o molt segregat, i una fusió desoxidada reté el nitrogen de manera més eficaç que una que encara està bullint amb oxigen.
Formes del producte i mida del gra
El nitrur de ferrosilici es classifica principalment pel diàmetre del gra, perquè la fracció de mida decideix amb quina rapidesa es dissol l'additiu al cullerot o al motlle. A continuació es mostra una especificació granular típica; la columna del percentatge indica la proporció del producte que ha d'entrar dins la franja de mida indicada.
| Forma del producte | Diàmetre del gra | Superació del rang indicat |
|---|---|---|
| Gra fi | 3 ~ 5 mm | per sobre del 90% |
| Gra comú | 3~10 mm | per sobre del 90% |
| Gra gruixut | 10~50 mm | per sobre del 90% |
Es prefereixen les formes en pols i granulars fins on el nitrogen s'ha de distribuir de manera ràpida i uniforme, per exemple, en barres d'armadura amb nitrogen i en acer de silici orientat, mentre que els grànuls més gruixuts s'adapten a calors més grans i a una immersió més profunda.
Efectes beneficiosos del nitrogen sobre l'acer fos
El nitrogen no és només una impuresa. En quantitats controlades és una addició d'aliatge deliberada amb diversos efectes útils.
El nitrogen es combina amb l'alumini, el vanadi, el niobi i el titani per formar nitrurs i carbonitrurs fins que fixen els límits de gra i perfeccionen l'estructura com a fosa i enrotllada.
En barres de reforç com HRB400, la precipitació assistida amb nitrogen augmenta la resistència a la fluència de manera que es pot assolir el mateix nivell de resistència amb menys carboni i addició de microaliatges.
En l'acer de silici orientat, el nitrogen participa en el sistema inhibidor que controla el creixement del gra durant el processament, que admet les propietats magnètiques de la làmina final.
El nitrogen augmenta la resistència al suavització a temperatures elevades en alguns graus d'acer, perquè els nitrurs formats són estables a temperatures on els carburs s'engruixirien.
El nitrur de ferrosilici també desoxida la fosa, de manera que contribueix a un acer més net juntament amb el nitrogen que subministra.
Efectes nocius del nitrogen i com es controlen
Per sobre del nivell que l'acer pot fixar com a nitrurs estables, el nitrogen passa d'un element d'aliatge útil a una font de defectes.
Envelliment: el nitrogen deixat a la solució intersticial precipita lentament com a nitrur de ferro. Els precipitats distorsionen la gelosia metàl·lica i generen tensions internes, de manera que l'acer es torna trencadís amb el temps i la seva duresa a l'impacte i plasticitat disminueixen. El nitrogen augmenta la susceptibilitat a l'envelliment de la soca; no millora la seva resistència, i un alt contingut en fòsfor empitjora l'efecte.
Fràgilitat blava: quan l'acer amb un alt contingut de nitrogen s'escalfa en un rang de 250 a 450 graus, la seva superfície es torna blava mentre augmenta la força i baixa la resistència a l'impacte. Aquesta pèrdua de ductilitat en el rang de calor blau s'ha de tenir en compte sempre que un component es forma o es redreça calent.
Soldabilitat: a mesura que augmenta el contingut de nitrogen, el rendiment de la soldadura es deteriora. La porositat, l'enduriment a la zona afectada per la calor i la pèrdua de tenacitat són les conseqüències habituals, de manera que els acers amb nitrogen necessiten un procediment de soldadura adequat a la seva química.
Correcció del problema intersticial: afegir una quantitat controlada d'alumini a l'acer forma AlN estable, que limita la formació i precipitació de Fe4N. Això millora el rendiment d'envelliment i, al mateix temps, les partícules d'AlN restringeixen el creixement dels grans d'austenita.
La regla pràctica és que s'ha d'especificar el nitrogen, no només acceptar-lo. Un rang de nitrogen objectiu, una addició combinada d'un formador de nitrur i un nivell d'alumini controlat converteixen el nitrogen d'una font de defecte en una eina de reforç.
Preguntes freqüents
P: Per a què s'utilitza el nitrur de ferrosilici en la fabricació d'acer?
S'utilitza per afegir nitrogen a l'acer fos, per desoxidar la fosa i per donar suport a l'enfortiment de la precipitació i el refinament del gra en acers amb nitrogen com ara barres de reforç i acer de silici orientat.
P: Què significa la designació FeSi3N4?
Reflecteix el constituent principal de l'aliatge, el nitrur de silici (Si3N4), que subministra nitrogen. El material comercial també conté ferro lliure, silici no-nitrurat i components menors, de manera que el contingut de nitrogen del producte es cita per separat de l'anàlisi del nitrur de silici pur.
P: Què causa l'envelliment de l'acer amb nitrogen?
El nitrogen que roman a la solució intersticial precipita lentament com a nitrur de ferro després del refredament. Els precipitats distorsionen la gelosia i augmenten l'estrès intern, de manera que la ductilitat i la resistència a l'impacte disminueixen amb el temps, especialment quan el fòsfor també és alt.
P: Què és la fragilitat blava?
És la pèrdua de resistència a l'impacte que es produeix quan l'acer amb nitrogen elevat s'escalfa a aproximadament 250 a 450 graus, el rang en el qual la superfície adquireix un to blau d'òxid. La força augmenta mentre la duresa disminueix, de manera que la formació i l'allisament calents necessiten cura.
P: Com ajuda l'alumini quan el nitrogen és alt?
L'alumini és un fort formador de nitrurs. Es combina amb nitrogen per formar AlN estable en lloc de deixar Fe4N precipita més tard, cosa que millora la resistència a l'envelliment i fixa els límits del gra d'austenita durant l'escalfament.
P: Com s'ha d'emmagatzemar el nitrur de ferrosilici?
Mantingueu-lo sec, en envasos tancats o en un búnquer cobert, separat d'altres ferroaliatges. La recollida d'humitat canvia la recuperació efectiva del nitrogen i pot provocar que el producte granular s'acumuli, que després s'alimenta de manera desigual a la fosa.