制备高氮钢存在问题及解决措施

王永霞，顾兴，李大胜，魏飞虎，杭博，卞小龙

(1.蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠233030;2.湖南镭目科技有限公司，湖南长沙410000)

随着现代科技的快速发展，高性价比、毒性低、重量轻和绿色环保的不锈钢材料成为人们研究的主流材料，传统不锈钢中的主加合金元素为铬和镍，其中镍可形成并稳定奥氏体相，它与铬、钼等元素的联合作用使不锈钢具有优良的耐蚀性能和力学性能。但由于地球上矿产资源的有限性和持续消耗性，使得部分金属元素将会很快被消耗殆尽［1］，镍元素就是其中一种贵金属元素，多年来，镍价格持续攀升，导致含镍不锈钢产品市场竞争力下降。同时镍元素对人体存在危害，镍会引起接触性皮炎“镍痒症”、神经衰弱症和系统紊乱［2］，镍有致癌性，含镍材料与肿瘤发生有很大的关系［3］。这限制了含镍不锈钢在医疗领域和日常生活中的应用。在这种背景下，国内外的科技工作者尝试以价格低廉的N、Mn代替昂贵元素Ni，相继研发出高氮钢。众所周知，氮是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，氮稳定奥氏体的能力是镍的30倍，氮是有效的固溶强化元素，氮元素加入钢中有利于细晶强化效果［4］。在钢中加入少量氮，就能显著改善不锈钢的屈服强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能及抗磨损性能等［5-7］。另外，氮作为改善耐蚀性的元素可在蚀孔内形成NH4+，消除产生的H+，抑制pH值降低，减缓点蚀和蚀孔内金属的溶出速度，改善不锈钢的局部腐蚀性能［8-9］。此外，氮还能降低晶界的腐蚀敏感性，提高不锈钢的耐蚀性能。相比其他高合金不锈钢，用氮来降低甚至取代镍生产出的成本低廉的不锈钢重量明显减轻。高氮钢作为一种性能优良、环保、节约资源的新型钢铁材料，正日益受到人们青睐，开发价格低廉而综合性能良好的不锈钢具有重要的经济效益及工程应用价值。然而，大气压力下氮在液态钢中的溶解度很低，因此，高氮钢的冶炼并不像其它钢那样容易进行。采取经济有效的方法来冶炼制备高氮钢一直备受关注。常用的高氮钢熔炼方法有喷吹氮气冶炼法、氮气加压熔炼法、粉末冶金法、常压下添加含氮合金法等。其中喷吹氮气所获得氮的增加量并不高，高压下冶炼存在设备复杂、成本昂贵及存在安全隐患等问题，粉末冶金法存在含氮不锈钢粉末制作过程复杂、生产效率低、高能耗等问题［10］。文章采用常压下添加含氮合金(氮化铬铁、氮化锰等)的方法制备高氮钢，相比其他熔炼法，在常压下添加氮化合金冶炼法具备操作简单，成本低，安全系数高的特点。在熔炼过程中，由于氮化合金的分解温度明显低于钢的冶炼温度，因此氮化合金的增氮原理相当于氮气在钢液中的分解反应，钢液中氮的添加是以过饱和氮化合金形式加入熔体，从而更易于达到增N目的。

1 熔炼和浇注

将工业纯铁、316L不锈钢、金属铬、钼铁、金属镍及氮化铁等材料在容量为8 kg功率为35 kW的中频感应电炉中进行熔炼。熔化后的钢液进行除渣和除气处理，待温度升高至1 628℃时浇入烘干的熔模模型中。熔模模型如图1所示，模型由浇口、直浇道、横浇道及三个圆柱形型腔组成。浇口用来浇注液态合金，同时也是补缩冒口;直浇道与浇口直接相连，是液态合金流动及充型的通道;横浇道也叫作内浇道，是液态合金从直浇道进入铸型型腔的通道，也是铸件重要的补缩通道。

图1 熔模模型

浇注完成后在浇口(冒口)表面撒一层珍珠岩保温剂，将装有液态合金的模型置于干沙床上进行冷却和凝固，待液态合金完全凝固后，敲破熔模模型，获得带浇口的铸件如图2所示。由图2观察可知，试棒表面存在气孔，直浇道部位有筛网状的大面积气孔，冒口外凸并有缩孔和缩松缺陷。

图2 熔炼浇注制备的试样图

在浇注过程中，当炽热的液态金属浇入温度较低(相对于液态金属温度)的熔模模型中时，液态金属与模型之间会发生剧烈的热交换，一方面金属液通过模型散失热量而冷却凝固，另一方面，模型型腔表面层温度很快升高，导致型腔体积膨胀，水分迁移，粘结剂烧结，产生气体［11］。液态金属与模型之间的温差越大，发生的热反应、物理化学反应越剧烈。当最初的液态合金进入模型时，由于模型壁的激冷作用以及液态金属通过热传导、辐射和对流将热量传递给模型，使得靠近模型壁的液态金属最先发生凝固，这层最先凝固的金属软壳阻碍液态合金中气体的通过，即隔绝了气体从模型孔隙中排出，导致大量的气体保留在液态金属中。随着温度的降低，氮在钢液中的溶解度急剧下降，过饱和的氮聚齐成氮气，从液态合金中持续析出，大量的氮气上浮至冒口部位，而冒口表面的钢液因辐射散热过快而优先凝固，而冒口下方的钢液凝固缓慢依然处于液态状态，大量氮气聚齐于冒口位置，而冒口表层已经凝固，气体排出困难，最终使得凝固的冒口硬壳表面被气体顶起并与下部未凝固的钢液脱离接触，表现出冒口外凸及液态金属上涨的现象。从图2中也可以观察到冒口表层金属出现鼓包的现象。由此可知，大量的气体无法从冒口顶部及模型孔隙中排出，使得铸件及直浇道上形成大面积的气孔。另外，在直浇道中部出现大量的缩孔缩松现象，表明该部位凝固方式为糊状凝固，冒口凝固先于直浇道中部位置凝固，冒口部位对该部位的补缩作用不充分。此外，在直浇道与试棒交接处的横浇道位置存在大量的缩孔，表明液态合金在此处凝固较晚，此处凝固时无外来液态合金进行补缩而形成大量缩孔。进一步分析发现此处为凝固热节部位，热节是一种在铸造过程中产生的效应，即由于铸型结构、铸件结构和铸造工艺参数等条件的影响，液态合金在模型型腔内各点的熔融状态和凝固时间是不相同的，热节是铸件内的一个节点或一个区域其比周围金属凝固缓慢，是最后冷却凝固的地方。横浇道部位为最后凝固的部位，表明横浇道填充型腔的补缩通道是最后凝固部位，横浇道通畅，对周围铸件的补缩良好，另外，观察铸件无浇不足现象，进一步说明横浇道充型作用良好。铸件的表面轮廓清晰，完整，表明液态金属的流动性和充型能力良好。

2 缺陷分析和制定解决措施

针对气孔和缩孔缺陷，现采取以下方式:

(1)降低模型壁的激冷作用，使铸件最外层的冷却速度降低，以利于钢液中的气体排出。浇注前将熔模熔模型放入热处理炉中进行300～400℃的高温烘烤，减小浇注过程中熔模模型与液态金属之间的温差，降低型壁对液态金属的激冷作用，使液态金属和模型壁发生热作用、物理化学作用时产生的水分、烧结的粘结剂气体和从钢液中析出的氮气能够从熔模型壁的小孔隙内排出。

(2)采用顺序凝固方式，使铸件底部最先凝固，依次朝向冒口的方向凝固，保证冒口部位钢液在液态下的时间最长，以利于气体从冒口及时排出及增强冒口补缩能力。浇注完成后将钢液连同熔模模型埋入湿砂床上，然后从下朝上缓慢喷洒水使铸件进行快速强制的顺序冷却凝固，让远离冒口的铸件底部最先凝固，冒口最后凝固，加强冒口的补缩、排气功能，使最后凝固的缩孔缩松部位移动至冒口位置。

采取降低模型壁的激冷作用和喷水强制顺序凝固方式后浇注出的铸件如图3所示，3根试棒表面光滑、无缩孔、缩松和气孔等铸造缺陷，冒口顶部内陷，缩孔缩松集中在冒口位置。所得试样采用直读光谱仪进行成分检测，其成分都在要求范围之内，见表1所示，其中氮含量为0.51%，属于高氮钢。

图3 浇注冷却后的铸件(b为清理熔模模型后的铸件)

表1 高氮不锈钢材料化学成分(质量分数)/%

3 结论

实验室采用氮化合金制备高氮钢时，从液态合金中析出的氮气，难以从铸件已经凝固成软壳层的表面及表面带有硬壳的冒口顶部排出，熔模模型的排气能力、冒口的补缩和排气能力受限，铸件容易出现气孔、缩孔和缩松等缺陷。采用浇注前高温烘烤模型和浇注后模型埋湿砂法、喷水强制凝固法，使得液态合金与型壁之间的温差降低、冒口补缩作用增强，气体能够及时排出和实现顺序凝固方式，解决了铸件的气孔、缩孔和缩松问题，制备出合格的高氮钢。