防止在高铬钢中产生氮气孔

刘风雷

（温州开诚机械有限公司,浙江温州325000）

摘要：当氮在金属液中的含量超过了200ppm的时候，气孔缺陷就成了不锈钢和镍硬件铸件中的一个问题。强氮化物形成元素（例如锆）已经被用来以氮化物的形式来固定金属液中的溶解的氮。这样就防止了铸件中产生气孔，而对铸件的力学性能没有多大的影响。由于奥氏体晶界氮化铝的析出而使钢易于产生石状（沿晶界）断口的问题，也可期望通过加入锆以获得改善。

关键字：高铬钢 氮气孔

引言：

就氮转移的动力学和氮的溶解度而言，在不锈钢中的铬增加了钢液对氮的亲和力（图1）。当金属液中的溶解氮含量超过了200ppm，（大气压下，氮在γ-铁中的溶解度极限）的时候，铸件容易产生氮气孔。图2就是一个镍硬铸件表面有气孔的例子，它是由于在凝固过程中氮的析出而形成的。在铝镇静的钢水中，铸件也可能因晶界析出而出现石状断口（由在奥氏体晶界析出氮化铝而造成的）。

在用电弧炉炼钢的时候，碳氧化沸腾或吹氩可使氮含量快速减少，对于强碳氧化沸腾，其速度可达每分钟减少12ppm的氮；对于吹氩气净化来说，每分钟能减少5-7ppm的氮。但是，对于在感应炉中炼制的钢来说，除氮不是那么容易的。在这些钢中，以前熔炼时产生的回炉料（内部产生的废料）是氮的一个重要来源。因此上述原因，可以限制回炉料的利用。

在凝固前或凝固过程中，利用强氮化物形成元素（例如锆，钛），溶解在钢液中的氮就能以氮化物的形式被固定住。MTL与Highland Foundry，Surrey，BC合作，研究了CA6NM铸造合金控制氮的方法。合金CA6NM是一种含铬13%、镍4%、钼0.5%、碳0.06%（最大值）的马氏体不锈钢，用于制造要求具有抗腐蚀性、高强度和韧性的结构件。这种材料在感应电炉熔炼时容易产生氮气孔。

图1：在1600℃下，氮在铁-铬-镍钢液中的溶解度。

实验结果：

CA6NM钢水用来自Highland Foundry的回炉料熔制，只需添加少量合金用来弥补合金的损耗。通常，炉料中配合50%的回炉料，就足以循环利用一个工厂的所有回炉料。按照这个比例，Highland Foundry遇到了间歇性产生氮气孔的问题。在MTL，决定用100%的回炉料，因为这是一个严格的测试，以确定这些氮化物形成添加元素是否为解决这个问题做出了重大改进。因为在用50%的回炉料时，这个问题是间歇性的，用50%的回炉料，就必须铸造大量的铸件，才能用统计方法判定氮化物形成元素的积极作用。

钛和锆的比较：

图3显示了CA6NM钢水中溶解氮含量和溶解的钛或锆含量的计算平衡，其使用的数据来源于参考文献4-6。钢液中含量为0.1-0.2%的氮化物形成元素能把溶解的氮含量限制到0.02%。因此，加入下列氮化物形成元素来铸造两分支基尔试块（ASTM B208，底部开浇口）。

HL1——不加钛或锆

HL2——在包中加0.3%的钛

HL3——在包中加0.3%的锆

HL4——在包中加0.2%的锆和0.1%的钛

为了使固氮元素的实效率最佳，先在炉中用0.08%的铝，使钢液脱氧镇静，然后在浇包中插入用AL箔包裹的固氮剂。切断基尔试块，自支腿底部截取薄片样品，样片示于图4中。没有加氮化物形成元素的基尔试块有气孔缺陷，见HL1。另一方面，加Ti和Zr，或只有Ti不加Zr的，在底注基尔试块，浇口对面一侧表面附近都有针缺陷。虽然产生这种情况的原因还没有被研究，但它有可能是氢气孔，因为在有潮湿的条件下，钛会使钢对这种气孔缺陷敏感。因此，用锆（在FeSiTi40%中每千克钛37美元相对在FeSiZr35%中每千克锆美元）处理钢水需要更深入的研究。

图3：在有钛或锆的情况下，氮在CA6NM中的溶解度。

锆对力学性能的影响：

图5所示的力学性能是由按Highland厂的工艺处理的试样测定的：1040℃正火+680℃回火+620℃回火。在加锆0.1%时，对性能没有明显的影响。在锆含量更高时（0.3%），就对冲击韧度产生了不利影响。在室温下，冲击韧度从70J降到了40J；在零下46℃时，冲击韧度从30J降到了20J。

用光学显微镜和扫描电子显微镜所做的金相检测表明大小只有5微米，甚至更小的解形ZrN粒子（图6）。它们是散乱分布的，不限于任何晶界上。

图5：锆含量对CA6NM材料铸件的力学性能的影响。散布在含0.07%锆附近的各点相当于锆加入量0.1%。

最佳的锆含量

发现加锆量0.1%就足以防止氮致气孔的产生，且锆的回收率在50-70%之间。经处理的铸件氮含量高，从而250ppm到700ppm。但是铸件并没有气孔。

我们已经知道大截面更容易产生气孔。为了确定锆在大截面中的有效性，用顶浇注浇注15cm的立方体，其冒口直径为18cm，高为18cm（表1）。出乎意料的是在这些铸件上的气孔总是余留在冒口内，靠近缩口处，以裂隙状态出现（图7）。而加入锆处理的作用是使气孔部位变小了。

图7：经锆处理过的和未经锆处理的CA6NM立方铸件的示意图