Azot zawarty w nawęglaniu ma istotny wpływ na właściwości żeliwa szarego. Ten wpływ to miecz obosieczny-wymagający precyzyjnej kontroli.
Ogólnie rzecz biorąc, azot jest elementem wzmacniającym żeliwo szare, ale jego nadmierne ilości mogą prowadzić do wad. Mechanizm jego oddziaływania i przejawy są następujące:
I. Pozytywne działanie azotu (zalecany zakres: 70-120 ppm)
1. Wspomaga tworzenie perlitu, poprawiając wytrzymałość i twardość:
• Azot stabilizuje austenit, obniża temperaturę przemiany perlitu i zwiększa udział perlitu w strukturze odlewu-, poprawiając odstępy międzylamelarne.
• Prowadzi to bezpośrednio do poprawy wytrzymałości na rozciąganie, twardości i odporności na zużycie żeliwa szarego. Zazwyczaj na każde 10 ppm wzrostu azotu wytrzymałość na rozciąganie może wzrosnąć o około 5-10 MPa.
2. Uszlachetnia grafit:
• Azot nieznacznie hamuje wzrost grafitu, w wyniku czego powstają drobniejsze i bardziej równomiernie rozmieszczone płatki grafitu. Drobny grafit typu A- korzystnie wpływa na poprawę właściwości mechanicznych.
3. Redukcja ferrytu: Azot rozpuszczony w ferrycie zniekształca jego sieć krystaliczną, zwiększając twardość, ale zmniejszając plastyczność. Dlatego azot ma tendencję do zmniejszania zawartości ferrytu w-mikrostrukturze odlewu, promując osnowę perlitową.
4. Interakcja z tytanem - „Wiązanie azotu”:
• Żeliwo szare często zawiera śladowe ilości tytanu (Ti). Tytan ma duże powinowactwo do azotu, tworząc preferencyjnie bardzo drobne cząstki TiN o wysokiej-temperaturze topnienia-.
• Te cząstki TiN mogą działać jako zarodki tworzenia grafitu, zwiększając szybkość zarodkowania grafitu i dodatkowo udoskonalając mikrostrukturę grafitu, co jest korzystne dla wydajności.
• Nadmiar azotu występuje w postaci wolnego azotu tylko wtedy, gdy tytan zostanie całkowicie „zużyty”.
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm lub w przypadku braku równowagi z aluminium/tytanem)
1. Wywoływanie „porowatości/pęknięć indukowanych azotem”:
• Jest to najbardziej znacząca i niebezpieczna wada.. 1. **Rozpuszczalność azotu gwałtownie spada na późniejszych etapach krzepnięcia żelaza (rozpuszczalność w stałym żelazie jest znacznie niższa niż w ciekłym żelazie):** Przesycony azot wytrąca się i tworzy pęcherzyki.
• Pęcherzyki te często występują na granicach eutektycznych, objawiając się porami podskórnymi lub wewnętrznymi szczelinami-porami, które poważnie zmniejszają gęstość i wytrzymałość odlewu i mogą powodować wycieki podczas prób ciśnieniowych.
2. **Zwiększona kruchość i zmniejszona skrawalność:**
• Nadmiar wolnego azotu rozpuszczonego w ferrycie poważnie zwiększa odkształcenie sieci, prowadząc do kruchości materiału i zmniejszenia udarności.
• Zbyt duża twardość i kruchość odlewu utrudnia obróbkę, przyspiesza zużycie narzędzi i pogarsza jakość obrabianych powierzchni.
3. **Ryzyko „tworzenia się grafitu szczelinowego”:**
• W przypadku nadeutektycznego żeliwa szarego o wysokim równoważniku węgla (wysoka wartość CE) nadmiar azotu jest jedną z głównych przyczyn powstawania grafitu typu D-/Widmanstättena lub jeszcze bardziej poważnych pęknięć.
• Taka morfologia grafitu powoduje poważne pęknięcia osnowy, co prowadzi do gwałtownego pogorszenia wytrzymałości, przewodności cieplnej i obrabialności.
III. Strategie kontroli i zalecenia w produkcji
1. Preferuj środki nawęglające o niskiej-NOx: w przypadku kluczowych komponentów i cienkościennych-części o wysokiej-wytrzymałości (takich jak bloki silników samochodowych i głowice cylindrów) należy stosować grafitowane środki nawęglające o niskiej-NOx w celu kontrolowania dopływu azotu u źródła.
2. Monitorowanie i równoważenie:
• Regularnie sprawdzaj zawartość azotu w roztopionym żelazie (zwykle za pomocą analizatora przewodności cieplnej).
• Jednocześnie analizuj zawartość tytanu (Ti) i aluminium (Al). Aluminium wiąże również azot (tworząc AlN), ale jest mniej stabilne niż TiN. Zrozumienie stosunku Ti/N jest ważne, aby zapewnić wystarczającą ilość tytanu do związania azotu (idealny azot łączony).
3. Kontroluj złom stalowy: Unikaj stosowania złomu stalowego z nieznanych źródeł, który może zawierać duże ilości azotu.
4. Kontrola procesu: Unikaj nadmiernego mieszania i długotrwałego trzymania stopionego żelaza w wysokich temperaturach, aby zmniejszyć absorpcję azotu.
5. Zakres docelowy: W przypadku zwykłego żeliwa szarego kontrolowanie zawartości azotu do 80-120 ppm jest bezpieczne i korzystne. W przypadku żeliwa szarego o wysokiej wytrzymałości (takiego jak GJL-300 i wyższe) zawartość azotu powinna być kontrolowana w pobliżu górnej granicy tego zakresu, aby wykorzystać jego działanie wzmacniające. Absolutnie unikać przekraczania 150 ppm.
Wniosek: w nowoczesnych procesach-wytapiania złomu wybór środków nawęglających bezpośrednio determinuje poziom zawartości azotu w roztopionym żelazie. Aktywne zarządzanie azotem jako kluczowym „pierwiastkiem stopowym” poprzez stosowanie surowców o niskiej-azocie, monitorowanie składu i utrzymywanie rozsądnej równowagi Ti/N jest niezbędne, aby w pełni wykorzystać jego działanie wzmacniające, wyeliminować defekty powodowane przez azot i konsekwentnie produkować wysokiej-jakości części z żeliwa szarego.
