Nitrogen dalam agen pengkarbonan mempunyai kesan yang ketara ke atas sifat besi tuang kelabu. Pengaruh ini ialah -pedang bermata dua dan memerlukan kawalan yang tepat.
Secara umumnya, nitrogen ialah unsur pengukuhan dalam besi tuang kelabu, tetapi jumlah yang berlebihan boleh menyebabkan kecacatan. Mekanisme pengaruh dan manifestasinya adalah seperti berikut:
I. Kesan Positif Nitrogen (Julat yang disyorkan: 70-120 ppm)
1. Menggalakkan pembentukan perlit, meningkatkan kekuatan dan kekerasan:
• Nitrogen menstabilkan austenit, merendahkan suhu penjelmaan pearlit dan meningkatkan perkadaran pearlit dalam struktur sebagai-tuang, memperhalusi jarak antara lamellar.
• Ini secara langsung membawa kepada peningkatan kekuatan tegangan, kekerasan dan rintangan haus besi tuang kelabu. Biasanya, untuk setiap peningkatan 10 ppm dalam nitrogen, kekuatan tegangan boleh meningkat kira-kira 5-10 MPa.
2. Menapis grafit:
• Nitrogen sedikit menghalang pertumbuhan grafit, menghasilkan kepingan grafit yang lebih halus dan teragih seragam. Grafit jenis A-halus bermanfaat untuk memperbaik sifat mekanikal.
3. Pengurangan Ferit: Nitrogen yang dilarutkan dalam ferit memesongkan kekisi kristalnya, meningkatkan kekerasan tetapi mengurangkan keplastikan. Oleh itu, nitrogen cenderung untuk mengurangkan kandungan ferit dalam struktur mikro sebagai-tuang, menggalakkan matriks pearlit.
4. Interaksi dengan Titanium - "Nitrogen Fixation":
• Besi tuang kelabu selalunya mengandungi jumlah surih titanium (Ti). Titanium mempunyai pertalian yang kuat untuk nitrogen, lebih disukai membentuk-takat lebur-tinggi, zarah TiN yang sangat halus.
• Zarah-zarah TiN ini boleh bertindak sebagai nukleus untuk pembentukan grafit, meningkatkan kadar nukleasi grafit dan memperhalusi lagi struktur mikro grafit, yang memberi manfaat kepada prestasi.
• Nitrogen berlebihan hanya wujud sebagai nitrogen bebas apabila titanium "dimakan" sepenuhnya.
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm, atau apabila tidak seimbang dengan aluminium/titanium)
1. Mengakibatkan "Nitrogen-Keliangan/Retakan":
• Ini adalah kecacatan yang paling ketara dan berbahaya. 1. **Keterlarutan Nitrogen Menjatuh Dengan Mendadak dalam Peringkat Pemejalan Besi Kemudian (Keterlarutan dalam Besi Pepejal Jauh Lebih Rendah Daripada Besi Cecair):** Mendakan nitrogen supertepu dan membentuk buih.
• Gelembung ini selalunya wujud pada sempadan eutektik, nyata sebagai liang subkutan atau fisur dalaman-seperti liang, mengurangkan ketumpatan dan kekuatan tuangan dengan teruk dan berpotensi menyebabkan kebocoran semasa ujian tekanan.
2. **Meningkatkan kerapuhan dan Keupayaan Pemesinan yang Dikurangkan:**
• Nitrogen bebas yang berlebihan terlarut dalam ferit memburukkan herotan kekisi dengan teruk, membawa kepada kekosongan bahan dan mengurangkan keliatan hentaman.
• Kekerasan dan kerapuhan yang terlalu tinggi dalam tuangan menyukarkan pemesinan, mempercepatkan haus alatan dan merosot kualiti permukaan mesin.
3. **Risiko "Pembentukan Fissure Graphite":**
• Dalam besi kelabu hipereutektik bersamaan karbon tinggi (nilai CE tinggi), nitrogen yang berlebihan ialah salah satu punca utama grafit jenis D-/Widmanstätten atau grafit patah yang lebih teruk.
• Morfologi grafit ini memecah matriks dengan teruk, membawa kepada kemerosotan mendadak dalam kekuatan, kekonduksian terma dan kebolehmesinan.
III. Strategi Kawalan dan Cadangan dalam Pengeluaran
1. Lebih suka Ejen Pengkarbonan NOx-Rendah: Untuk komponen kritikal dan bahagian-berdinding nipis,-tinggi (seperti blok enjin automotif dan kepala silinder), ejen pengkarburan bergrafit NOx yang rendah mesti digunakan untuk mengawal input nitrogen pada sumber.
2. Pemantauan dan Pengimbangan:
• Sentiasa menguji kandungan nitrogen besi cair (biasanya menggunakan penganalisis kekonduksian terma).
• Secara serentak menganalisis kandungan titanium (Ti) dan aluminium (Al). Aluminium juga membetulkan nitrogen (membentuk AlN), tetapi ia kurang stabil daripada TiN. Memahami nisbah Ti/N adalah penting untuk memastikan titanium mencukupi untuk menetapkan nitrogen (nitrogen gabungan yang ideal).
3. Kawal Bahan Mentah Keluli Sekerap: Elakkan menggunakan keluli sekerap daripada sumber yang tidak diketahui yang mungkin mengandungi tahap nitrogen yang tinggi.
4. Kawalan Proses: Elakkan kacau berlebihan dan pegangan besi cair yang berpanjangan pada suhu tinggi untuk mengurangkan penyerapan nitrogen.
5. Julat Sasaran: Untuk besi tuang kelabu biasa, mengawal kandungan nitrogen kepada 80-120 ppm adalah selamat dan bermanfaat. Untuk besi tuang kelabu berprestasi tinggi (seperti GJL-300 dan ke atas), kandungan nitrogen harus dikawal berhampiran had atas julat ini untuk menggunakan kesan pengukuhannya. Elakkan sama sekali melebihi 150 ppm.
Kesimpulan: Dalam proses peleburan berasaskan skrap moden-, pemilihan agen pengkarburan semula secara langsung menentukan tahap kandungan nitrogen besi cair. Mengurus nitrogen secara aktif sebagai "elemen pengaloi" utama melalui penggunaan-bahan mentah nitrogen yang rendah, komposisi pemantauan dan mengekalkan keseimbangan Ti/N yang munasabah, adalah penting untuk merealisasikan sepenuhnya kesan pengukuhannya, menghapuskan kecacatan yang disebabkan oleh nitrogen dan secara konsisten menghasilkan-bahagian besi tuang kelabu berkualiti tinggi.
