氮在高铬铸铁中的行为

将过回火后的试样进行电解，然后将未电解的 残渣进行ｘ射线衍射，其结果如图５所示：
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图５ ｘ射线衍射曲线 由图５可以看出，在曲线上有ＶＮ和Ｃｒ２Ｎ的衍
射峰，但由于主相（Ｃｒ，Ｆｅ），Ｃ，与氮化物的峰值相重 迭，氮化物不能很明确的确定，但根据化合态的氮含 量可确定一定有氮化物存在。根据Ｖ的性质和行 为，可确定有ＶＮ存在。
由于氮的加入细化了晶粒，从而使高铬铸铁的 硬度和断裂韧性都增加。 ２ 固溶态的氮在高铬铸铁中的作用
氮是扩大Ａ区元素，氮对Ｆｅ—ｃｒ系平衡相图 的影响如图３所示ｏ ７｜。在铸铁中氮含量在一定范围 内变化，氮在仪一Ｆｅ中的溶解度为０．１％，在１一Ｆｅ 中的溶解度为２．８％＿２ｊ。氮在铸铁中的溶解度是随 温度的增加而增加的，特别是在溶点温度附近，溶解 度变化更大埔。。高温下氮溶解在铁水中，氮在铸铁 中溶解度随一些合金元素的高低而变化，如图４所 示∽１。加少量的Ｖ、Ｔｉ就可以大大提高氮在铁水中 的溶解度，Ｃｒ、Ｍｎ也增大铁水中氮的溶解度，但不如 Ｖ、Ｔｉ，如在含１２％～３０％Ｃｒ的钢中，氮含量可达０． １％～０．６％¨…；Ｎｉ对氮的溶解度没影响，而Ｓｉ、Ｃ则 大幅度降低氮在铁水中的溶解度，由于高铬铸铁中含
出的化合态氮含量和固溶态氮含量见表２：
表２化合态氮含量和固溶态氮含量
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图３氮对Ｆｅ—Ｃｒ系平衡相图的影响
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图４铁基合金的含氮量与合金元素间的关系
注：取样条件：１、２、３为高温Ｆ从液态铁水中抽吸水浑，４为淬火 同火后的试样，过同火试样将热处理后的试样又进行一次６００。Ｃ／３ｈ 的回火处理后的试样。
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０前言 从组织上看，氮加入到高铬铸铁中，使晶粒细
化…，氮加入量较大时，使铸态硬度增加较多。氮 是形成和稳定奥氏体Ａ的元素，它使整个等温曲线 右移，提高淬透性。随氮含量的增加，又使硬度和断 裂韧性值发生变化，这些都与氮在高铬铸铁中的行为 有关。 １ 氮化物在凝固过程中的核心作用
氮属于扩大Ａ区元素，与Ｖ、Ｔｉ等元素亲合力 较大，很容易与Ｖ、ｃｒ、Ｆｅ等形成氮化物。由于氮化 物的熔点都很高，且属于硬质点，见表１，它们在高 温时形成氮化物，当共晶凝固时，在高温下形成的氮 化物质点能作为结晶核心，从而使晶粒细化。
表１氮化物的熔点和硬度‘２１
形态（一次轴变短，二次轴变粗，枝晶数量增多且呈 无方向性分布）、石墨的大小和分布（抑制Ｄ型石 墨，增加Ａ型石墨，Ａ型石墨变细、变小，分布均匀， 尖端钝化）、共晶团的数量（细化、增多），而且改变 了基体中珠光体的数量和分散度（增多、细化）∞Ｊ。
为了考察液态下高温时氮化物的形成，用石英管 从液态铁水中抽吸出铁水，投入水中激冷，再通过电解 液将基体电解掉，对剩余的残渣进行ｘ射线衍射，发现 有Ｃｒ的氮化物Ｃｒ２Ｎ，Ｘ射线衍射结果如图１所示：
氮对凝固过程也产生影响，研究结果表明ＨＪ： 随氮升高，共晶转变的最高和最低温度都升高，且其 相对过冷度减小。这一趋势达一定程度后，又出现 相反的结果，即当氮含量增大到一定数值（＞３５０× ｌＯ娟）后，再增加氮，共晶转变温度Ｔｅｒ、Ｔｅｕ又趋于 降低，过冷度△Ｔ６增大，从而使组织细化。氮在 １７％Ｃｒ钢中，也能显著地改变铸锭的组织，使穿晶 减少Ｈ。。氮在灰铸铁中不仅改善了初生Ａ枝晶的
图１ Ｘ射线衍射曲线
从Ｆｅ—Ｃｒ—Ｎ和Ｃ—Ｃｒ—Ｎ三元相图可以看
到∞Ｊ：Ｃｒ２Ｎ是相图的主要相，小于４．５％Ｃ时，Ｃｒ２Ｎ 有六方的结构，晶格常数为ａ＝４．８３～４．８５Ａ，Ｃ＝ ４．４８—４．４５Ａ，Ｃｒ２Ｎ作为结晶核心使组织明显细化， 高温铁水淬火的组织如图２所示。由于高温激冷， 组织明显细化，碳化物的形态仍为菊花状，但很细 小。从铸态组织也可看出，铸态下的组织是由放射 状分布的共晶团组成，共晶团中心组织细密，而周边 碳化物则较粗大，其原因就是开始结晶时，由于
从表２可以看出，氮加入量越多，残留量也越 多，化合态和固溶态的氮也都增多，但固溶态的氮量 增高较多，说明初晶时，Ａ中是富集有较多的氮的， 化合态的氮仅是在高温液态下形成的一小部分氮化 物；当经过高温淬火和５００。Ｃ的回火后，其化合氮的
河南冶 金
２００７年增刊
含量有所增加，说明固溶在Ａ中的氮在热处理时会 以氮化物的形态析出，从而使固溶在Ａ中的氮含量 减少，而析出的氮化物细小弥散，可能阻止在加热过 程中的晶粒长大，从而保证热处理后组织仍较细小， 若将５００。Ｃ回火后的试样进行一次过回火，即在使 硬度大大降低的回火温度下回火，则会有氮化物进 一步析出，化合态Ｎ含量大大增加。
ｖＮ（固）：ｖ＋Ｎ ｌｇｋ：一７１０７ｒ０＋２．２７
Ｎ，一Ｆｅ：寻Ｎ２（气）ｌｇｋ：一竿＋１．９６
．．．ＶＮ：Ｖ＋丢Ｎ２（气）ｌｇＶｔ甏２：一罕＋４．乃．
即在１２００℃和０．１３５％Ｖ时，氮分压为１个大 气压，氮化钒很容易被破坏。这是在液淬试样中未 发现ＶＮ的原因。
由于氮的原子半径较小，ｒＮ＝０．７１Ａ，氮的粒子
钒在Ｆｅ中与氮的亲合力较强，ＶＮ在１一Ｆｅ中 的溶度积为：
ｌｇＶＮ：一７、０７ｒ０＋２．２７
ｌ
尽管Ｃｒ、Ａ１等元素对氮有很强的亲合力，但按 固态中生成氮化物的能力看，Ｖ比这些元素强。在 ８００。Ｃ和１６００。Ｃ时，Ｖ的活度系数分别为０．１５和０． １８¨２｜。因此，当Ｖ的含量较低（１０—２～１０—１％） 时，它能够与氮反应生成氮化物相，对固态铁中氮化 钒生成的热力学条件测定表明口２｜：在温度７５０～ １２００℃和Ｖ的浓度为０．０４２～０．４８％范围内，当Ｖ 的浓度较小、氮压较低的情况下，已具备了生成氮化 钒的必要条件。但在液态下，只有当Ｖ和Ｎ浓度很 高时，才能生成ＶＮ。ＶＮ与气态氮平衡存在的条件 为：
氮浓度／液相氮浓度。故其分配系数大于１，共晶凝 固时，剩余液相中的氮均被卷人共晶中，说明首先是
富集在初生Ａ中，共晶时的氮含量小于初生Ａ中的
氮含量，最后凝固的组织中氮含量偏低。因此，初生
Ａ在结晶时很稳定，一直保持到室温，而共晶的Ａ 则在随后的冷却过程中，析出部分二次碳化物，然后
转变为Ｍ，使铸态下的硬度提高。
１）由于氮的活度大，故ｃ、ｓｉ含量增加会减少
氮的饱和量；
２）Ｃ和Ｍｎ的数量几乎不影响氮的吸收速度，
而含ｓｉ量增多会增加氮的吸收速度； ３）Ｐ不影响氮的饱和量，但会减少吸氮速度； ４）Ｓ显著地减小吸氮速度，对氮的溶解度基本
无影响；
５）在１３０００Ｃ，ＭｎＳ不影响吸氮速度。
由此可见，许多因素都影响氮的饱和含量和氮 的吸收速度，本实验中各炉次氮的加入量和残留量 见表３，各炉次中氮的吸收率见表４：
管的结构要求也不同，短小轧辊填芯铁水流经距离 短，浇注速度易保证，出现结合不良的几率要小一 些。大而长的轧辊，由于填芯铁水量大，浇注速度不 保证，降温大，而且铁水自由｝、‘落的路程长，铁水易 出现雨淋现象，粘附内表，导致多种缺陷。这两个问 题必须从浇口大小、形状，浇注过程控制上加以控制， 否则结合不良的概率会增加，轧辊使用事故率大大增 加。不同的轧辊填芯速度控制必须结合生产经验确 定，在实践中修定，是保证适合的熔合量的关键。 ３ 结语
２００７年增刊
河南冶金
图２高铬铸铁的激冷组织
ｃｒ：Ｎ等氮化物的核心作用，使先结晶的碳化物较细 小，碳化物周边比较迅速的凝固，因此，形成了细小 的放射状共晶团，迅速凝固伴随着结晶潜热放出，故 共晶周围的铁水将暂停降温，随后的残液共晶发育 方向紊乱了，并因缓冷和二次形核作用，使随后形成 的碳化物颗粒尺寸较大。
粒的作用较强烈。 含氮铁水凝固时，氮和其它元素一样，被分配在
液相和初生Ａ之间，氮的分配系数（Ａ相中氮溶解 度／液相中氮溶解度）在高温和低温是不同的，高于
１３２０℃，氮排出到液相中，低于这个温度，则浓缩于 Ａ中Ｈ¨。从液相析出Ａ后，共晶凝固继续进行，但
这时共晶成分的剩余液相中氮被分配在液相和共晶 之间，作为氮的液相一共晶问的分配系数，可用液相 氮浓度除共晶氮浓度的商来表示，即分配系数：共晶
２００７年 ９月 第１５卷增刊
河南冶金
ＨＥＮＡＮ ＭＥＴＡＩ工ＵＲＧＹ
Ｓｅｐ． ２００７ Ｖ０１．１５ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ
氮在高铬铸铁中的行为
甘宅平
（武汉钢铁（集团）公司）
摘要介绍了氮在高铬铸铁中的作用，特别是氮在液态凝固过程中和固态热处理过程中的行为。分析了影响氮的 吸收因素和氮的吸收率。 关键词氮高铬铸铁作用吸收率
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ｃｒ量较高，同时有部分Ｖ、Ｍｎ，在原料中还会带人少
量的Ｔｉ，所以使氮在铁水中的溶解度大大提高。因
此，当氮含量较少时，氮主要以不饱和的形式溶解在
铁水中，而很少以气泡的游离态或以化合态存在，使
氮化物质点较少，从而作为核心的作用较小，只有当 氮加人量较高时，才能使氮化物的质点较多，细化晶
ＢＥＨＡⅥｏＵＲ ｏＦ ＮＩＴＲｏＧＥＮ ＩＮⅢＧＨ ＣＨＲＯＭＩＵＭ ＣＡＳＴＩＲｏＮＳ
Ｇａｎ Ｚｈａｉｐｉｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ。，Ｌｔｄ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｈｉｇｈ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｃａｓｔ ｉｒｏｎｓ Ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｔ—ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ｅａｓｔ ｉｒｏｎ．Ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｗｅｒｅ ａｎ—
高镍铬离心复合轧辊裂纹、剥落是使用中的主
要问题点。导致问题出现的原因有五个方面的问 题。要解决好这些问题，必须从原材料管理人手，控 制好铁水熔炼、离心铸造过程。针对不同直径大小、 不同长度、不同使用要求的轧辊制定出合理的生产 工艺，在实践中不断完善，一定能有效的控制住裂 纹、剥落问题。 ４参考文献
［１］王殿刚，杨和林．铸造铁辊生产．北京：冶金工业出版社，１９８８：
常常排在面心立方晶格的结点间，结点间原子的相
互作用对机械性能的主要影响在于，它们密集在位
错上阻止位错运动，起到了强化作用，然后在位错上
生成氮化物相的可以作为强化相的晶核。问隙原子与
位错的相互作用相当于降低杂质活度的合金元素的 作用，在位错处，杂质的浓度具有极限值，当杂质浓 度大于热力学平衡浓度时，上述作用能使氮化物从
氮扩大Ａ区的作用与Ｃ相似，为Ｎｉ的２０
倍＂Ｊ。氮使ｃ曲线等温转变的孕育期延长，使转变 过程进行变慢，使ＭＳ点降低，对提高淬透性很有
效，由于高铬铸铁Ａ中饱和Ｃ、Ｃｒ、Ｎ，则淬火时会有 部分Ａ不转变，这是为什么当热处理后，氮使热处
理硬度下降的原因。氮含量越高，初生Ａ中富集的
氮越多，从而Ａ越稳定，硬度越低，通过化学分析得
２９７—３１０，３３３—３３８．
［２］ 文铁铮，郭玉珍．冶金轧辊技术特性概论．石家庄：河北科学技 术出版社．１９９５：６４—７４．
Ｃ卜－Ｆｅ中含有较高的氮，常见到铬铁断面都是 蜂窝状，即说明ｃｒ—Ｆｅ中气体含量较高。当氮加入 量为０．１５％时，氮的吸收率为６４．ｏ％、６７．７％、 ８７．５％，此时氮的吸收率还是较高的。当氮加入量 为０．２５％时，其收得率为３６．８％、５５．６％、６５．２％， 由此可见，氮加入量越高，氮的收得率越低，氮加入 量０．０５％时，尽管全部吸收了，但总氮含量还是较 低，未能达到饱和，氮加入量为０．２５％时，吸收率又 太低。因此，在考虑氮加入量时，应考虑到氮的吸 收，以免浪费太大，氮的吸收率和残留量之间的关系 见如图６所示：
表３氮的加入量和残留量
％
炉次
Ｎ的吸收率
炉次
Ｎ的吸收率
由表可知，氮的加入量为０．０５％时，吸收率分
别为１３６％、１５０．４％、１４７．８％，都有增氮的现象，说
明原料中含有一部分氮，从不加氮的第１０炉化验出
原生铁中含氮量为０．００２％，即为证明。一些原料
中的含氮量见表５：
（下转第８０页）
河南 冶 金
２００７年增刊
过饱和溶液中析出。
因此，在热处理过程中析出的ＶＮ和液态中析
出Ｃｒ：Ｎ，可以作为弥散强化剂存在予高铬铸铁中， 阻止晶粒的长大，提高抗回火能力，有利于高温性能 的提高，对提高轧辊使用寿命将起一定的作用。
３ 影响氮的吸收因素和氮的吸收率
文献［１３］用Ｆｅ—ｃ和Ｆｅ—ｃ—ｓｉ合金来研究ｃ、 Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及ＭｎＳ对氮的吸收的影响，其结论如下：