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21-4N钢氮含量的控制

时间:2014-10-11 17:31 来源:钢铁技术 作者:admin 点击:

  53Cr21Mn9Ni4N(简称21-4N)是目前世界各国用来制造发动机气门的主要钢种,它是以奥氏体为基体,以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布,以获得足够的高温强度、韧性、硬度、耐磨性以及冷热交变条件下组织的稳定性、抗氧化性和耐氧化的腐蚀性。

某公司采用“新三步”法(合金液+低磷钢水→AOD吹炼)冶炼21-4N钢。入AOD炉的钢水温度为1460~1500℃。脱碳期全程主枪氮气流量≥10Nm3/min,即只能将氮气流量调大,不能调小。氧气最大流量25Nm3/min。根据脱碳的进程及钢水温度,改变氧气流量,达到“脱碳保铬”的目的。生产的21-4N的化学成分见下表。
表1  21-4N钢的化学成分(质量分数,%) 
 
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
Al
Cu
国标
0.48~0.58
≤0.35
8.00~10.00
≤0.040
≤0.030
20.00~22.00
3.25~4.50
0.35~0.50
-
≤0.30
内控
0.50~0.54
0.15~0.35
8.00~8.60
≤0.025
≤0.005
20.00~21.00
3.25~4.00
0.40~0.46
0.010~0.020
≤0.30
                                         
对21-4N气门钢氮气合金化的工业化生产实践表明:
    (1)氮在钢液中的溶解度除受氮分压影响外,还受合金元素及温度的影响。与氮亲和力强的元素从强到弱依次为Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mn等。即如果合金元素与氮的亲和力强,氮在钢液中的活泼程度下降,氮的活度减小,氮含量增加。
    (2)“脱碳保铬”期在主枪氮气流量≥10Nm3/min情况下搅拌钢液,氧化终点的氮含量能达到0.135%。
    (3)AOD炉预还原期间氮气流量增大到14Nm3/min,扒渣时氮含量可以增大到0.37%左右。
    (4)AOD精炼期间,随着钢水温度的下降,仍然采用14Nm3/min的氮气流量搅拌钢液,出钢前氮含量可控制在0.455%~0.475%之间。
    (5)LF炉只能底吹氩气搅拌钢液,促使氮离子呈弥散形式均匀分布到C-Cr-Mn-Ni的晶界中去,形成稳定的基体组织。LF炉需加入氮化铬稳氮,确保LF炉出钢氮含量稳定在0.43%~0.46%之间。
    (6)21-4N气门钢中,氮与强氮化元素铬、锰结合成了稳定的氮化物,大大降低了氮的活度。并且氮的原子半径大,扩散系数小,因此,真空处理时脱氮率只有0~10%。VD处理时,有效真空时间为8~10min时,氮含量基本不减少。