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为什么要测试钢铁中氧、氮、氢含量?

一、为什么要测试钢铁中氧、氮、氢含量:即氧、氮、氢对钢铁产品的危害或作用。

1、氧的危害

氧和氢一样,都会对钢的机械性能产生不良影响。不仅是氧的浓度,而且含氧的夹杂物的多少、类型及其分布等也有很重要的影响。这类夹杂物是指金属氧化物、硅酸盐、铝酸盐、含氧硫化物以及类似的夹杂化合物。炼钢需要脱氧,因为凝固期间,溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳,可以造成气泡。另外,冷却时氧可以作为FeO、MnO以及其他氧化夹杂物从溶液中析出,从而削弱其热加工或冷加工性,以及延展性、韧性、疲劳强度和钢的械加工性能。氧与氮和碳还能引起老化或者硬度在室温下自发的增加。对于铸铁,当铸块正凝固时,氧化物与碳可以发生反应,因此造成产品的孔隙和产品的脆化。




2、氮的危害或作用

氮不能一概而论的归结为有害气体元素,因为有些特种钢是有目的的加入氮。所有的钢均含有氮,其存在量取决于钢的生产方法,合金元素的种类、数量及其加入方式,钢的浇铸方法,以及是否有目的的加入氮。有些牌号的不锈钢,适当增加N的含量,可以减少Cr的使用量,Cr相对很贵,此方法可以有效降低成本。钢铁中的氮大部分是呈金属氮化物的形态。例如:在存放一些时间后,钢发生应变时效,就不能被深冲加工(比如深冲加工为汽车保护板),因为钢会出现撕裂,不能沿各个方向被均匀地拉伸。这是由于晶粒大以及Fe4N沉积在晶粒界面上造成的。

再如:在不锈钢中,晶粒界面上形成氮化铬(Cr2N)会耗尽界面上含有的铬,并引起

所谓的粒间腐蚀现象。加入钛,优先形成氮化钛,就能防止这种有害的影响。


3、氢的危害

当钢中氢含量大于2ppm时,氢在所谓“鳞片剥落”现象中起重要作用。在滚轧和锻造 后的冷却过程中出现内裂和断裂现象时,这种剥落现象一般更加明显,而且在大的断面或者高碳钢中更经常发现这种现象。由于内应力的存在,这种缺陷会造成发动机使用过程中大转子发生崩裂。铸铁中氢大于2ppm时,容易出现孔隙或一般的多孔性,这种氢造成的多孔性将造成铁的脆化。“氢脆”主要出现在马氏体钢中,在铁氧体钢中不十分突出,而在奥氏体钢中实际上尚不清楚。另外,氢脆一般与硬度和含碳量一起增加。


二、钢铁中氧氮氢的存在形式

1、氧的存在形式

氧是以化合态和游离态共存的,一般游离态很少,主要是以Fe2O3、Fe3O4、FeO以及金属氧化物夹杂、硅酸盐、铝酸盐、含氧硫化物以及类似的夹杂化合物的形式存在,仪器测试总氧含量,一般用T[O]表示。




2、氮的存在形式

钢中一部分氮是呈金属氮化物或者碳氮化物的形态如今特种合金钢中所加入的大多数元素,在适当条件下能形成氮化物这些元素包括锰、铝、硼、铬、钒、钼、钛、钨、铌、钽、锆、硅和稀土等。考虑到许多氮化物形成元素具有几种简单的或者复杂的氮化物,此时钢中可能会形成多达70多种氮化物。另一部分的氮是以氮原子的形式固溶在钢中。极少数情况下,氮以分子形式夹杂于气泡中或者吸附在钢的表面。


3、氢的存在形式

钢中氢是以氢原子的形式存在的,在高温时,两个氢原子很容易就形成一个氢分子。氢原子很活泼,自然放置状态就会形成氢分子缓慢释放。


三、钢铁中氧氮氢的来源

1、氧的来源

氧在各种炼钢炉冶炼终点时都以一定量存在钢水中,氧是生产过程中供给的,因为炼钢过程中首先是氧化过程,脱[P]、脱[S]、脱[Si]、脱[C]都需要向铁水供氧。但随着炼钢过程的进行,尽管工艺千变万化,可是炼钢炉内熔池中钢液的[C]、[O]的关系却有共同的规律性。即随着[C]的逐步降低, [O]却在逐步增高,[C]和[O]有着相互对应的平衡关系。




2、氮的来源

 氮气在炉气中的分压力很高,大气中氮的分压力大体保持在7.8Χ10^4Pa

,因此钢中的氮主要是钢水裸露过程中吸入并溶解的。电炉炼钢,包括二次精炼的电弧加热,加速了气体的解离,故[N]含量偏高;平炉冶炼时间长增加了氮含量;转炉复吹控制不当,氮氩切换不及时也会增加氮的含量;铁合金、废钢铁和渣料中的氮也会随炉料带入钢水。


3、氢的来源

氢气在炉气中的分压力很低,大气中氢的分压力为0.053Pa。因此钢中的氢主要由炉气中的水蒸汽的分压力来决定的。氢进入钢液的主要途径是:通过废钢表面的铁锈(xFeO•yFe3O4•2H2O);铁合金中的氢气;增碳剂、脱氧剂、覆盖剂、保温剂、遭渣剂(Ca(OH)2)、沥青和焦油中的水份;未烤干的钢包、中间包、中注管;钢锭模的喷涂料;结晶器渗水以及大气中的水份与钢水或炉渣作用而进入钢中。


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