不銹鋼中氮元素的作用及檢測方法介紹
2016-03-03 瀏覽量：7864
前言
近年來，隨著低碳、超低碳奧氏體不銹鋼、雙相鋼的大量生產， 強度不足成為限制此類鋼材使用的主要問題 ，如何保證降碳含量后鋼的強度維持或超過原有的性能指標 , 已成為一個重要課題。氮（N）作為合金元素加入不銹鋼中，可提高奧氏體穩定性、平衡雙相鋼中相的比例，在不影響鋼的塑性和韌性的情況下提高鋼的強度 ，并可部分代替不銹鋼中的鎳（Ni）。
1 氮在不銹鋼中的作用
氮在不銹鋼中的作用最主要的體現在以下三方面：
1.1 對不銹鋼基體組織的影響
研究表明，氮是非常強烈地形成并穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素，Simmons等人提出了較為精確的鎳當量計算公式：
Nieq=Ni+0.12Mn-0.0086Mn²+30C+18N+0．44Cu
從中可以看出，氮對不銹鋼基體組織的影響是相強烈的。氮的這種作用使其在不銹鋼中可以代替部分鎳、降低鋼中的鐵素體含量，可以使奧氏體更穩定，防止有害金屬間相的析出、甚至在冷加工條件下可避免出現馬氏體轉變。
1.2 對不銹鋼力學性能的影響
氮對不銹鋼力學性能的影響，突出表現為：氮在顯著提高不銹鋼強度的同時，并不降低材料的塑韌性，這為研究高強高韌提供了途徑。此外，氮也提高不銹鋼的抗蠕變、疲勞、磨損能力。
大量的實驗數據表明：在奧氏體不銹鋼中，每加人0.10%的氮，其強度（σ b，σ 0．2）提高約60-100MPa，氮提高屈服強度主要有四個途徑：固溶強化；晶粒尺寸效應；形變硬化；沉淀硬化。
1.3 對不銹鋼耐蝕性能的影響
氮對不銹鋼耐蝕性能的有益作用表現在耐晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕。氮對點腐蝕、縫隙腐蝕的作用機理主要有：酸消耗理論;氮形成NH4+，降低pH值,阻止陽極溶解，減緩局部酸化，抑制點蝕的自催化過程。②界面氮的富集：氮在鈍化膜/金屬界面靠近金屬一側富集，影響再鈍化動力學，可迅速再鈍化，從而抑制點蝕的穩定生長。③氮與其它元素的協同作用：氮抑制鉻、鉬等元素的過鈍化溶解，可在局部腐蝕過程中形成更有抗力的表層，提高耐腐蝕能力。
2 氮元素的測定方法介紹
由于氮加入量的不同可致鋼的組織成分等亦不同，大致可進行了以下分類，即氮的質量分數>1%的為超高氮鋼；氮質量分數在0.3%~0.5%的為高氮鋼；在此范圍以下的為含氮鋼。
關于鋼鐵中氮元素的測定方法，國家標準中有化學法（早期方法）和惰性氣體熔融熱導法（現代儀器分析）。
2.1 化學法測定氮含量
測定原理：試料用合適的酸分解，氮化物轉化為可溶性銨鹽，在強堿溶液中加熱蒸餾，以氨氣形式析出，載入吸收液吸收,然后用滴定法或分光光度法測定，計算氮元素含量。
2.1.1 蒸餾分離——中和滴定法測定氮量
適用范圍：合金鋼及高溫合金中氮量的測定，不適用于不加鋁冶煉的硅鋼及其型材中氮量的測定，氮含量0.010% - 0.50% 。
方法原理：試樣用適當的酸分解，其中的氮轉化成相應酸的銨鹽，在過量堿的作用下，水蒸汽蒸餾分離氨，以硼酸溶液吸收蒸出液，用氨基磺酸標準溶液滴定。
2.1.2 蒸餾分離——靛酚藍光度法測定氮量
適用范圍：本標準適用于純鐵、碳鋼、合金鋼、高溫合金和精密合金中氮量的測定，不適用于不加鋁冶煉的硅鋼及其型材中氮量的測定，氮含量0.0010% - 0.050% 。
方法原理：試樣用適當的酸分解，其中的氮轉變成相應酸的銨鹽，在過量堿的作用下，水蒸氣蒸餾分離氨，用稀硫酸吸收蒸出液，然后，在亞硝基鐵氰化鈉和次氯酸鈉存在下，氨與酚生成藍色的靛酚絡合物，測量其吸光度。
2.1.3 蒸餾分離實驗裝置
2．2 惰性氣體熔融熱導法測定氮含量
適用范圍：適用于鋼鐵中質量分數為0.002% - 0.6%的氮含量
方法原理：在氦氣中，用石墨坩堝于高溫(如:2200℃)熔融試料，氮以分子形態被提取在氦氣流中，與其他氣體提取物分離后，用熱導法測量。
3 小結
相比于化學法，利用儀器采用惰性氣體熔融熱導法測定氮，更為簡便快捷，且對樣品工藝無特殊要求，已成為鋼鐵以及其他金屬化合物（如：鈦合金、鉬合金等）含氮量測試的主流方法。
參考文獻
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*** 結束 ***
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