含氮鉻鐵

含氮鉻鐵即氮化鉻鐵，作為合金添加劑主要用於生產含氮不鏽鋼。含氮鉻鐵主要是由 Cr N、Cr2N、Fe4N 等氮化物組成的。而且，還可能生成鉻鐵的複合氮化物(Cr,Fe)2N(1-x)。影響其物相構成的主要因素是氮化介質和氮化溫度

基本介紹

• 中文名：含氮鉻鐵
• 外文名：nitrogen containgferrochromium
• 領域：冶金
• 作用：合金添加劑
• 組成：CrN、Cr2N、Fe4N等
• 影響因素：氮化介質和氮化溫度

簡介

含氮鉻鐵即氮化鉻鐵，作為合金添加劑主要用於生產含氮不鏽鋼。目前，在生產的含鎳的奧氏體不鏽鋼中加入氮，使鎳的含量降低這樣的生產方式具有極大的經濟效益，氮代替鎳會使鋼的強度、抗腐蝕性顯著提高，而塑性仍保持良好的水平。氮化鉻鐵的製備途徑主要有液態滲氮和固態滲氮2種。儘管液態滲氮得到的氮化鉻鐵更加緻密，但是溫度過高會致使氮化鉻鐵中的含氮量降低，一般只有2%～3%（質量分數），所以目前很少在生產中採用液態滲氮。

氮化鉻鐵主要是由CrN、Cr₂N、Fe₄N等氮化物組成的。而且，還可能生成鉻鐵的複合氮化物(Cr,Fe)₂N_(1-x)。影響其物相構成的主要因素是氮化介質和氮化溫度。氮化鉻的穩定性要高於氮化鐵，經過氮化處理可使鉻、鐵分離成獨立的相。鐵的氮化物由於具有優良的磁性，被廣泛套用到磁性設備中，氮化鐵的加入，提高了磁性設備表面硬度和抗磨損性能。很多研究者對氮化鐵的這個性能產生了濃厚的興趣。眾所周知，鐵的氮化物存在許多相，如α-Fe(N)，ε-Fe₂-3N(hcp)等等。此外，具有立方岩型結構的氮化鉻CrN，以高硬度，抗氧化性、耐腐蝕以及耐磨性成為了廣泛套用的材料。

套用

作為新型氮化材料的一種，氮化鉻鐵常用作合金添加劑，廣泛用於含氮不鏽鋼、耐腐蝕鋼、耐熱鋼、合金鋼等特種鋼的冶煉生產。據研究，氮元素具有促進奧氏體生成的特性，氮擴大奧氏體區的作用是鎳的30倍左右，氮元素以成分添加到鉻錳和鉻錳鎳不鏽鋼可以代替缺乏的鎳，節約生產成本。目前，用氮替換鎳，生產低鎳的奧氏體不鏽鋼越來越受到人們的關注。氮元素可以使鋼具有高強度和高耐蝕性，並且能夠保持鋼的塑性處於良好的水平。目前，氮化鉻鐵作為新型的氮化材料，受到了人們極大的重視。氮化鉻鐵是國家提倡和鼓勵節約能源、降低污染等政策的受益者。

製備方法

生產氮化鉻鐵的方法常見的有液態滲氮和固態滲氮兩種，還有不常有用的傳統鋁熱法和機械球磨法等。

液態滲氮法

液體滲氮在感應爐內進行，氮氣作為滲氮原料。氮是以溶質狀態在液態氮化鉻鐵中存在，而氮在固態的氮化鉻鐵中是以金屬氮化物或複合氮化物的形式存在。出爐時液態低碳鉻鐵的溫度為1650～1700℃，氮化時將壓力為0.1～0.5 MPa的氮氣向鉻鐵熔體中通入，氮化過程持續20～60 min後進行澆鑄。液態滲氮製備的氮化鉻鐵更加緻密。由於溫度高該方法所製得的氮化鉻鐵含氮量較低，氮含量一般為2%～3%，現在製取氮化鉻鐵幾乎都採用固態滲氮法。

固態滲氮法

固態滲氮用氮氣或氨氣作為氮化原料，在真空感應爐或電阻爐內發生氮化反應。該方法一般與真空冶煉鉻鐵相結合，在真空脫碳完成以後，將氮氣通入真空爐或感應爐內做氮化處理。此方法生產的氮化鉻鐵合金氣孔率較高，其套用受到很大程度上的限制。採用重熔氮化鉻鐵可以使合金緻密化，但是重熔階段氮含量會降低2%～2.5%。

固體氮化過程中，反應初期的限制性環節是界面上的化學反應。隨著產物的生成，產物層的厚度不斷增加，滲氮阻力增大，氮化過程的限制性環節過渡到由氣相到固相產物層的擴散。此時氮化過程的影響因素有合金成分、溫度、氣相純度和氣相壓力等。氮氣的擴散速度主要受固相表面積和氮分壓影響，當固體物料粒度越細小，氮擴散的速度越快；氮化過程在正壓條件下進行，通過調節系統壓力，可以控制氮擴散的速度。但是氮化過程的系統壓力不宜過高，因為氮化反應是放熱反應，壓力過高，反應速度過快，導致溫度過高會造成爐料提前燒結，會影響氮化速度。

傳統鋁熱法

傳統鋁熱法生產氮化鉻鐵是利用鉻精礦（Cr₂O₃>06%，SiO₂<1.3%，C<0.04%），鋁粉、冶鍊金屬鉻的碎渣和硝酸鈉為原料，混合後採用上部點火法進行冶煉，可得到含鉻>70%、含碳≤0.05%、含氮>0.9%的氮化鉻鐵。這種方法由於氮含量過低，達不到現在的生產需求。

機械球磨法

機械球磨法製備氮化鉻鐵是將按比例混合均勻的高純度的鐵粉、鉻粉，放入瑪瑙罐中進行球磨。先封閉放入混合粉末的球磨罐，抽真空，使瑪瑙罐內部的壓力降到10-2Pa以下，再通入高純氮氣，讓瑪瑙罐內部壓力達到0.2 MPa。開始球磨後，每磨一段時間讓球磨機短暫的休息一會，避免造成球粉末和磨罐的溫度過高。冷去過後再按上述方法再次往球磨罐中通入氮氣。從而得到高純度的氮化鉻鐵，這個方法的優點是可以得到高純度氮化鉻鐵的同時不會有什麼副產品生成。但是生產效率低，工序複雜，不易套用到生產實踐中，這是它的缺陷。

自蔓延高溫合成技術

簡介

自蔓延高溫合成技術（self–propagation high–temperature synthesis，簡稱SHS）也被稱作燃燒合成（Combustion Synthesis）是結合自身反應放熱製備材料的方法，於本世紀60年代末興起。它的基本要素是：1、利用化學反應自身放出的熱量來維持反應的進行，部分（或完全）不需要外來熱量；2、自蔓延反應經過誘發開始反應後，會形成一種自上向下的燃燒波，能夠自我維持反應的進行，得到所需結構成分的產品；3、通過改變釋放的熱量和調節傳輸速度，可以實現對反應過程的溫度、反應快慢、轉化率、產物的結構和成分的控制。

自蔓延合成最主要特點就是充分結合元素間化學反應產生的高熱量，在短時間內合成高熔點、高性能的材料。自蔓延合成技術是集材料合成與燒結於一體的工藝。自蔓延高溫合成反應過程裡面會出現燃燒結構形成過程。結構巨觀動力學是連線燃燒過程與結構形成過程的紐帶。自蔓延高溫燃燒過程分為四個階段：1、燃燒反應區迅速擴充階段；2、穩態燃燒階段；3、降速合成階段；4、燃燒波通過後的後燃燒階段。

優點

自蔓延高溫合成技術具有以下優點：

（1）自蔓延高溫合成技術不僅工藝設備簡單，而且節約生產成本，其成本不到傳統工藝費用的一半，消耗的能量少，生產效率高，對環境的影響小。利用此項技術生產過程中高溫，可以蒸發掉反應過程中低沸點的雜質，得到純度較高的產物。

（2）由於反應放熱升溫和冷卻過程中存在極高的溫度梯度，這會使材料出現高濃度的缺陷和非平衡結構，反應完成後能得到普通的工藝不易製備的具有高活性的亞穩態產物及複雜相。由於自蔓延的技術特點，能使合成材料擁有一些特殊性能，如燒結力，催化性能等。

（3）一些自蔓延反應體系能產生高放熱，溫度可達3000～4000 ℃，這是常規加熱技術達不到的高溫，有利於耐高溫材料的合成。與常規的工藝熔鑄、擠壓等技術一起套用，可以生產無需深加工、形狀複雜的零件結構。

（4）可以通過改變一定程度的放熱和傳輸速度來實現對反應過程中溫度、轉化率、速度和產物的結構及成分控制。

（5）由於自蔓延燃燒合成自身是一個只需要幾秒或幾分鐘極短暫的過程。反應被引燃到反應結束整個反應過程時間短，因此氣氛環境對合成反應的影響不大。常規燃燒工藝不能與其相比擬。

分類及套用

自蔓延高溫合成技術大致分為SHS制粉技術、SHS燒結技術、SHS緻密化技術、SHS熔鑄技術、SHS焊接技術和SHS塗層技術這六種類型。

（1）SHS制粉技術

將反應物料在一定的氣氛環境中點燃，反應完成後再把反應產物粉碎、研磨，便能得到不同規格研磨性能非常好的高質量粉末。如製備TiC粉末。通過SHS技術製備的粉末是燒結陶瓷及金屬陶瓷製品的原材料。還可以生產研磨膏、防護塗層和刀具材料等。

（2）SHS燒結技術

通過固相反應燒結可以生產一定規格、形狀與高質量的產品。SHS燒結還能用於生產高熔點難熔化合物產品。燒結可在真空、特殊氣氛或空氣中進行，溫度變化對其強度受的影響不大。SHS燒結產品在生產耐火材料、過濾器和催化劑載體等行業都有套用。

（3）SHS緻密化技術

SHS緻密化技術是將傳統緻密化技術與SHS技術相結合來生產緻密產品的工藝。SHS緻密化技術包括SHS—動態加壓、SHS—等靜壓、SHS—準等靜壓和熱爆—加壓等。SHS緻密化技術已經是生產鎢硬質合金的常規技術。

（4）SHS熔鑄技術

SHS熔鑄是利用反應高放熱，將難熔化合物熔化成液相，再經過鑄造處理，製備成難熔化合物的鑄件。此項技術廣泛用於鑽頭的製備和陶瓷內襯鋼管的離心鑄造等領域。

（5）SHS焊接技術

在焊件的焊縫處引發SHS反應，利用SHS反應放出的熱量產生高，形成液相，直接用反應產物焊接焊縫，從而達到強力連線焊縫的目的。SHS焊接技術實現了可進行陶瓷間、金屬間和陶瓷與金屬間的焊接等難熔材料的焊接。

（6）SHS塗層技術

SHS塗層技術是利用氣體作為傳輸的載體，在材料表面（如金屬、陶瓷或石墨等材料表面）形成一層非常薄(厚度在2～150 μm範圍內)的耐磨抗腐蝕的塗層。每一類反應原材料一般採用自己專屬的氣相載體運輸。例如：碳的運輸載體可選用氫，鹵素氣體運輸金屬物料。