不锈钢中氮元素的作用及检测方法介绍
2016-03-03 浏览量：6406
前言
近年来，随着低碳、超低碳奥氏体不锈钢、双相钢的大量生产， 强度不足成为限制此类钢材使用的主要问题 ，如何保证降碳含量后钢的强度维持或超过原有的性能指标 , 已成为一个重要课题。氮（N）作为合金元素加入不锈钢中，可提高奥氏体稳定性、平衡双相钢中相的比例，在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度 ，并可部分代替不锈钢中的镍（Ni）。
1 氮在不锈钢中的作用
氮在不锈钢中的作用最主要的体现在以下三方面：
1.1 对不锈钢基体组织的影响
研究表明，氮是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，Simmons等人提出了较为精确的镍当量计算公式：
Nieq=Ni+0.12Mn-0.0086Mn²+30C+18N+0．44Cu
从中可以看出，氮对不锈钢基体组织的影响是相强烈的。氮的这种作用使其在不锈钢中可以代替部分镍、降低钢中的铁素体含量，可以使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出、甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。
1.2 对不锈钢力学性能的影响
氮对不锈钢力学性能的影响，突出表现为：氮在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性，这为研究高强高韧提供了途径。此外，氮也提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能力。
大量的实验数据表明：在奥氏体不锈钢中，每加人0.10%的氮，其强度（σ b，σ 0．2）提高约60-100MPa，氮提高屈服强度主要有四个途径：固溶强化；晶粒尺寸效应；形变硬化；沉淀硬化。
1.3 对不锈钢耐蚀性能的影响
氮对不锈钢耐蚀性能的有益作用表现在耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀。氮对点腐蚀、缝隙腐蚀的作用机理主要有：酸消耗理论;氮形成NH4+，降低pH值,阻止阳极溶解，减缓局部酸化，抑制点蚀的自催化过程。②界面氮的富集：氮在钝化膜/金属界面靠近金属一侧富集，影响再钝化动力学，可迅速再钝化，从而抑制点蚀的稳定生长。③氮与其它元素的协同作用：氮抑制铬、钼等元素的过钝化溶解，可在局部腐蚀过程中形成更有抗力的表层，提高耐腐蚀能力。
2 氮元素的测定方法介绍
由于氮加入量的不同可致钢的组织成分等亦不同，大致可进行了以下分类，即氮的质量分数>1%的为超高氮钢；氮质量分数在0.3%~0.5%的为高氮钢；在此范围以下的为含氮钢。
关于钢铁中氮元素的测定方法，国家标准中有化学法（早期方法）和惰性气体熔融热导法（现代仪器分析）。
2.1 化学法测定氮含量
测定原理：试料用合适的酸分解，氮化物转化为可溶性铵盐，在强碱溶液中加热蒸馏，以氨气形式析出，载入吸收液吸收,然后用滴定法或分光光度法测定，计算氮元素含量。
2.1.1 蒸馏分离——中和滴定法测定氮量
适用范围：合金钢及高温合金中氮量的测定，不适用于不加铝冶炼的硅钢及其型材中氮量的测定，氮含量0.010% - 0.50% 。
方法原理：试样用适当的酸分解，其中的氮转化成相应酸的铵盐，在过量碱的作用下，水蒸汽蒸馏分离氨，以硼酸溶液吸收蒸出液，用氨基磺酸标准溶液滴定。
2.1.2 蒸馏分离——靛酚蓝光度法测定氮量
适用范围：本标准适用于纯铁、碳钢、合金钢、高温合金和精密合金中氮量的测定，不适用于不加铝冶炼的硅钢及其型材中氮量的测定，氮含量0.0010% - 0.050% 。
方法原理：试样用适当的酸分解，其中的氮转变成相应酸的铵盐，在过量碱的作用下，水蒸气蒸馏分离氨，用稀硫酸吸收蒸出液，然后，在亚硝基铁氰化钠和次氯酸钠存在下，氨与酚生成蓝色的靛酚络合物，测量其吸光度。
2.1.3 蒸馏分离实验装置
2．2 惰性气体熔融热导法测定氮含量
适用范围：适用于钢铁中质量分数为0.002% - 0.6%的氮含量
方法原理：在氦气中，用石墨坩埚于高温(如:2200℃)熔融试料，氮以分子形态被提取在氦气流中，与其他气体提取物分离后，用热导法测量。
3 小结
相比于化学法，利用仪器采用惰性气体熔融热导法测定氮，更为简便快捷，且对样品工艺无特殊要求，已成为钢铁以及其他金属化合物（如：钛合金、钼合金等）含氮量测试的主流方法。
参考文献
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[4] GB/T 223.36-1994钢铁及合金化学分析方法 蒸馏分离—中和滴定法测定氮量
[5] GB/T 223.37-1989钢铁及合金化学分析方法 蒸馏分离—靛酚蓝光度法测定氮量
[6] GB/T 20124-2006 钢铁 氮含量的测定 惰性气体熔融热导法(常规方法)
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