Stickstoff in Aufkohlungsmitteln hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Grauguss. Dieser Einfluss ist ein zweischneidiges Schwert und erfordert eine präzise Kontrolle.
Im Allgemeinen ist Stickstoff ein verfestigendes Element in Grauguss, zu hohe Mengen können jedoch zu Mängeln führen. Sein Einflussmechanismus und seine Erscheinungsformen sind wie folgt:
I. Positive Wirkung von Stickstoff (empfohlener Bereich: 70–120 ppm)
1. Fördert die Perlitbildung und verbessert Festigkeit und Härte:
• Stickstoff stabilisiert Austenit, senkt die Perlit-Umwandlungstemperatur und erhöht den Perlitanteil in der Gussstruktur, wodurch der Zwischenlamellenabstand verfeinert wird.
• Dies führt direkt zu einer verbesserten Zugfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Grauguss. Typischerweise kann sich die Zugfestigkeit pro 10 ppm Stickstoffzunahme um etwa 5–10 MPa erhöhen.
2. Raffiniert Graphit:
• Stickstoff hemmt das Graphitwachstum leicht, was zu feineren und gleichmäßiger verteilten Graphitflocken führt. Feiner Graphit vom Typ A- ist vorteilhaft für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.
3. Reduktion von Ferrit: Im Ferrit gelöster Stickstoff verzerrt dessen Kristallgitter, wodurch die Härte erhöht, aber die Plastizität verringert wird. Daher verringert Stickstoff tendenziell den Ferritgehalt in der Mikrostruktur im Gusszustand und fördert so eine Perlitmatrix.
4. Wechselwirkung mit Titan - „Stickstofffixierung“:
• Grauguss enthält häufig Spuren von Titan (Ti). Titan hat eine starke Affinität zu Stickstoff und bildet vorzugsweise sehr feine TiN-Partikel mit hohem -Schmelzpunkt-.
• Diese TiN-Partikel können als Keime für die Graphitbildung dienen, wodurch die Graphitkeimbildungsrate erhöht und die Graphitmikrostruktur weiter verfeinert wird, was sich positiv auf die Leistung auswirkt.
• Überschüssiger Stickstoff liegt nur dann als freier Stickstoff vor, wenn Titan vollständig „verbraucht“ ist.
II. Negative Effects of Nitrogen (In excess, typically >150 ppm oder bei Ungleichgewicht mit Aluminium/Titan)
1. Induzieren von „Stickstoff-induzierter Porosität/Risse“:
• Dies ist der bedeutendste und gefährlichste Fehler.. 1. **Die Stickstofflöslichkeit fällt in den späteren Stadien der Eisenerstarrung stark ab (die Löslichkeit in festem Eisen ist viel geringer als in flüssigem Eisen):** Übersättigter Stickstoff fällt aus und bildet Blasen.
• Diese Blasen treten häufig an eutektischen Grenzen auf und manifestieren sich als subkutane Poren oder innere rissartige Poren, wodurch die Dichte und Festigkeit des Gussteils erheblich verringert wird und es bei Druckprüfungen möglicherweise zu Undichtigkeiten kommt.
2. **Erhöhte Sprödigkeit und verringerte Bearbeitbarkeit:**
• Überschüssiger freier Stickstoff, der im Ferrit gelöst ist, verstärkt die Gitterverzerrung erheblich, was zu einer Versprödung des Materials und einer verminderten Schlagzähigkeit führt.
• Zu hohe Härte und Sprödigkeit im Gussstück erschweren die Bearbeitung, beschleunigen den Werkzeugverschleiß und verschlechtern die Qualität der bearbeiteten Oberflächen.
3. **Risiko der „Spaltgraphitbildung“:**
• In hypereutektischem Grauguss mit hohem Kohlenstoffäquivalent (hohem CE-Wert) ist übermäßiger Stickstoff eine der Hauptursachen für D--Typ/Widmanstätten-Graphit oder noch schwerwiegenderen Bruchgraphit.
• Diese Graphitmorphologie bricht die Matrix stark, was zu einer starken Verschlechterung der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Bearbeitbarkeit führt.
III. Steuerungsstrategien und Empfehlungen in der Produktion
1. Bevorzugen Sie Aufkohlungsmittel mit niedrigem-NOx-Gehalt: Für kritische Komponenten und dünn-wandige,-Teile (wie Motorblöcke und Zylinderköpfe von Kraftfahrzeugen) müssen graphitisierte Aufkohlungsmittel mit niedrigem-NOx-Gehalt verwendet werden, um den Stickstoffeintrag an der Quelle zu kontrollieren.
2. Überwachung und Ausgleich:
• Testen Sie regelmäßig den Stickstoffgehalt der Eisenschmelze (normalerweise mit einem Wärmeleitfähigkeitsanalysator).
• Analysieren Sie gleichzeitig den Gehalt an Titan (Ti) und Aluminium (Al). Aluminium bindet auch Stickstoff (Bildung von AlN), ist jedoch weniger stabil als TiN. Das Verständnis des Ti/N-Verhältnisses ist wichtig, um sicherzustellen, dass ausreichend Titan zur Stickstoffbindung vorhanden ist (idealer kombinierter Stickstoff).
3. Kontrollieren Sie Stahlschrott-Rohstoffe: Vermeiden Sie die Verwendung von Stahlschrott aus unbekannten Quellen, der einen hohen Stickstoffgehalt enthalten kann.
4. Prozesskontrolle: Vermeiden Sie übermäßiges Rühren und längeres Halten der Eisenschmelze bei hohen Temperaturen, um die Stickstoffaufnahme zu verringern.
5. Zielbereich: Bei gewöhnlichem Grauguss ist die Kontrolle des Stickstoffgehalts auf 80-120 ppm sicher und vorteilhaft. Bei Hochleistungs-Grauguss (z. B. GJL-300 und höher) sollte der Stickstoffgehalt nahe der Obergrenze dieses Bereichs kontrolliert werden, um seine verstärkende Wirkung zu nutzen. Vermeiden Sie unbedingt einen Wert über 150 ppm.
Fazit: Bei modernen Schmelzprozessen auf Schrottbasis bestimmt die Auswahl der Aufkohlungsmittel direkt den Stickstoffgehalt der Eisenschmelze. Der aktive Umgang mit Stickstoff als wichtigem „Legierungselement“ durch die Verwendung stickstoffarmer Rohstoffe, die Überwachung der Zusammensetzung und die Aufrechterhaltung eines angemessenen Ti/N-Gleichgewichts ist unerlässlich, um seine verstärkende Wirkung voll auszuschöpfen, durch Stickstoff verursachte Defekte zu beseitigen und gleichbleibend hochwertige Graugussteile herzustellen.
