钢中气体

上传者：李遂贤
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上传时间：2015-04-26
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钢中气体

钢中气体 (gases in steel)

溶解于钢中的氢和氮的通称。有的把溶解于钢中的氧也看作钢中气体，但氧在钢凝固时大多成为非金属夹杂物析出，所以对钢中氧的问题往往和非金属夹杂问题一并考虑，而不归入钢中气体范畴来研究。钢中气体常造成钢的一些缺陷如白点、气孔、裂纹等，氮还促使低碳钢发生时效硬化和蓝脆，所以在炼钢时要尽量降低钢中气体。只有极特殊情况下，利用氮能扩大奥氏体区这一特点，把氮作为奥氏体化合金元素来利用，例如锰氮奥氏体不锈钢。

气体在钢中的溶解度氢和氮在大气中都以双原子的气体存在，高温下则都分解成单原子溶解。气体接触到固态或液态的表面后产生物理吸附，当气体和钢的表面分子结合力大于气体内部分子的结合力时发生化学吸附，吸附的分子可以分解成原子，由钢的表面扩散到内部。由于氢、氮的原子半径rx (分别为0.046和0.071nm)

比铁的原子半径rFe (0.126nm)小，其比值rx / rFe 小于0.59，它们

占据固体晶体点阵的间隙位置，形成间隙固溶体，若钢中存在的合金元素(如Ti、Al等)能与氮发生反应时就产生氮化物；当钢中存在微孔隙或气孔、缩孔时，过饱和气体也能以分子状态析于这些孔隙中。气体在液体或固体铁中的溶解度与温度和外界气体分压力有关，当温度一定时气体溶解度和分压的平方根成正比，此即西韦特(Sievert)定律(也称平方根定律)，氢、氮的溶解反应可写成：

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式中KH，KN为平衡常数，其数值和气相分压力为1atm(101325Pa)

时的溶解度数相等；[％H]、[％N]为某一气压下的溶解度值，a[H] 、a[N] 为氢、氮的活度，fH 、fN为氢、氮的活度系数。图1给出了不同

温度下氢、氮在α、γ、δ液体铁中的溶解度。从图1看出，随温度上升溶解度线性增加，为吸热反应，只有氮在奥氏体(γ-Fe)温度(910～1390℃)范围内，溶解度随温度的升高而降低，为放热反应。冶炼不同钢种时向钢液加入铁合金，由于成分的变化不仅改变钢的相变温度、组织状态，也改变了钢液中的气体溶解度。在冶炼温度下合金元素含量对氢、氮活度系数的影响见图2、图3。降低fH(3) 、fN(3) 活

度系数的元素都增大钢液中气体的溶解度，增加活度系数的元素则减小钢液中气体的溶解度，用具体成分下气体的活度系数可计算出不同外界气相分压下达到平衡时的气体含量。

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氮和一些元素在冶炼温度下形成氮化物，其结合能力的强弱可由平衡常数KN表示，炼钢温度下各元素的脱氮反应常数KN与温度的关

系和1600℃、1550℃时的KN 。值见表1，可近似地用强脱氮反应的

平衡常数估算残存的[N]值。凝固后钢中溶解的氮量和产生的氮化物也可由该温度下的平衡常数计算和估量。

气体对钢的危害普通的炼钢方法在高温冶炼过程吸收了较多的氢和氮，在钢凝固后溶解的氢和氮呈饱和状态。一些钢种含有

与氮结合力强的元素还会生成氮化物。凝固时外层已凝固的钢中的气体向未凝的内部扩散(由于固相气体溶解度低)，聚集在疏松的局部地区或中心的孔隙中。氢在铁液中的扩散系数(10-3 cm2 ／s)比氮的(10-4 cm2／s)大一个数量级，氮比其他合金元素Cr、Cu、Co、Ni、Mo等的扩散系数(约1×10-5 cm2／s)又大一个数量级，因此钢中气体很易偏析，氢气的偏析最大，对钢品质的影响也最严重，是形成钢中白点、发纹、气孔等缺陷的主要原因。微孔隙中的氢在低温时产生很大的氢气分压力，致使孔隙周边钢中溶解了大量的氢，故钢的韧性显著降低，再加上低温时钢本身的相变应力，使钢产生不同方位的细微裂纹，在轧制、锻造材的纵向断口上呈现白点，这类钢不能交付使用。冶炼和浇注常温呈铁素体组织的钢(如变压器钢，[si]≈4％)时，因固相(铁素体)和液相氢的溶解度相差很大，易产生偏析聚集，严重时钢锭(坯)易产生气泡或上涨等现象，生产奥氏体组织的钢时则很少产生气泡或上涨现象。

表1各元素的脱氮反应常数与温度的关系及1600℃和1550℃的KN值

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