含氮鉻鐵自蔓延高溫合成技術(shù)

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

含氮鉻鐵液態(tài)滲氮法

液體滲氮在感應(yīng)爐內(nèi)進行，氮氣作為滲氮原料。氮是以溶質(zhì)狀態(tài)在液態(tài)氮化鉻鐵中存在，而氮在固態(tài)的氮化鉻鐵中是以金屬氮化物或復(fù)合氮化物的形式存在。出爐時液態(tài)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(xù)20～60 min后進行澆鑄。液態(tài)滲氮制備的氮化鉻鐵更加致密。由于溫度高該方法所制得的氮化鉻鐵含氮量較低，氮含量一般為2%～3%，現(xiàn)在制取氮化鉻鐵幾乎都采用固態(tài)滲氮法。

含氮鉻鐵固態(tài)滲氮法

固態(tài)滲氮用氮氣或氨氣作為氮化原料，在真空感應(yīng)爐或電阻爐內(nèi)發(fā)生氮化反應(yīng)。該方法一般與真空冶煉鉻鐵相結(jié)合，在真空脫碳完成以后，將氮氣通入真空爐或感應(yīng)爐內(nèi)做氮化處理。此方法生產(chǎn)的氮化鉻鐵合金氣孔率較高，其應(yīng)用受到很大程度上的限制。采用重熔氮化鉻鐵可以使合金致密化，但是重熔階段氮含量會降低2%～2.5%。

固體氮化過程中，反應(yīng)初期的限制性環(huán)節(jié)是界面上的化學(xué)反應(yīng)。隨著產(chǎn)物的生成，產(chǎn)物層的厚度不斷增加，滲氮阻力增大，氮化過程的限制性環(huán)節(jié)過渡到由氣相到固相產(chǎn)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(dāng)固體物料粒度越細(xì)小，氮擴散的速度越快；氮化過程在正壓條件下進行，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，可以控制氮擴散的速度。但是氮化過程的系統(tǒng)壓力不宜過高，因為氮化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，壓力過高，反應(yīng)速度過快，導(dǎo)致溫度過高會造成爐料提前燒結(jié)，會影響氮化速度。

含氮鉻鐵傳統(tǒng)鋁熱法

傳統(tǒng)鋁熱法生產(chǎn)氮化鉻鐵是利用鉻精礦（Cr₂O₃>06%，SiO₂<1.3%，C<0.04%），鋁粉、冶煉金屬鉻的碎渣和硝酸鈉為原料，混合后采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。這種方法由于氮含量過低，達(dá)不到現(xiàn)在的生產(chǎn)需求。

含氮鉻鐵機械球磨法

機械球磨法制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(nèi)部的壓力降到10-2Pa以下，再通入高純氮氣，讓瑪瑙罐內(nèi)部壓力達(dá)到0.2 MPa。開始球磨后，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。冷去過后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(yōu)點是可以得到高純度氮化鉻鐵的同時不會有什么副產(chǎn)品生成。但是生產(chǎn)效率低，工序復(fù)雜，不易應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，這是它的缺陷。

作為新型氮化材料的一種，氮化鉻鐵常用作合金添加劑，廣泛用于含氮不銹鋼、耐腐蝕鋼、耐熱鋼、合金鋼等特種鋼的冶煉生產(chǎn)。據(jù)研究，氮元素具有促進奧氏體生成的特性，氮擴大奧氏體區(qū)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銹鋼可以代替缺乏的鎳，節(jié)約生產(chǎn)成本。目前，用氮替換鎳，生產(chǎn)低鎳的奧氏體不銹鋼越來越受到人們的關(guān)注。氮元素可以使鋼具有高強度和高耐蝕性，并且能夠保持鋼的塑性處于良好的水平。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(jié)約能源、降低污染等政策的受益者。

含氮鉻鐵即氮化鉻鐵，作為合金添加劑主要用于生產(chǎn)含氮不銹鋼。目前，在生產(chǎn)的含鎳的奧氏體不銹鋼中加入氮，使鎳的含量降低這樣的生產(chǎn)方式具有極大的經(jīng)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。氮化鉻鐵的制備途徑主要有液態(tài)滲氮和固態(tài)滲氮2種。盡管液態(tài)滲氮得到的氮化鉻鐵更加致密，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(zhì)量分?jǐn)?shù)），所以目前很少在生產(chǎn)中采用液態(tài)滲氮。

氮化鉻鐵主要是由CrN、Cr₂N、Fe₄N等氮化物組成的。而且，還可能生成鉻鐵的復(fù)合氮化物(Cr,Fe)₂N_(1-x)。影響其物相構(gòu)成的主要因素是氮化介質(zhì)和氮化溫度。氮化鉻的穩(wěn)定性要高于氮化鐵，經(jīng)過氮化處理可使鉻、鐵分離成獨立的相。鐵的氮化物由于具有優(yōu)良的磁性，被廣泛應(yīng)用到磁性設(shè)備中，氮化鐵的加入，提高了磁性設(shè)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(chǎn)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，具有立方巖型結(jié)構(gòu)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應(yīng)用的材料。

以鉻和鐵為主要成分的鐵合金。是鋼鐵工業(yè)用的主要合金劑之一，除了主成分鉻與鐵外還含有碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。鉻鐵含鉻55%~75%，按含碳量分為高碳(4%~10%)、中碳(0.5%~4%)、低碳(>0.15%~0.5%)和微碳(≤0.15%C)鉻鐵。高碳鉻鐵又稱碳素鉻鐵，中、低、微碳鉻鐵又稱精煉鉻鐵。一種用低鉻鐵比的鉻礦生產(chǎn)的高碳鉻鐵，含Cr50~55%稱為爐料級鉻鐵，還有含N₂%~10%的含氮鉻鐵作為氮合金劑使用，又稱氮化鉻鐵 。

精煉鉻鐵是鉻鐵的一種提煉方法。鉻鐵是指鉻和鐵組成的鐵合金，是煉鋼的重要合金添加劑。冶煉鉻鐵用的鉻鐵礦一般要求含Cr₂O₃40~50%，鉻與鐵比值大于 2.8。大量生產(chǎn)的含鉻50%的“裝料級鉻鐵”，用含Cr₂O₃和鉻與鐵比值較低 的礦石。

鉻鐵按不同含碳量分為高碳鉻鐵包括裝料級鉻鐵(C≦10%)、中碳鉻鐵（C≦4.0%）、低碳鉻鐵（C≦0.5%）、微碳鉻鐵（C≦0.15%）等。常用的還有硅鉻合金、氮化鉻鐵等。鉻鐵主要用作煉鋼的合金添加劑，過去都在煉鋼的精煉后期加入。冶煉不銹鋼等低碳鋼種，必須使用低、微碳鉻鐵，因而精煉鉻鐵生產(chǎn)一度得到較大規(guī)模的發(fā)展。由于煉鋼工藝的改進，用AOD法（見爐外精煉）等生產(chǎn)不銹鋼等鋼種時，用碳素鉻鐵（主要是裝料級鉻鐵）裝爐，因而只需在后期加低、微碳鉻鐵調(diào)整成分，所以鉻鐵生產(chǎn)重點是煉制碳素鉻鐵。