含氮铬铁应用

作为新型氮化材料的一种，氮化铬铁常用作合金添加剂，广泛用于含氮不锈钢、耐腐蚀钢、耐热钢、合金钢等特种钢的冶炼生产。据研究，氮元素具有促进奥氏体生成的特性，氮扩大奥氏体区的作用是镍的30倍左右，氮元素以成分添加到铬锰和铬锰镍不锈钢可以代替缺乏的镍，节约生产成本。目前，用氮替换镍，生产低镍的奥氏体不锈钢越来越受到人们的关注。氮元素可以使钢具有高强度和高耐蚀性，并且能够保持钢的塑性处于良好的水平。目前，氮化铬铁作为新型的氮化材料，受到了人们极大的重视。氮化铬铁是国家提倡和鼓励节约能源、降低污染等政策的受益者。

含氮铬铁即氮化铬铁，作为合金添加剂主要用于生产含氮不锈钢。目前，在生产的含镍的奥氏体不锈钢中加入氮，使镍的含量降低这样的生产方式具有极大的经济效益，氮代替镍会使钢的强度、抗腐蚀性显著提高，而塑性仍保持良好的水平。氮化铬铁的制备途径主要有液态渗氮和固态渗氮2种。尽管液态渗氮得到的氮化铬铁更加致密，但是温度过高会致使氮化铬铁中的含氮量降低，一般只有2%～3%（质量分数），所以目前很少在生产中采用液态渗氮。

氮化铬铁主要是由CrN、Cr₂N、Fe₄N等氮化物组成的。而且，还可能生成铬铁的复合氮化物(Cr,Fe)₂N_(1-x)。影响其物相构成的主要因素是氮化介质和氮化温度。氮化铬的稳定性要高于氮化铁，经过氮化处理可使铬、铁分离成独立的相。铁的氮化物由于具有优良的磁性，被广泛应用到磁性设备中，氮化铁的加入，提高了磁性设备表面硬度和抗磨损性能。很多研究者对氮化铁的这个性能产生了浓厚的兴趣。众所周知，铁的氮化物存在许多相，如α-Fe(N)，ε-Fe₂-3N(hcp)等等。此外，具有立方岩型结构的氮化铬CrN，以高硬度，抗氧化性、耐腐蚀以及耐磨性成为了广泛应用的材料。

生产氮化铬铁的方法常见的有液态渗氮和固态渗氮两种，还有不常有用的传统铝热法和机械球磨法等。

含氮铬铁液态渗氮法

液体渗氮在感应炉内进行，氮气作为渗氮原料。氮是以溶质状态在液态氮化铬铁中存在，而氮在固态的氮化铬铁中是以金属氮化物或复合氮化物的形式存在。出炉时液态低碳铬铁的温度为1650～1700℃，氮化时将压力为0.1～0.5 MPa的氮气向铬铁熔体中通入，氮化过程持续20～60 min后进行浇铸。液态渗氮制备的氮化铬铁更加致密。由于温度高该方法所制得的氮化铬铁含氮量较低，氮含量一般为2%～3%，现在制取氮化铬铁几乎都采用固态渗氮法。

含氮铬铁固态渗氮法

固态渗氮用氮气或氨气作为氮化原料，在真空感应炉或电阻炉内发生氮化反应。该方法一般与真空冶炼铬铁相结合，在真空脱碳完成以后，将氮气通入真空炉或感应炉内做氮化处理。此方法生产的氮化铬铁合金气孔率较高，其应用受到很大程度上的限制。采用重熔氮化铬铁可以使合金致密化，但是重熔阶段氮含量会降低2%～2.5%。

固体氮化过程中，反应初期的限制性环节是界面上的化学反应。随着产物的生成，产物层的厚度不断增加，渗氮阻力增大，氮化过程的限制性环节过渡到由气相到固相产物层的扩散。此时氮化过程的影响因素有合金成分、温度、气相纯度和气相压力等。氮气的扩散速度主要受固相表面积和氮分压影响，当固体物料粒度越细小，氮扩散的速度越快；氮化过程在正压条件下进行，通过调节系统压力，可以控制氮扩散的速度。但是氮化过程的系统压力不宜过高，因为氮化反应是放热反应，压力过高，反应速度过快，导致温度过高会造成炉料提前烧结，会影响氮化速度。

含氮铬铁传统铝热法

传统铝热法生产氮化铬铁是利用铬精矿（Cr₂O₃>06%，SiO₂<1.3%，C<0.04%），铝粉、冶炼金属铬的碎渣和硝酸钠为原料，混合后采用上部点火法进行冶炼，可得到含铬>70%、含碳≤0.05%、含氮>0.9%的氮化铬铁。这种方法由于氮含量过低，达不到现在的生产需求。

含氮铬铁机械球磨法

机械球磨法制备氮化铬铁是将按比例混合均匀的高纯度的铁粉、铬粉，放入玛瑙罐中进行球磨。先封闭放入混合粉末的球磨罐，抽真空，使玛瑙罐内部的压力降到10-2Pa以下，再通入高纯氮气，让玛瑙罐内部压力达到0.2 MPa。开始球磨后，每磨一段时间让球磨机短暂的休息一会，避免造成球粉末和磨罐的温度过高。冷去过后再按上述方法再次往球磨罐中通入氮气。从而得到高纯度的氮化铬铁，这个方法的优点是可以得到高纯度氮化铬铁的同时不会有什么副产品生成。但是生产效率低，工序复杂，不易应用到生产实践中，这是它的缺陷。

含氮铬铁简介

自蔓延高温合成技术（self–propagation high–temperature synthesis，简称SHS）也被称作燃烧合成（Combustion Synthesis）是结合自身反应放热制备材料的方法，于本世纪60年代末兴起。它的基本要素是：1、利用化学反应自身放出的热量来维持反应的进行，部分（或完全）不需要外来热量；2、自蔓延反应经过诱发开始反应后，会形成一种自上向下的燃烧波，能够自我维持反应的进行，得到所需结构成分的产品；3、通过改变释放的热量和调节传输速度，可以实现对反应过程的温度、反应快慢、转化率、产物的结构和成分的控制。

自蔓延合成最主要特点就是充分结合元素间化学反应产生的高热量，在短时间内合成高熔点、高性能的材料。自蔓延合成技术是集材料合成与烧结于一体的工艺。自蔓延高温合成反应过程里面会出现燃烧结构形成过程。结构宏观动力学是连接燃烧过程与结构形成过程的纽带。自蔓延高温燃烧过程分为四个阶段：1、燃烧反应区迅速扩充阶段；2、稳态燃烧阶段；3、降速合成阶段；4、燃烧波通过后的后燃烧阶段。

含氮铬铁优点

自蔓延高温合成技术具有以下优点：

（1）自蔓延高温合成技术不仅工艺设备简单，而且节约生产成本，其成本不到传统工艺费用的一半，消耗的能量少，生产效率高，对环境的影响小。利用此项技术生产过程中高温，可以蒸发掉反应过程中低沸点的杂质，得到纯度较高的产物。

（2）由于反应放热升温和冷却过程中存在极高的温度梯度，这会使材料出现高浓度的缺陷和非平衡结构，反应完成后能得到普通的工艺不易制备的具有高活性的亚稳态产物及复杂相。由于自蔓延的技术特点，能使合成材料拥有一些特殊性能，如烧结力，催化性能等。

（3）一些自蔓延反应体系能产生高放热，温度可达3000～4000 ℃，这是常规加热技术达不到的高温，有利于耐高温材料的合成。与常规的工艺熔铸、挤压等技术一起应用，可以生产无需深加工、形状复杂的零件结构。

（4）可以通过改变一定程度的放热和传输速度来实现对反应过程中温度、转化率、速度和产物的结构及成分控制。

（5）由于自蔓延燃烧合成自身是一个只需要几秒或几分钟极短暂的过程。反应被引燃到反应结束整个反应过程时间短，因此气氛环境对合成反应的影响不大。常规燃烧工艺不能与其相比拟。

含氮铬铁分类及应用

自蔓延高温合成技术大致分为SHS制粉技术、SHS烧结技术、SHS致密化技术、SHS熔铸技术、SHS焊接技术和SHS涂层技术这六种类型。

（1）SHS制粉技术

将反应物料在一定的气氛环境中点燃，反应完成后再把反应产物粉碎、研磨，便能得到不同规格研磨性能非常好的高质量粉末。如制备TiC粉末。通过SHS技术制备的粉末是烧结陶瓷及金属陶瓷制品的原材料。还可以生产研磨膏、防护涂层和刀具材料等。

（2）SHS烧结技术

通过固相反应烧结可以生产一定规格、形状与高质量的产品。SHS烧结还能用于生产高熔点难熔化合物产品。烧结可在真空、特殊气氛或空气中进行，温度变化对其强度受的影响不大。SHS烧结产品在生产耐火材料、过滤器和催化剂载体等行业都有应用。

（3）SHS致密化技术

SHS致密化技术是将传统致密化技术与SHS技术相结合来生产致密产品的工艺。SHS致密化技术包括SHS—动态加压、SHS—等静压、SHS—准等静压和热爆—加压等。SHS致密化技术已经是生产钨硬质合金的常规技术。

（4）SHS熔铸技术

SHS熔铸是利用反应高放热，将难熔化合物熔化成液相，再经过铸造处理，制备成难熔化合物的铸件。此项技术广泛用于钻头的制备和陶瓷内衬钢管的离心铸造等领域。

（5）SHS焊接技术

在焊件的焊缝处引发SHS反应，利用SHS反应放出的热量产生高，形成液相，直接用反应产物焊接焊缝，从而达到强力连接焊缝的目的。SHS焊接技术实现了可进行陶瓷间、金属间和陶瓷与金属间的焊接等难熔材料的焊接。

（6）SHS涂层技术

SHS涂层技术是利用气体作为传输的载体，在材料表面（如金属、陶瓷或石墨等材料表面）形成一层非常薄(厚度在2～150 μm范围内)的耐磨抗腐蚀的涂层。每一类反应原材料一般采用自己专属的气相载体运输。例如：碳的运输载体可选用氢，卤素气体运输金属物料。

以铬和铁为主要成分的铁合金。是钢铁工业用的主要合金剂之一，除了主成分铬与铁外还含有碳、硅、硫、磷等杂质。铬铁含铬55%~75%，按含碳量分为高碳(4%~10%)、中碳(0.5%~4%)、低碳(>0.15%~0.5%)和微碳(≤0.15%C)铬铁。高碳铬铁又称碳素铬铁，中、低、微碳铬铁又称精炼铬铁。一种用低铬铁比的铬矿生产的高碳铬铁，含Cr50~55%称为炉料级铬铁，还有含N₂%~10%的含氮铬铁作为氮合金剂使用，又称氮化铬铁 。

精炼铬铁是铬铁的一种提炼方法。铬铁是指铬和铁组成的铁合金，是炼钢的重要合金添加剂。冶炼铬铁用的铬铁矿一般要求含Cr₂O₃40~50%，铬与铁比值大于 2.8。大量生产的含铬50%的“装料级铬铁”，用含Cr₂O₃和铬与铁比值较低 的矿石。

铬铁按不同含碳量分为高碳铬铁包括装料级铬铁(C≦10%)、中碳铬铁（C≦4.0%）、低碳铬铁（C≦0.5%）、微碳铬铁（C≦0.15%）等。常用的还有硅铬合金、氮化铬铁等。铬铁主要用作炼钢的合金添加剂，过去都在炼钢的精炼后期加入。冶炼不锈钢等低碳钢种，必须使用低、微碳铬铁，因而精炼铬铁生产一度得到较大规模的发展。由于炼钢工艺的改进，用AOD法（见炉外精炼）等生产不锈钢等钢种时，用碳素铬铁（主要是装料级铬铁）装炉，因而只需在后期加低、微碳铬铁调整成分，所以铬铁生产重点是炼制碳素铬铁。