¿Qué es el nitruro de ferrosilicio?
El nitruro de ferrosilicio es una ferroaleación basada principalmente en nitruro de silicio (Si3N4), junto con hierro libre,-silicio sin nitrurar y una pequeña cantidad de otros componentes. Se utiliza como aditivo que contiene nitrógeno en la fabricación de acero y en la producción de refractarios. Los grados refractarios se suministran como un polvo blanquecino o marrón, mientras que los grados para fabricación de acero suelen ser material granular blanquecino, porque el aditivo debe disolverse en la masa fundida en lugar de formar una estructura refractaria.
El material resulta atractivo en la acería porque actúa de tres maneras a la vez: introduce nitrógeno, desoxida y sus productos de descomposición ayudan a eliminar el oxígeno del acero fundido. El nitrógeno que suministra es la parte que gobierna la resistencia, el comportamiento de envejecimiento y la soldabilidad del producto terminado.
Cómo ingresa el nitrógeno al acero fundido
Cuando se sumerge nitruro de ferrosilicio granular en la masa fundida, el nitruro se descompone y libera nitrógeno que se disuelve en el acero líquido. El silicio y el hierro pasan al acero o a la escoria, y el nitrógeno que permanece en solución está disponible para formar nitruros durante la solidificación y el enfriamiento. Debido a que la solubilidad del nitrógeno cae bruscamente a medida que el acero se solidifica, el nitrógeno que no es fijado por un formador de nitruro fuerte puede permanecer en la solución intersticial y moverse más tarde, lo cual es la raíz de los problemas de envejecimiento que se describen a continuación.
Por lo tanto, la práctica de la adición es tan importante como el análisis del aditivo. El material granular con una fracción de tamaño controlado se disuelve más rápido y proporciona una recuperación de nitrógeno más repetible que un producto grueso o muy segregado, y una masa fundida desoxidada retiene el nitrógeno de manera más efectiva que una que todavía está hirviendo con oxígeno.
Formas del producto y tamaño de grano
El nitruro de ferrosilicio se clasifica principalmente según el diámetro del grano, ya que la fracción de tamaño decide la rapidez con la que el aditivo se disuelve en la cuchara o en el molde. A continuación se muestra una especificación granular típica; la columna de porcentaje indica la proporción del producto que debe estar dentro de la banda de tamaño indicada.
| Formulario de producto | Diámetro del grano | Pasando el rango indicado |
|---|---|---|
| Grano fino | 3~5 milímetros | por encima del 90 % |
| grano común | 3~10 milímetros | por encima del 90 % |
| grano grueso | 10~50 milímetros | por encima del 90 % |
Se prefieren las formas en polvo y granulares finos cuando el nitrógeno debe distribuirse rápida y uniformemente, por ejemplo, en barras de refuerzo que contienen nitrógeno y en acero al silicio orientado, mientras que los gránulos más gruesos se adaptan a calores más grandes y a una inmersión más profunda.
Efectos beneficiosos del nitrógeno sobre el acero fundido
El nitrógeno no es simplemente una impureza. En cantidades controladas, es una adición de aleación deliberada con varios efectos útiles.
El nitrógeno se combina con aluminio, vanadio, niobio y titanio para formar finos nitruros y carbonitruros que fijan los límites de los granos y refinan la estructura tanto fundida como laminada.
En barras de refuerzo como la HRB400, la precipitación asistida por nitrógeno aumenta el límite elástico de modo que se pueda alcanzar el mismo nivel de resistencia con menos adición de carbono y microaleaciones.
En el acero al silicio orientado, el nitrógeno participa en el sistema inhibidor que controla el crecimiento del grano durante el procesamiento, lo que respalda las propiedades magnéticas de la lámina final.
El nitrógeno aumenta la resistencia al ablandamiento a temperaturas elevadas en algunos grados de acero, porque los nitruros formados son estables a temperaturas donde los carburos se volverían más gruesos.
El nitruro de ferrosilicio también desoxida la masa fundida, por lo que contribuye a un acero más limpio junto con el nitrógeno que aporta.
Efectos nocivos del nitrógeno y cómo se controlan
Por encima del nivel en el que el acero puede fijarse como nitruros estables, el nitrógeno pasa de ser un elemento de aleación útil a convertirse en una fuente de defectos.
Envejecimiento: el nitrógeno que queda en la solución intersticial precipita lentamente como nitruro de hierro. Los precipitados distorsionan la red metálica y generan tensión interna, por lo que el acero se vuelve quebradizo con el tiempo y su tenacidad al impacto y plasticidad disminuyen. El nitrógeno aumenta la susceptibilidad al envejecimiento de esta cepa; no mejora la resistencia al mismo y un alto contenido de fósforo empeora el efecto.
Fragilidad azul: cuando el acero con un alto contenido de nitrógeno se calienta entre 250 y 450 grados, su superficie se vuelve azul mientras que la resistencia aumenta y la tenacidad al impacto disminuye. Esta pérdida de ductilidad en el rango de calor azul debe tenerse en cuenta siempre que un componente se moldee o enderece en caliente.
Soldabilidad: a medida que aumenta el contenido de nitrógeno, el rendimiento de la soldadura se deteriora. Las consecuencias habituales son la porosidad, el endurecimiento en la zona afectada por el calor y la pérdida de tenacidad, por lo que los aceros que contienen nitrógeno necesitan un procedimiento de soldadura adaptado a su química.
Corrección del problema intersticial: añadiendo una cantidad controlada de aluminio al acero se forma AlN estable, lo que limita la formación y precipitación de Fe4N. Esto mejora el comportamiento de envejecimiento y, al mismo tiempo, las partículas de AlN restringen el crecimiento de los granos de austenita.
La regla práctica es que el nitrógeno debe especificarse, no simplemente aceptarse. Un rango de nitrógeno objetivo, una adición combinada de un formador de nitruro y un nivel de aluminio controlado juntos convierten el nitrógeno de una fuente defectuosa en una herramienta de fortalecimiento.
Preguntas frecuentes
P: ¿Para qué se utiliza el nitruro de ferrosilicio en la fabricación de acero?
Se utiliza para añadir nitrógeno al acero fundido, para desoxidar la masa fundida y para reforzar el fortalecimiento por precipitación y el refinamiento del grano en aceros que contienen nitrógeno, como barras de refuerzo y acero al silicio orientado.
P: ¿Qué significa la designación FeSi3N4?
Refleja el componente principal de la aleación, el nitruro de silicio (Si3N4), que suministra el nitrógeno. El material comercial también contiene hierro libre, silicio sin nitrurar y componentes menores, por lo que el contenido de nitrógeno del producto se cotiza por separado del análisis del nitruro de silicio puro.
P: ¿Qué causa el envejecimiento en el acero que contiene nitrógeno?
El nitrógeno que permanece en la solución intersticial precipita lentamente como nitruro de hierro después de enfriarse. Los precipitados distorsionan la red y aumentan la tensión interna, por lo que la ductilidad y la tenacidad al impacto disminuyen con el tiempo, especialmente cuando el fósforo también es alto.
P: ¿Qué es la fragilidad azul?
Es la pérdida de tenacidad al impacto que se produce cuando el acero con niveles elevados de nitrógeno se calienta a aproximadamente 250 a 450 grados, el rango en el que la superficie adquiere un tinte de óxido azul. La resistencia aumenta mientras que la dureza disminuye, por lo que el conformado y alisado en caliente necesitan cuidados.
P: ¿Cómo ayuda el aluminio cuando el nitrógeno es alto?
El aluminio es un fuerte formador de nitruros. Se combina con nitrógeno para formar AlN estable en lugar de permitir que Fe4El N precipita más tarde, lo que mejora la resistencia al envejecimiento y fija los límites de los granos de austenita durante el calentamiento.
P: ¿Cómo se debe almacenar el nitruro de ferrosilicio?
Manténgalo seco, en envases sellados o en un búnker cubierto, separado de otras ferroaleaciones. La absorción de humedad cambia la recuperación efectiva de nitrógeno y puede causar que el producto granular se apelmace, lo que luego se introduce de manera desigual en la masa fundida.