增氮金属锰粉

    含氮金属锰用于冶炼多组分合金钢，氮能提高钢的强度和塑性，氮是属于扩大奥氏体区的元素。因此，锰与氮可以代替不锈钢中许多牌号中的镍，如奥氏体-铁素体不锈耐酸钢(1Cr18MnlONi5Mo3N)和节镍奥氏体-铁素体不锈耐酸钢(OCr17Mn14Mo2N)等，可节镍60%以上。镍是一种稀少的重金属元素，资源有限，且价格昂贵，用金属锰或氮化锰代镍具有明显的经济价值，并且有良好的市场前景。
    氮气为双原子分子，氮原子由三对电子结合而成，形成三个共价键，其键能高达949.571J/mol ,远大于其他双原子分子的键能(如H₂和O₂)，因而氮分子的结构很稳定。化学性能不活泼，很难与其他物质发生化学反应，但在高温下可获得足够能量，促使其共价键断裂。这样就可与某些金属、非金属反应生成氮化物。
    氮在钢中的主要作用是固溶强化及时效沉淀强化；形成和稳定奥氏体组织，其作用十倍于镍；改善高铬和高铬镍钢的宏观组织，使之致密坚实，并提高强度；与钢中Cr,Al,V,Ti等合金元素化合形成氮化物，提高钢的强度、硬度、耐磨性和抗蚀性等。
    对于晶粒粗大的低碳高铬钢，加入适当的氮后，由于形成少量的奥氏体和存在很多细小的氮化物质点，将限制铁素体晶粒的长大，从而获得细晶组织，有利于提高钢的冲击韧性及改善其焊接性能。
    以氮代镍可节约昂贵的金属镍，从而大幅度降低生产成本。基于含氮锰的上述作用，往往在冶炼某些合金时需同时加入。单独加入时，锰极易氧化。氮因密度极小而不易加入，往往在冶炼某些合金时需同时加入，而且锰氮利用率较高。
    由热力学数据及Mn-N系在常压下的平衡相图可知，纯锰在常压下与氮反应可生成Mn₄N,Mn₅N₂,Mn₃N₂和Mn₂N。形成氮化物的标准自由能与温度的关系如图1所示。由图1可知，在一定温度范围内形成氮化锰的△G值远小于0,因此氮化锰易于生成且稳定性好。由Mn-N二元相图(图2)可知，氮在FeMn中的溶解度随锰含量的增加而提高，可见金属锰氮化效果应该比铁好。

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    在Mn-N系中，除化合物外还存在固溶体，经测定氮在a锰中溶解度大约是0.15%，而在β-Mn中的溶解度要大得多。固溶体中含氮2.31%~3.26%时，固溶体的基体是Mn₄N，含氮量为6.52%~9.22%时，固溶体的基体是Mn₄N和Mn₅N₂，而含氮量为9.22%时，氮以化合物Mn₅N₂形式存在。
    氮化锰的标准生成自由能(25℃)及Mn-N二元相图(如图2所示)。
    氮化工艺:氮化锰的生产工艺主要有三种，用氮气或固态含氮物质使液态金属渗氮；使粉状固体金属粉末渗氮；用金属粉末和含氮物质(氨基氰钙)及粘结剂共同压块烧结渗氮。
    使液态金属锰渗氮时，若氮气压力不变，则合金中氮的溶解度随温度的升高而下降。
    当PN₂=105Pa时，液态金属锰在1300℃时N₂的溶解度为2.5%，而在1500℃时为1.6%。
    液态金属锰中氮的溶解度随氮气压力的增加而增大。
    俄罗斯学者曾建议在氮气压力为(8~18)x10⁵Pa的炉内进行渗氮。
    液态金属渗氮工艺方法的缺点是含氮量很低。
    固态金属粉末渗氮可以得到含氮量高的金属粉末或压块。但其渗氮速度由氮的扩散改速度决定。因此，渗氮速度慢。除此之外，用此法制得的粉状金属密度小，氮不易被钢液吸收，只有60%~80%的氮被吸收。可以采用重熔法制取致密的含氮量高的金属锰再加入到钢液中。
    20世纪70年代，前苏联黑色冶金中央研究院和扎波罗什铁合金厂曾采用金属锰粉生产含氮金属锰，其过程如下：
    金属锰粉放入一个圆筒型电炉里进行氮化。圆筒与水平线的夹角为三度，粉末占圆筒体积的7%~9%，氮气事先预热，金属锰粉含氮5%~6%；产品电耗1270kW·h/t，氮耗约500m³/t。
    我国重庆大学与重庆三角滩锰业公司曾研究过采用固态氮化方法生产氮化锰工艺。该工艺是在高温下利用氨气分解产生的氮对锰粉氮化而获得氮化锰，该项试验对锰粉粒度、氮化时间和氮化速度等因素进行了研究。试验结果表明，金属锰粉粒度对氮化过程影响很大，当温度高于600℃条件下，可以获得含N₂量6.90%的氮化锰。
    目前，国内外生产氮化锰多采用金属粉末固态氮化生产。南非是世界上氮化锰生产的主要国家。