1. Уводзіны
У сучаснай металургіі сталі, легіруючыя элементы вызначаюць механічныя характарыстыкі матэрыялу, хімічны, і цеплавыя характарыстыкі.
Сярод такіх, азот (N) вылучаецца як а двусечны меч.
З аднаго боку, гэта забяспечвае выключнае ўмацаванне, grain refinement, і перавагі ўстойлівасці да карозіі; з другога, гэта можа выклікаць далікатнасць, сітаватасць, і дэфекты зваркі.
Такім чынам, авалоданне паводзінамі азоту - і дакладны кантроль яго ўтрымання - стала вырашальным для вытворцаў сталі ва ўсім свеце.
У гэтым артыкуле разглядаецца шматгранная роля азоту ў сталі, змешванне фундаментальнай навукі, дадзеныя з рэальнага свету, і перадавыя прамысловыя практыкі, каб прадставіць a прафесійны, аўтарытэтны, і варты даверу перспектыва.
2. Асновы азоту ў жалезе і сталі
Разуменне паводзін азоту ў сталі патрабуе вывучэння яго формаў, межы растваральнасці, ўзаемадзеянне з іншымі элементамі, і аналітычныя метады.
У наступных падразд, мы паглыбляемся ў кожны аспект, каб стварыць трывалую аснову для практычнага кантролю і металургічнага праектавання.
Формы і размеркаванне азоту
Першы, азот з'яўляецца ў трох асноўных станах у расплаўленай і цвёрдай сталі:
- Міжтканевы раствораны азот
Атамы азоту займаюць актаэдрычныя месцы ў рашотцы жалеза — абодва гранецэнтрычныя кубічныя (аустениты) і целацэнтрычны куб (ферыт).
У рэчаіснасці, каля 1200 °C і 1 атм, аўстэніт раствараецца да 0.11 мас.% N, у той час як ферыт змяшчае менш 0.01 вага% Пры тых жа ўмовах. - Ападкі нітрыдаў
Калі сталь астыне, моцныя элементы, якія ўтвараюць нітрыд, такія як тытан і алюміній, захопліваюць раствораны азот з адукацыяй дробных часціц (20–100 нм).
Напрыклад, AlN і TiN дэманструюць свабодную энергію ўтварэння –160 кДж/моль і –184 кДж/моль пры 1000 ° С, адпаведна, што робіць іх вельмі стабільнымі і эфектыўнымі месцамі замацавання межаў збожжа. - Газападобны азот (N₂) Кішэні
Калі раствораны N перавышае растваральнасць падчас застывання, ён можа зараджацца ў выглядзе бурбалак N₂.
Нават сціплы 0.015 вага% растворанага N можа стварыць сітаватасць роўную 0.1–0,3% аб'ёму злітка, парушэнне механічнай цэласнасці.
Растваральнасць і фазавыя раўнавагі
Next, двайковая фазавая дыяграма Fe–N выяўляе крытычныя пераходы, якія залежаць ад тэмпературы:
- Высокатэмпературнае радовішча γ-аўстэніту
Вышэй прыкладна 700 ° С, толькі адна фаза γ-аўстэніту можа ўтрымліваць N міжвузелля. Пікі растваральнасці побач 0.11 вага% каля 1 200 °C і атмасферны ціск. - Вылучэнне нітрыдаў і газаў пры тэмпературы ніжэй за 700 °C
Па меры паніжэння тэмпературы, рашотка адхіляе лішак N. Ніжэй 700 ° С, азот альбо выпадае ў асадак у выглядзе стабільных нітрыдаў (e.g., AlN, Бляшанка) або ўтварае газ N₂.
Пры пакаёвай тэмпературы, растваральнасць падае да < 0.005 вага%, таму дбайныя хуткасці астуджэння і дызайн сплаву становяцца неабходнымі для дабратворнага размеркавання N. - Ўздзеянне ціску
Павышэнне парцыяльнага ціску аргону або азоту можа зрушыць растваральнасць: а 5 атм N₂ атмасфера павышае высокатэмпературную растваральнасць да 15%,
але большасць вытворчасці сталі адбываецца паблізу 1 атм, падкрэсліваючы важнасць вакуумнай апрацоўкі для выгнання растворанага N.
Узаемадзеянне з легіруючымі элементамі
Moreover, азот дзейнічае не адзін. Ён утварае складаныя ўзаемадзеянні, якія ўплываюць на мікраструктуру і ўласцівасці:
- Моцныя ўтваральнікі нітрыдаў
Тытан, алюміній, і ніёбій блакіроўка азоту ў выглядзе TiN, AlN, або NbN.
Гэтыя ападкі замацоўваюць межы зерняў і ачышчаюць аўстэніт, які непасрэдна ператвараецца ў больш дробны ферыт або мартэнсіт пасля пераўтварэння. - Умеранае сродства з вугляродам і марганцам
Азот таксама можа злучацца з вугляродам з утварэннем Fe₄N або з марганцам з утварэннем Mn₄N.
У нізкалегаваных сталей, гэтыя нітрыды, як правіла, грубеюць па межах зерняў, зніжэнне трываласці, калі не кантраляваць. - Сінэргія з Chromium у З нержавеючай сталі
У аўстэнітных марак (e.g., 316, 2205 дуплекс), азот павышае стабільнасць пасіўнай плёнкі.
Кожны 0.1 Даданне N па масе% можа павысіць эквівалентную лічбу ўстойлівасці да пітынгу (Дрэва) па прыкладна 3 адзінак, павышэнне ўстойлівасці да карозіі, выкліканай хларыдамі.
Метады вымярэння і аналізу
На заканчэнне, дакладнае колькаснае вызначэнне азоту ляжыць у аснове любой стратэгіі кантролю. Асноўныя прыёмы ўключаюць:
- Тэрмаядзерны сінтэз інэртнага газу (Аналізатар LECO)
Аператары плавяць узор сталі ў графітавым тыглі пад геліем; вызвалены N₂ праходзіць праз інфрачырвоны дэтэктар.
Гэты метад забяспечвае ± 0.001 вага% дакладнасць аж да 0.003 мас.% агульнай N. - Гарачая экстракцыя газам-носьбітам
Тут, расплаўленыя ўзоры ў вакуумнай печы выпускаюць раствораны і аб'яднаны азот асобна.
Адсочваючы эвалюцыю N₂ у залежнасці ад часу, лабараторыі адрозніваюць міжтканкавай Н, нітрыды, і газавыя кішэні. - Вакуумны сінтэз інэртнага газу
Для праверкі эфектыўнасці этапаў дэгазацыі, многія заводы выкарыстоўваюць аналізатары вакуумнага тэрмаядзернага сінтэзу, якія працуюць пад 1–10 мбар.
Гэтыя прыборы выяўляюць змены ў колькасці растворанага азоту ніжэй за праміле, кіраўніцтва карэкціроўкай працэсу для падтрымання ўзроўню ніжэй зададзеных парогаў (e.g., ≤ 20 праміле у звышчыстых сталях).
3. Дабратворны ўплыў азоту ў сталі
Азот забяспечвае мноства пераваг, калі інжынеры дакладна кантралююць яго канцэнтрацыю.
Ніжэй, мы разглядаем чатыры асноўныя перавагі, кожная з якіх падтрымліваецца колькаснымі дадзенымі і спалучаецца з выразнымі пераходамі, каб паказаць, як N павышае прадукцыйнасць сталі.
Умацаванне цвёрдым растворам
Перш за ўсё, раствораныя атамы азоту скажаюць рашотку жалеза і перашкаджаюць руху дыслакацый.
Кожны 0.01 вага% міжтканкавага N звычайна дадае ≈ 30 МПА здавацца сілай.
Напрыклад, у микролегированной сталі, якая змяшчае 0.12 мас.% С і 0.03 мас.% N, мяжа цякучасці падымаецца з 650 МПа да больш 740 МПа—павелічэнне больш чым на 14%—са сціплым кампрамісам у пластычнасці.
Ачыстка збожжа праз ападкі нітрыдаў
Moreover, азот утварае звыштонкія нітрыды (20–100 нм) з моцнымі нитридообразователями, такімі як Al і Ti.
Падчас кантраляванага астуджэння, гэтыя ападкі замацоўваюць межы зерняў аўстэніту. Такім чынам, сярэдні памер зерня аўстэніту скарачаецца з прыкладна 100 мкм уніз да 20–30 мкм.
Па чарзе, вытанчаная мікраструктура павышае ўдарную глейкасць па Шарпі-V пры –20 °C да 15 J, адначасова паляпшаючы раўнамернае падаўжэнне на 10–12%.
Павышэнне ўстойлівасці да карозіі
У дадатак, азот умацоўвае ўстойлівасць да кропкавай і шчыліннай карозіі ў нержавеючай і дуплекснай сталі.
Напрыклад, дадаючы 0.18 мас.% N да а 22 Дуплексная марка Cr–5 Ni–3 Mo павялічвае эквівалентнае лік устойлівасці да пітынгу (Дрэва) прыблізна 10 адзінак.
У выніку, хуткасць пітынгавай карозіі матэрыялу 3.5 мас.% NaCl зніжаецца амаль 30%, што падаўжае тэрмін службы ў марскіх і хімічных асяроддзях.
Палепшаная працаздольнасць да стомленасці і паўзучасці
На заканчэнне, пры цыклічнай нагрузцы, сталі, умацаваныя азотам, паказваюць а 20–25% больш працяглы тэрмін службы пры стомленасці пры амплітудзе напружання вышэй 400 МПА.
Сапраўды гэтак жа, у выпрабаваннях на паўзучасць пры 600 °C і 150 МПА, сталей, якія змяшчаюць 0.02–0,03 мас.% N выстава а 10–15% меншая мінімальная хуткасць паўзучасці ў параўнанні з аналагамі з нізкім N.
Гэта паляпшэнне звязана са здольнасцю нітрыдных сетак супрацьстаяць слізгаценню межаў збожжа і ўзнікненню пустэч.
стол 1: Дабратворны ўплыў азоту ў сталі
| Вынік | Механізм | Тыповы дыяпазон N | Колькаснае ўздзеянне |
|---|---|---|---|
| Умацаванне цвёрдым растворам | Прамежкавы N скажае рашотку, прадухіляе вывіхі | +0.01 мас.% на крок | +≈ 30 Мпа мяжа цякучасці за 0.01 мас.% N |
| Дапрацоўка збожжа | Нана-нітрыд (AlN/TiN) абложвае кантактныя межы аўстэніту | 0.02–0,03 мас.% | Памер збожжа ↓ ад ~100 мкм да 20–30 мкм; Уздзеянне Шарпі ↑ на да 15 J пры -20 °C |
| Каразія супраціву | N стабілізуе пасіўную плёнку, павышае PREN | 0.10–0,20 мас.% | Дрэва +10 адзінак; каэфіцыент пітынгу ў 3.5 мас.% NaCl ↓ на ≈ 30 % |
| Стомленасць & Прадукцыйнасць Creep | Нітрыдныя сеткі перашкаджаюць слізгаценню межаў і росту пустэч | 0.02–0,03 мас.% | Стомленасць +20–25 % пры ≥ 400 МПА; хуткасць паўзучасці ↓ 10–15 % каля 600 ° С, 150 МПА |
4. Шкоднае ўздзеянне азоту ў сталі
У той час як азот прыносіць відавочную карысць, яго лішак прыводзіць да сур'ёзных праблем з прадукцыйнасцю і апрацоўкай.
Ніжэй, мы падрабязна апісваем чатыры асноўныя недахопы - кожны з іх падкрэсліваецца колькаснымі дадзенымі і звязаны з пераходамі, каб вылучыць прычыну і следства.
Хрупкасць пры старэнні пры пакаёвай тэмпературы («Блакітная далікатнасць»)
Аднак, сталі, якія змяшчаюць больш чым 0.02 мас.% N часта пакутуюць далікатнасцю пры ўтрыманні 200–400 °C.
Больш за паўгода, грубыя нітрыдныя сеткі (e.g., Fe₄N і Mn₄N) форма па межах зерняў.
У выніку, Ударная глейкасць па Шарпі-V можа рэзка знізіцца 50% (напрыклад, ад 80 J аж да 35 Дж ат 25 ° С), пагаршэнне пластычнасці і рызыка парэпання ў працэсе эксплуатацыі ў нізкавугляродзістых канструкцыйных сталях.
Высокатэмпературная далікатнасць і страта пластычнасці пры гарачым стане
Moreover, падчас павольнага астывання 900–1000 °C, Nb-змяшчальныя сталі (0.03 Nb–0,02 C–0,02 N) дробны асадак (НБ, C)N часціцы ўнутры былых зерняў аўстэніту.
Такім чынам, падаўжэнне пры расцяжэнні рэзка падае—ад 40% да пад 10%—парушаецца формуемость падчас кавання або пракаткі.
Акрамя таго, ніжэй 900 ° С, AlN утвараецца на межах зерняў, пагаршэнне межкристаллитного парэпання і абмежаванне магчымасці гарачай апрацоўкі ў высокалегаваных або микролегированных сталях.
Газавая сітаватасць і дэфекты ліцця
У дадатак, расплаўленых сталей з раствораным N вышэй 0.015 вага% можа вылучаць N₂ падчас застывання, стварэнне сітаватасці, якая займае да 0.3% аб'ёму злітка.
Гэтыя мікрадзірыны служаць канцэнтратарамі напружання: выпрабаванні на стомленасць паказваюць а 60% скарачэнне жыцця пры цыклічным выгібе.
Сапраўды гэтак жа, статычная трываласць на разрыў можа знізіцца 5–10% у зрэзах таўсцейшым за 100 мм, дзе больш за ўсё запасіцца газ.
Праблемы зварваемасці: Гарачы крэкінг і нітрыдныя ўключэнні
На заканчэнне, пры дуговой зварцы, хуткія цеплавыя цыклы вызваляюць раствораны азот у выглядзе бурбалак газу і ствараюць уключэнні нітрыдаў з высокай тэмпературай плаўлення ў зонах тэрмаплаўлення і цеплавога ўздзеяння.
Такім чынам, адчувальнасць да гарачых расколін павышаецца 20–30%, у той час як ударная глейкасць зварнога металу можа знізіцца 25% (e.g., ад 70 J гэта 52 J пры -20 °C).
Такія дэфекты часта патрабуюць тэрмічнай апрацоўкі пасля зваркі або спецыяльных расходных матэрыялаў, даданне кошту і складанасці вырабу.
стол 2: Шкоднае ўздзеянне азоту ў сталі
| Вынік | Механізм | Парог N Узровень | Колькаснае ўздзеянне |
|---|---|---|---|
| Хрупкасць пры старэнні пры пакаёвай тэмпературы («Сіні») | Грубы Fe₄N/Mn₄N утвараецца ўздоўж межаў падчас старэння пры 200–400 °C | > 0.02 вага% | Цвёрдасць па Шарпі ↓ > 50 % (e.g., ад 80 J гэта 35 Дж ат 25 ° С) |
| Высокатэмпературная далікатнасць & Страта пластычнасці ў гарачым стане | (НБ,C)N і AlN выпадаюць у асадак пры 900–1 000 °C павольнае астуджэнне | ≥ 0.02 вага% | Падаўжэнне ↓ ад 40 % да < 10 %; моцная страта формуемости |
| Газавая сітаватасць & Дэфекты ліцця | Лішак бурбалак N₂ утварае сітаватасць падчас застывання | > 0.015 вага% | Сітаватасць да 0.3 % аб'ём; даўгавечнасць ↓ ≈ 60 %; трываласць на разрыў ↓ 5–10 % |
| Праблемы зварваемасці | Вылучэнне N₂ і ўключэнні нітрыдаў у зонах расплаўлення/ЗТВ | ≥ 0.01 вага% | Адчувальнасць да гарачых расколін +20–30 %; трываласць наплавленага металу ↓ 25 % (70 J → 52 J пры -20 °C) |
5. Стратэгіі дакладнага кантролю азоту
Першасная вытворчасць сталі
Для пачатку, ДСП і BOF выкарыстоўваць мяшанне інэртным газам (ар, Co₂) па стаўках, якія перавышаюць 100 Нм³/хв, дасягненне да 60% Выдаленне N за цыкл.
Другасная металургія
Пасля, вакуумная дэгазацыя (VD/VOD) пад < 50 мбар ціск ліквідуе да 90% рэшткавага Н, у той час як толькі ачыстка аргонам толькі выдаляе 40–50%.
Нацэльванне на расліны ≤ 0.008 вага% N часта плануюць два або больш праходаў VD.
Тэхніка пераплаўлення
У дадатак, СОЭ і Наш не толькі палепшыць чысціню ўключэнняў, але і паменшыць N на 0.005 вага% у параўнанні са звычайнымі зліткамі з-за моцнага цяпла і нізкага ціску.
Практыкі чыстай сталі
На заканчэнне, звядзенне да мінімуму ўздзеяння атмасферы падчас залівання праз герметычныя каналы і аргонавыя кажухі прадухіляе паўторнае паглынанне N, дапамагае падтрымліваць N ніжэй 20 праміле у звышчыстых гатунках.
6. Прамысловыя тэматычныя даследаванні
| Прымяненне | Стратэгія | N Узровень | Ключавая перавага |
|---|---|---|---|
| 9Cr–3W–3Co Нержавеючая сталь са звышнізкім N | ДСП + шматступеньчатая ВД + СОЭ | ≤ 0.010 вага% (100 праміле) | +12 Цвёрдасць па Шарпі пры –40 °C |
| Трансфарматар HiB з крэмніевай сталі | Сціснутыя тэрміны & адбор (± 5 с) | 65–85 праміле | –5% страты ядра; +8% магнітная пранікальнасць |
| 1 100 Сталь для зварачнага дроту МПа | Цюнінг сплаў + аптымізацыя працэсаў | 0.006–0,010 вага% | На расцяжэнне > 1 100 МПА; падаўжэнне ≥ 12% |
| 5 Звышчыстае жалеза класа N | Электроліз → вакуумная плаўка → ВЗМ | Агульны газ ~ 4.5 праміле | Паўправадніковы & магнітная чысціня |
7. Азот
За межамі масавага кантролю N, азатаванне паверхні стварае лакальнае зацвярдзенне.
Бензін, плазма, або азотаванне ў салянай ванне ўводзіць да 0.5 вага% N у а 0.1–0,3 мм дыфузійны пласт, павышэнне цвёрдасці паверхні ад ~200 HV да 800–1 000 Hv.
Тым не менш, празмернае або незагартаванае азотаванне можа ўтварыць далікатныя «белыя пласты» ε-Fe₂₋₃N, якія трэскаюцца пры стомленасці, так пасля азатавання адпачынак (≈ 500 °C для 2 ч) часта варта для аптымізацыі трываласці.
8. Высновы
Азот сапраўды дзейнічае як "двойная рука" ў металургіі сталі.
Пры кантролі ў цесных вокнах (звычайна 0,005–0,03 мас.%), гэта забяспечвае ўмацаванне цвёрдага раствора, grain refinement, і павышэнне ўстойлівасці да карозіі.
І на карысці, лішак N выклікае далікатнасць, сітаватасць, і праблемы зваркі.
Вось чаму, Сучасная вытворчасць сталі выкарыстоўвае пашыраную дэгазацыю, пераплаўленне, і тактыка чыстай сталі - разам з аналізам у рэальным часе - каб замацаваць азот на самым карысным узроўні.
Сталь развіваецца ў бок павышэння прадукцыйнасці і ўстойлівасці, авалоданне двайной прыродай азоту застаецца найважнейшай кампетэнцыяй як для металургаў, так і для інжынераў-тэхнолагаў.
Гэтае гэта ідэальны выбар для вашых вытворчых патрэб, калі вам трэба высакаякасная сталь.
FAQ
Ці можа азот палепшыць каразійную ўстойлівасць нержавеючай сталі?
Так. Напрыклад, дадаючы 0.18 мас.% N да дуплекснага гатунку (22 Cr–5 Ni–3 Mo) падымае
яго PREN на ≈ 10 адзінак і зніжае каэфіцыент пітынгу ў 3.5 мас.% NaCl прыкладна 30%, падаўжэнне тэрміну службы ў агрэсіўных асяроддзях.
Якія аналітычныя метады колькасна вызначаюць азот у сталі?
- Тэрміны інэртнага газу (ЛЕКА): ± 0.001 дакладнасць мас.% для агульнай N.
- Гарачая экстракцыя газу-носьбіта: Аддзяляе раствораны, нітрыд-звязаны, і газападобны N₂ для дэталёвага спецыфікацыі.
- Вакуумны плаўленне: Працуе пад ціскам 1–10 мбар, каб выявіць змены ніжэй праміле пасля дэгазацыі.
Чым азотаванне адрозніваецца ад масавага кантролю азоту?
Аб'ёмны кантроль азоту прадугледжвае агульнае ўтрыманне азоту на ўзроўні 0,005–0,03 мас.% для ўнутраных уласцівасцей.
У адрозненне, азатаванне паверхні (бензін, плазма, саляныя ванны) распаўсюджваецца да 0.5 мас.% N у пласт 0,1-0,3 мм,
павышэнне цвёрдасці паверхні (200 HV → 800–1 000 Hv) але патрабуе загартоўкі пасля азотавання, каб пазбегнуць далікатных белых слаёў.
Вытворцы сталі выкарыстоўваюць вакуумна-дугавы пераплаў (Наш) або электрашлакавы пераплаў (СОЭ) выкідваць N пры высокіх тэмпературах і нізкіх цісках.
Дадаткова, герметычныя каўшы і ахоўныя аргонавыя або азотныя кажухі падчас адводу прадухіляюць рэабсорбцыю N, памяншэнне сітаватасці да < 0.1%.
