1. مقدمه
در متالورژی فولادی معاصر, عناصر آلیاژ مکانیکی یک ماده را دیکته می کنند, شیمیایی, و عملکرد حرارتی.
از جمله اینها, نیتروژن (ن) به عنوان یک شمشیر دو لبه.
از یک دست, این تقویت استثنایی را ارائه می دهد, پالایش غلات, و مزایای مقاومت در برابر خوردگی; از طرف دیگر, این می تواند آغوش را رسوب دهد, تخلخل, و نقص جوشکاری.
در نتیجه, تسلط بر رفتار نیتروژن - و کنترل محتوای آن با دقت - برای سازندگان فولاد در سراسر جهان بسیار مهم است.
در این مقاله نقش چند جانبه نیتروژن در فولاد بررسی شده است, مخلوط کردن علم اساسی, داده های دنیای واقعی, و بهترین شیوه های صنعتی برای ارائه حرفه ای, معتبر, و معتبر چشم انداز.
2. اصول نیتروژن در آهن و فولاد
درک رفتار نیتروژن در فولاد نیاز به بررسی اشکال آن دارد, محدودیت های حلالیت, تعامل با عناصر دیگر, و روشهای تحلیلی.
در زیر بخش های زیر, ما برای ایجاد یک پایه محکم برای کنترل عملی و طراحی متالورژی به هر جنبه ای می پردازیم.
اشکال و توزیع نیتروژن
اولی, نیتروژن در سه حالت اصلی در فولاد مذاب و جامد ظاهر می شود:
- نیتروژن حل شده بینابینی
اتم های نیتروژن مکان های هشت ضلعی را در شبکه آهن اشغال می کنند-هر دو مکعب صورت محور (آستنیت) و مکعب بدن محور (فریت).
در واقع, در 1200 ° C و 1 دستگاه خودپرداز, آستنیت حل می شود 0.11 وزنی ٪ n, در حالی که فریت کمتر از 0.01 وزنی ٪ در همان شرایط. - نیترید رسوب می کند
وقتی فولاد خنک می شود, عناصر تشکیل دهنده نیترید قوی مانند تیتانیوم و ضبط آلومینیوم N حل شده N برای تشکیل ذرات ریز (20–100 nm).
به عنوان مثال, نمایشگاه ALN و قلع انرژیهای رایگان -160 کیلوژول در مول و -184 kJ/mol در 1000 درجه سانتی گراد, به ترتیب, که باعث می شود آنها سایتهای پین کردن دانه مرزی بسیار پایدار و مؤثر باشد. - نیتروژن گازی (نصف النهار) جیب
اگر حل شود N در حین جامد بیش از حلالیت است, این می تواند به عنوان حباب N₂ ایجاد شود.
حتی یک متوسط 0.015 وزنی ٪ از N محلول ممکن است تخلخل برابر با 0.1-0.3 ٪ از حجم شمش, سازش یکپارچگی مکانیکی.
حلالیت و تعادل فاز
بعدی, نمودار فاز باینری FE-N انتقال وابسته به دما را نشان می دهد:
- میدان γ-austenite درجه حرارت بالا
بالاتر از تقریباً 700 درجه سانتی گراد, فقط یک فاز γ-austenite می تواند N بینابینی را نگه دارد. قله های حلالیت در نزدیکی 0.11 وزنی ٪ در 1 200 درجه سانتیگراد و فشار جوی. - زیر 700 درجه سانتیگراد نیترید و تکامل گاز
با کاهش دما, شبکه بیش از حد n را رد می کند. در زیر 700 درجه سانتی گراد, نیتروژن یا به عنوان نیتریدهای پایدار رسوب می کند (به عنوان مثال, AlN, TiN) یا گاز N₂ را تشکیل می دهد.
در دمای اتاق, حلالیت به < 0.005 وزنی ٪, بنابراین نرخ خنک کننده دقیق و طراحی آلیاژ برای توزیع N سودمند ضروری می شود. - اثرات فشار
افزایش فشار جزئی آرگون یا نیتروژن می تواند حلالیت را تغییر دهد: الف 5 جو ATM N₂ باعث افزایش حلالیت درجه حرارت بالا تا حداکثر می شود 15%,
اما بیشتر فولاد سازی در نزدیکی اتفاق می افتد 1 دستگاه خودپرداز, تأکید بر اهمیت درمانهای خلاء برای بیرون کشیدن N.
تعامل با عناصر آلیاژ
علاوه بر این, نیتروژن به تنهایی عمل نمی کند. این تعامل پیچیده ای را ایجاد می کند که بر ساختار و خاصیت تأثیر می گذارد:
- شکل دهنده های نیترید قوی
تیتانیوم, آلومینیوم, و Niobium Nitrogen را به عنوان قلع قفل می کند, AlN, یا NBN.
این رسوبات مرزهای دانه پین و تصفیه آستنیت, که به طور مستقیم پس از تحول به فریت ریزتر یا مارتنزیت ترجمه می شود. - وابستگی های متوسط با کربن و منگنز
نیتروژن همچنین می تواند با کربن ترکیب شود تا بتواند Fe₄n یا با منگنز را به دست آورد تا mn₄n را تشکیل دهد.
در فولادهای کم آلیاژ, این نیتریدها تمایل به درشت در امتداد مرزهای دانه دارند, کاهش سختی در صورت عدم بررسی. - هم افزایی با کروم در فولادهای ضد زنگ
در نمرات آستنیتی (به عنوان مثال, 316, 2205 دوبلکس), نیتروژن ثبات فیلم منفعل را تقویت می کند.
هر یک 0.1 WT ٪ n علاوه بر این می تواند تعداد معادل مقاومت گودال را بالا ببرد (چوب) در حدود 3 واحد, بهبود مقاومت در برابر خوردگی ناشی از کلرید.
روش های اندازه گیری و تجزیه و تحلیل
در نهایت, کمیت دقیق نیتروژن زیربنای هر استراتژی کنترل است. تکنیک های اصلی شامل:
- همجوشی گاز بیرونی (آنالایزر لکو)
اپراتورها یک نمونه فولادی را در یک گرافیت گرافیت تحت هلیوم ذوب می کنند; Niled Lired از یک ردیاب مادون قرمز عبور می کند.
این روش ارائه می دهد ± 0.001 وزنی ٪ دقت پایین به 0.003 وزنی ٪ کل n. - استخراج داغ حامل
اینجا, نمونه های مذاب در انتشار کوره خلاء به طور جداگانه حل و ترکیبی.
با نظارت بر تکامل N₂ در مقابل زمان, آزمایشگاه ها بین n بینابینی تفاوت قائل می شوند, نیتریدها, و جیب های گازی. - همجوشی با گاز بیرونی
برای تأیید اثربخشی مراحل degassing, بسیاری از گیاهان از آنالایزرهای فیوژن خلاء استفاده می کنند که تحت آن کار می کنند 1-10 MBAR.
این ابزارها تغییرات زیر PPM را در N محلول تشخیص می دهند, تنظیم تنظیم فرآیند برای حفظ سطح زیر آستانه های هدفمند (به عنوان مثال, ≤ 20 PPM در فولادهای فوق العاده تمیز).
3. اثرات مفید نیتروژن در فولاد
هنگامی که مهندسان غلظت آن را دقیقاً کنترل می کنند ، نیتروژن مزایای مختلفی را ارائه می دهد.
در زیر, ما چهار مزیت اصلی را بررسی می کنیم - هرکدام توسط داده های کمی پشتیبانی می شوند و با انتقال شفاف به هم گره خورده اند تا نشان دهند که چگونه N عملکرد فولاد را بالا می برد.
تقویت جامد
اول و مهمتر, اتم های نیتروژن حل شده ، شبکه آهن را تحریف می کنند و مانع از حرکت دررفتگی می شوند.
هر 0.01 وزنی ٪ از n بینابینی به طور معمول اضافه می کند ± 30 MPa برای به دست آوردن قدرت.
به عنوان مثال, در یک فولاد ریز آلیاژ حاوی 0.12 وزنی ٪ c و 0.03 وزنی ٪ n, قدرت عملکرد صعود از 650 MPA به بیش از 740 MPA-با افزایش بیش از 14 ٪-تنها با یک تجارت متوسط در انعطاف پذیری.
پالایش دانه از طریق رسوبات نیترید
علاوه بر این, نیتروژن نیتریدهای فوق العاده ای را تشکیل می دهد (20–100 nm) با سازندگان نیترید قوی مانند AL و Ti.
در حین خنک کننده کنترل شده, این رسوبات مرزهای دانه آستنیت. در نتیجه, اندازه دانه آستنیت متوسط از تقریباً کوچک می شود 100 میکرومتر به سمت 20-30 میکرومتر.
به نوبه خود, ریزساختار تصفیه شده ، چقرمگی تأثیر Charpy-V را در دمای 20 درجه سانتیگراد افزایش می دهد تا حداکثر 15 جی, در عین حال بهبود کشیدگی یکنواخت با 10-12 ٪.
تقویت مقاومت در برابر خوردگی
علاوه بر این, نیتروژن در استیل های ضد زنگ و دوبلکس ، مقاومت در برابر چاله و مقاومت در برابر شکاف را تقویت می کند.
به عنوان مثال, اضافه کردن 0.18 وزنی ٪ n به 22 درجه دوبلکس CR -5 Ni -3 MO تعداد معادل مقاومت گودال خود را افزایش می دهد (چوب) تقریباً 10 واحد.
در نتیجه, میزان خوردگی مواد در 3.5 NaCl ٪ NaCl تقریباً توسط 30%, که عمر خدمات را در محیط های فرآیند دریایی و شیمیایی گسترش می دهد.
بهبود خستگی و عملکرد خزش
در نهایت, تحت بارگذاری چرخه ای, فولادهای تقویت شده با نیتروژن نشان می دهد 20-25 ٪ عمر خستگی طولانی تر در دامنه استرس فوق 400 MPa.
به همین ترتیب, در تست های خزش در 600 ° C و 150 MPa, فولادهای حاوی 0.02-0.03 درصد وزنی N نمایشگاه 10–15 ٪ حداقل نرخ خزش پایین تر در مقایسه با همتایان کم N آنها.
این بهبود ناشی از توانایی شبکه های نیترید در مقاومت در برابر کشویی و شروع خالی بودن دانه است.
جدول 1: اثرات مفید نیتروژن در فولاد
| اثر | مکانیسم | دامنه N معمولی | تأثیر کمی |
|---|---|---|---|
| تقویت جامد | N بینابینی شبکه را تحریف می کند, مانع جابجایی می شود | +0.01 درصد وزنی در هر افزایش | +± 30 قدرت عملکرد MPA در هر 0.01 وزنی ٪ n |
| پالایش غلات | نانو نیترید (الن/قلع) مرزهای آستنیت را پین می کند | 0.02-0.03 درصد وزنی ٪ | اندازه دانه ↓ از 100 میکرومتر تا 20-30 میکرومتر; تأثیر Charpy تا حداکثر 15 j در -20 درجه سانتیگراد |
| مقاومت در برابر خوردگی | n فیلم منفعل را تثبیت می کند, افزایش | 0.10-0.20 درصد وزنی | چوب +10 واحد; نرخ گودال در 3.5 وزنی ٪ NaCl ↓ توسط 30 % |
| خستگی & عملکرد خزش | شبکه های نیترید مانع از کشویی مرزی و رشد باطل می شوند | 0.02-0.03 درصد وزنی ٪ | زندگی خستگی +20-25 % در 400 MPa; نرخ خزش ↓ 10-15 % در 600 درجه سانتی گراد, 150 MPa |
4. اثرات مضر نیتروژن در فولاد
در حالی که نیتروژن مزایای روشنی دارد, اضافی آن منجر به عملکرد جدی و مشکلات پردازش می شود.
در زیر, ما چهار اشکال اصلی را شرح می دهیم - هرکس توسط داده های کمی تأکید شده و با انتقال برای برجسته کردن علت و معلول مرتبط است.
پیری در دمای اتاق ("شکنندگی آبی")
با این حال, فولادهای حاوی بیش از 0.02 وزنی ٪ n غالباً هنگام نگهداری از آغوش رنج می برند 200-400 درجه سانتیگراد.
بیش از شش ماه, شبکه های نیترید درشت (به عنوان مثال, fe₄n و mn₄n) در امتداد مرزهای دانه شکل بگیرید.
در نتیجه, چقرمگی ضربه ای charpy-v می تواند بیش از حد کاهش یابد 50% (به عنوان مثال, از 80 j پایین به 35 j در 25 درجه سانتی گراد), تضعیف انعطاف پذیری و خطر ترک خوردگی ضمن خدمت در فولادهای ساختاری کم کربن.
آغوش با دمای بالا و از دست دادن تحریکات گرم
علاوه بر این, در هنگام خنک شدن آهسته از طریق 900-1000 درجه سانتیگراد, فولادهای تحمل NB (0.03 NB -0.02 C -0.02 N) ریزش خوب (NB, سی)ذرات N در داخل دانه های آستنیت سابق.
در نتیجه, کشیدگی کششی به شدت کاهش می یابد - از 40% به زیر 10%- سازنده سازندگی در هنگام جعل یا نورد.
علاوه بر این, زیر 900 درجه سانتی گراد, ALN در مرزهای دانه شکل می گیرد, تشدید ترک خوردگی بین دانه ای و محدود کردن قابلیت کار گرم در فولادهای آلیاژ بالا یا میکرو آلیاژ.
تخلخل گاز و نقص ریخته گری
علاوه بر این, فولادهای مذاب با N در بالا حل شده 0.015 وزنی ٪ می تواند در حین استحکام از بین برود, ایجاد تخلخل که اشغال می شود 0.3% حجم شمش.
این میکرو سوراخ ها به عنوان کنسانتره استرس عمل می کنند: تست های خستگی نشان می دهد 60% کاهش زندگی تحت خم چرخه.
به همین ترتیب, مقاومت کششی استاتیک ممکن است کاهش یابد 5-10 ٪ در بخش های ضخیم تر از 100 میلی متر, جایی که گاز به دام افتاده بیشتر جمع می شود.
مسائل مربوط به جوشکاری: ترک خوردگی گرم و نیترید
در نهایت, در طول جوش قوس, چرخه های حرارتی سریع N را به عنوان حباب گاز حل می کنند و در مناطق همجوشی و تحت تأثیر گرما ، اجزاء نیترید ذوب بالا ایجاد می کنند.
در نتیجه, حساسیت به صورت داغ توسط افزایش می یابد 20-30 ٪, در حالی که سختی ضربه فلزی جوش می تواند کاهش یابد 25% (به عنوان مثال, از 70 j به 52 j در -20 درجه سانتیگراد).
چنین نقص هایی اغلب باعث افزایش گرمای پس از جوش یا مواد مصرفی تخصصی می شوند, افزودن هزینه و پیچیدگی به ساخت.
جدول 2: اثرات مضر نیتروژن در فولاد
| اثر | مکانیسم | آستانه n سطح | تأثیر کمی |
|---|---|---|---|
| پیری در دمای اتاق ("آبی") | فرم درشت fe₄n/mn₄n در امتداد مرزها در طی 200-400 درجه سانتیگراد پیری | > 0.02 وزنی ٪ | چقرمگی چارپی ↓ > 50 % (به عنوان مثال, از 80 j به 35 j در 25 درجه سانتی گراد) |
| آغوش با درجه حرارت بالا & از دست دادن تحرک گرم | (NB,سی)N و ALN در طی 900-1 رسوب می کند 000 ° C خنک کننده آهسته | ≥ 0.02 وزنی ٪ | کشیدگی ↓ از 40 % به < 10 %; از دست دادن شدید قابلیت تشکیل |
| تخلخل گاز & عیوب ریخته گری | حباب های اضافی N₂ در حین جامد تخلخل تشکیل می دهند | > 0.015 وزنی ٪ | تخلخل تا 0.3 % حجم; عمر خستگی ↓ 60 %; مقاومت کششی ↓ 5-10 % |
| مسائل مربوط به جوشکاری | اجزاء تکامل و نیترید در مناطق فیوژن/HAZ | ≥ 0.01 وزنی ٪ | حساسیت با خرد داغ +20-30 %; چقرمگی فلزی جوش 25 % (70 j 52 j در -20 درجه سانتیگراد) |
5. استراتژی هایی برای کنترل دقیق نیتروژن
فولاد سازی اولیه
برای شروع, EAF و BOF از GA های بی اثر استفاده کنید (آر, همکار) با نرخ بیش از 100 nm³/min, دستیابی به 60% n حذف در هر چرخه.
متالورژی ثانویه
متعاقباً, خلاء (VD/VOD) زیر < 50 مگس فشار از بین می رود 90% باقیمانده n, در حالی که پاکسازی آرگون به تنهایی فقط از بین می رود 40-50 ٪.
گیاهان هدفمند ≤ 0.008 وزنی ٪ n اغلب دو یا چند پاس VD را برنامه ریزی کنید.
تکنیک های بازسازی
علاوه بر این, ESR و ما نه تنها پاکیزگی گنجاندن را اصلاح کنید بلکه N را کاهش دهید 0.005 وزنی ٪ نسبت به شمشهای معمولی به دلیل گرمای شدید و فشار کم.
روشهای تمیز و تمیز
در نهایت, به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض جوی در حین ریختن از طریق تکه های مهر و موم شده و کفن های آرگون مانع از جذب مجدد N می شود, کمک به حفظ N در زیر 20 PPM در نمرات فوق العاده تمیز.
6. مطالعات موردی صنعتی
| برنامه | استراتژی | سطح n | مزیت کلیدی |
|---|---|---|---|
| 9CR -3W -3CO Ultra - Low - N ضد زنگ | EAF + VD چند مرحله ای + ESR | ≤ 0.010 وزنی ٪ (100 PPM) | +12 سختی j charpy در -40 درجه سانتیگراد |
| فولاد سیلیکون ترانسفورماتور HIB | زمان بندی تنگ & نمونه گیری (± 5 س) | 65–85 ppm | -5 ٪ از دست دادن هسته; +8% نفوذپذیری مغناطیسی |
| 1 100 جوشکاری MPA - فولاد بلند | آلیاژ - + بهینه سازی فرآیند | 0.006–0.010 درصد وزنی | کشنده > 1 100 MPa; کشیدگی 12% |
| 5 N - آهن Ultrapure Grate | الکترولیز → ذوب خلاء → VZM | کل گاز 4.5 PPM | نیمه هادی & خلوص درجه بندی مغناطیسی |
7. نیتریدینگ
فراتر از کنترل فله, نیتریدر سطحی سخت شدن موضعی ایجاد می کند.
گاز, پلاسما, یا نیترایدر نمک - 0.5 وزنی ٪ n به یک 0.1-0.3 میلی متر لایه انتشار, افزایش سختی سطح از 200 پوند HV به 800–1 000 HV.
با این وجود, نیترایدر بیش از حد یا بدون فشار می تواند "لایه های سفید" شکننده ε-fe₂₋₃n را تشکیل دهد که تحت خستگی قرار می گیرند, بنابراین پس از intriding درجه حرارت (± 500 درجه سانتیگراد برای 2 سخنرانی) اغلب برای بهینه سازی سختی دنبال می شود.
8. نتیجه گیری
نیتروژن واقعاً به عنوان "دست دو طرفه" در متالورژی فولادی عمل می کند.
هنگامی که در ویندوزهای تنگ کنترل می شود (به طور معمول 0.005-0.03 درصد وزنی ٪), این تقویت کننده حل جامد را ارائه می دهد, پالایش غلات, و خوردگی - مقاومت در برابر.
برعکس, بیش از حد n باعث آغشته شدن می شود, تخلخل, و چالش های جوشکاری.
بنابراین, اهرم های سازنده فولاد معاصر, بازپرداخت, و تاکتیک های استیل تمیز - همزمان تجزیه و تحلیل زمان واقعی - برای پین نیتروژن در مفیدترین سطح آن.
همانطور که فولادها به سمت عملکرد و پایداری بالاتر تکامل می یابند, تسلط بر ماهیت دوتایی نیتروژن یک صلاحیت مهم برای متالورژیست ها و مهندسان تولید به طور یکسان است.
این در صورت نیاز انتخاب مناسبی برای نیازهای تولیدی شما است فولاد با کیفیت بالا.
سوالات متداول
آیا نیتروژن می تواند مقاومت در برابر خوردگی را در فولادهای ضد زنگ بهبود بخشد?
بله. به عنوان مثال, اضافه کردن 0.18 وزنی ٪ n به درجه دوبلکس (22 CR-5 IN-3 I) افزایش
pren آن توسط 10 واحدها را کاهش می دهد و نرخ گودال را کاهش می دهد 3.5 وزنی NaCl در حدود 30%, گسترش عمر خدمات در محیط های تهاجمی.
چه تکنیک های تحلیلی نیتروژن را در فولاد کمیت می کند?
- همجوشی گاز بیرونی (لکو): ± 0.001 صحت وزنی برای کل N.
- استخراج داغ حامل: حل شده حل شده, دارای نیترید, و n₂ gaseous برای مشخصات دقیق.
- همجوشی خلاء: تحت 1-10 MBAR برای تشخیص تغییرات زیر PPM پس از جداسازی عمل می کند.
چگونه نیتریدر با کنترل نیتروژن فله متفاوت است?
کنترل فله N به طور کلی N را در 0.005-0.03 درصد وزنی برای خواص داخلی هدف قرار می دهد.
در مقابل, نیتریدر سطحی (گاز, پلاسما, نمکدار) پخش تا 0.5 وزنی ٪ n به یک لایه 0.1-0.3 میلی متر,
تقویت سختی سطح (200 HV → 800-1 000 HV) اما برای جلوگیری از لایه های سفید شکننده ، نیاز به خلق و خوی پس از نیترید.
سازندگان فولاد از بازسازی قوس خلاء استفاده می کنند (ما) یا مجدداً الکتروسلاگ (ESR) در دمای زیاد و فشارهای پایین از آن خارج شوید.
علاوه بر این, ملاقه های مهر و موم شده و آرگون محافظ یا کفن نیتروژن در حین ضربه زدن از جذب مجدد N, کاهش تخلخل به < 0.1%.
