1. Perkenalan
Dalam metalurgi baja kontemporer, elemen paduan menentukan sifat mekanis suatu material, kimia, dan kinerja termal.
Di antaranya, nitrogen (N) menonjol sebagai a pedang bermata dua.
Di satu sisi, itu memberikan penguatan yang luar biasa, Penyempurnaan biji -bijian, dan manfaat ketahanan korosi; di sisi lain, itu dapat memicu kerapuhan, porositas, dan cacat pengelasan.
Akibatnya, menguasai perilaku nitrogen—dan mengendalikan kandungannya dengan tepat—menjadi hal yang sangat penting bagi produsen baja di seluruh dunia.
Artikel ini membahas peran beragam nitrogen dalam baja, memadukan ilmu dasar, data dunia nyata, dan praktik terbaik industri untuk menyajikan a profesional, berwibawa, Dan kredibel perspektif.
2. Dasar-dasar Nitrogen pada Besi dan Baja
Memahami perilaku nitrogen dalam baja memerlukan kajian bentuknya, batas kelarutan, interaksi dengan elemen lain, dan metode analitis.
Pada subbagian berikut, kami mempelajari setiap aspek untuk membangun landasan yang kokoh bagi kontrol praktis dan desain metalurgi.
Bentuk dan Distribusi Nitrogen
Pertama, nitrogen muncul di tiga keadaan utama dalam baja cair dan padat:
- Nitrogen Terlarut Secara Interstisial
Atom nitrogen menempati situs oktahedral dalam kisi besi—keduanya berbentuk kubik berpusat muka (Austenite) dan kubik berpusat pada tubuh (ferit).
nyatanya, pada 1200 ° C dan 1 ATM, austenit larut hingga 0.11 berat% N, sedangkan ferit menampung kurang dari 0.01 wt% dalam kondisi yang sama. - Endapan Nitrida
Saat baja mendingin, elemen pembentuk nitrida yang kuat seperti titanium dan aluminium menangkap N terlarut untuk membentuk partikel halus (20–100nm).
Misalnya, AlN dan TiN menunjukkan energi bebas pembentukan –160 kJ/mol dan –184 kJ/mol pada 1000 ° C., masing -masing, yang menjadikannya tempat penyematan batas butir yang sangat stabil dan efektif. - Nitrogen Gas (N₂) kantong
Jika N terlarut melebihi kelarutan selama pemadatan, ia dapat berinti sebagai gelembung N₂.
Bahkan yang sederhana 0.015 wt% N terlarut dapat menghasilkan porositas sebesar 0.1–0,3% dari volume ingot, mengorbankan integritas mekanik.
Kelarutan dan Kesetimbangan Fase
Berikutnya, diagram fase biner Fe – N mengungkapkan transisi kritis yang bergantung pada suhu:
- Bidang γ-Austenit Suhu Tinggi
Di atas kira-kira 700 ° C., hanya satu fasa γ-austenit yang dapat menampung N interstisial. Kelarutan mencapai puncaknya 0.11 wt% pada 1 200 °C dan tekanan atmosfer. - Evolusi Nitrida dan Gas di Bawah 700 °C
Saat suhu turun, kisi menolak kelebihan N. Di bawah 700 ° C., nitrogen mengendap sebagai nitrida stabil (MISALNYA., AlN, Timah) atau membentuk gas N₂.
Pada suhu kamar, kelarutan turun menjadi < 0.005 wt%, jadi tingkat pendinginan yang hati-hati dan desain paduan menjadi penting untuk mendistribusikan N secara menguntungkan. - Efek tekanan
Peningkatan tekanan parsial argon atau nitrogen dapat menggeser kelarutan: A 5 atm N₂ atmosfer meningkatkan kelarutan suhu tinggi hingga 15%,
tetapi sebagian besar pembuatan baja terjadi di dekatnya 1 ATM, menggarisbawahi pentingnya perlakuan vakum untuk mengusir N terlarut.
Interaksi dengan Unsur Paduan
Lebih-lebih lagi, nitrogen tidak bertindak sendiri. Ini membentuk interaksi kompleks yang mempengaruhi struktur mikro dan sifat:
- Pembentuk Nitrida Kuat
Titanium, aluminium, dan niobium mengunci nitrogen sebagai TiN, AlN, atau NbN.
Endapan ini menentukan batas butir dan memurnikan austenit, yang secara langsung diterjemahkan menjadi ferit atau martensit yang lebih halus setelah transformasi. - Afinitas Sedang dengan Karbon dan Mangan
Nitrogen juga dapat bergabung dengan karbon menghasilkan Fe₄N atau dengan mangan membentuk Mn₄N.
Pada baja paduan rendah, nitrida ini cenderung menjadi kasar di sepanjang batas butir, mengurangi ketangguhan jika dibiarkan. - Sinergi dengan Chromium di Baja tahan karat
Di kelas austenitik (MISALNYA., 316, 2205 rangkap), nitrogen meningkatkan stabilitas film pasif.
Setiap 0.1 penambahan wt% N dapat meningkatkan Angka Ekuivalen Ketahanan Pitting (Kayu) sekitar 3 unit, meningkatkan ketahanan terhadap korosi yang disebabkan oleh klorida.
Metode Pengukuran dan Analisis
Akhirnya, kuantifikasi nitrogen yang akurat mendasari strategi pengendalian apa pun. Teknik utama meliputi:
- Fusi Gas Inert (Penganalisis LECO)
Operator melebur sampel baja dalam wadah grafit dengan helium; N₂ yang dibebaskan melewati detektor inframerah.
Metode ini berhasil ± 0.001 wt% presisi hingga 0.003 berat% total N. - Ekstraksi Panas Gas Pembawa
Di Sini, sampel cair dalam tungku vakum melepaskan nitrogen terlarut dan digabungkan secara terpisah.
Dengan memantau evolusi N₂ terhadap waktu, laboratorium membedakan antara N. interstisial, nitrida, dan kantong gas. - Fusi Gas Inert Vakum
Untuk memverifikasi efektivitas langkah-langkah degassing, banyak pabrik menggunakan alat analisa fusi vakum yang beroperasi di bawah kondisi tertentu 1–10bar.
Instrumen ini mendeteksi perubahan sub-ppm dalam N terlarut, memandu penyesuaian proses untuk mempertahankan tingkat di bawah ambang batas yang ditargetkan (MISALNYA., ≤ 20 ppm dalam baja ultra-bersih).
3. Efek Menguntungkan Nitrogen dalam Baja
Nitrogen memberikan banyak keuntungan ketika para insinyur mengontrol konsentrasinya dengan tepat.
Di bawah, kami mengkaji empat manfaat utama—masing-masing didukung oleh data kuantitatif dan dihubungkan dengan transisi yang jelas untuk menunjukkan bagaimana N meningkatkan kinerja baja.
Penguatan Solusi Padat
Pertama dan terutama, atom nitrogen terlarut mendistorsi kisi besi dan menghambat gerakan dislokasi.
Setiap 0.01 wt% dari interstisial N biasanya ditambahkan ≈ 30 MPa untuk menghasilkan kekuatan.
Misalnya, dalam baja paduan mikro yang mengandung 0.12 berat% C dan 0.03 berat% N, kekuatan luluh naik dari 650 MPa ke atas 740 MPa—peningkatan lebih dari 14%—dengan sedikit trade-off dalam hal keuletan.
Pemurnian Biji-bijian melalui Endapan Nitrida
Lebih-lebih lagi, nitrogen membentuk nitrida ultra-halus (20–100nm) dengan pembentuk nitrida kuat seperti Al dan Ti.
Selama pendinginan terkontrol, endapan ini menandai batas butir austenit. Akibatnya, rata-rata ukuran butir austenit menyusut dari kira-kira 100 μm turun ke 20–30 mikron.
Pada gilirannya, struktur mikro yang disempurnakan meningkatkan ketangguhan dampak Charpy-V hingga –20 °C 15 J, sekaligus meningkatkan perpanjangan seragam sebesar 10–12%.
Peningkatan Ketahanan Korosi
Selain itu, nitrogen mendukung ketahanan korosi lubang dan celah pada baja tahan karat dan dupleks.
Misalnya, menambahkan 0.18 berat% N ke a 22 Nilai dupleks Cr–5 Ni–3 Mo meningkatkan Angka Setara Ketahanan Lubang (Kayu) sekitar 10 unit.
Sebagai akibat, tingkat korosi pitting material 3.5 wt% NaCl turun hampir 30%, yang memperpanjang masa pakai di lingkungan kelautan dan pemrosesan bahan kimia.
Peningkatan Kelelahan dan Kinerja Creep
Akhirnya, di bawah pembebanan siklik, baja yang diperkuat nitrogen menunjukkan a 20–25% umur kelelahan yang lebih panjang pada amplitudo tegangan di atas 400 MPa.
Juga, dalam tes mulur di 600 ° C dan 150 MPa, mengandung baja 0.02–0,03% berat N pameran a 10–15% tingkat mulur minimum yang lebih rendah dibandingkan dengan rekan-rekan mereka yang memiliki N rendah.
Peningkatan ini berasal dari kemampuan jaringan nitrida untuk menahan geseran batas butir dan inisiasi kekosongan.
Meja 1: Efek Menguntungkan Nitrogen dalam Baja
| Memengaruhi | Mekanisme | Kisaran N Khas | Dampak Kuantitatif |
|---|---|---|---|
| Penguatan Solusi Padat | Interstisial N mendistorsi kisi, menghambat dislokasi | +0.01 % berat per kenaikan | +≈ 30 Kekuatan luluh MPa per 0.01 berat% N |
| Penyempurnaan Gandum | Nano-nitrida (AlN/TiN) mengendapkan batas pin austenit | 0.02–0,03% berat | Ukuran butir ↓ dari ~100 μm hingga 20–30 μm; Dampak Charpy ↑ hingga 15 J pada –20 °C |
| Resistensi korosi | N menstabilkan film pasif, meningkatkan PREN | 0.10–0,20% berat | Kayu +10 unit; tingkat pitting masuk 3.5 berat% NaCl ↓ kali ≈ 30 % |
| Kelelahan & Kinerja Merayap | Jaringan nitrida menghambat pergeseran batas dan menghambat pertumbuhan | 0.02–0,03% berat | Kehidupan kelelahan +20–25 % di ≥ 400 MPa; tingkat mulur ↓ 10–15 % pada 600 ° C., 150 MPa |
4. Efek Merugikan Nitrogen dalam Baja
Sedangkan nitrogen membawa manfaat yang jelas, kelebihannya menyebabkan masalah kinerja dan pemrosesan yang serius.
Di bawah, kami merinci empat kelemahan utama—masing-masing digarisbawahi oleh data kuantitatif dan dihubungkan dengan transisi untuk menyoroti sebab dan akibat.
Penggetasan Penuaan Suhu Kamar (“Kerapuhan Biru”)
Namun, baja yang mengandung lebih dari 0.02 berat% N sering mengalami kerapuhan saat dipegang 200–400 °C.
Lebih dari enam bulan, jaringan nitrida kasar (MISALNYA., Fe₄N dan Mn₄N) terbentuk di sepanjang batas butir.
Sebagai akibat, Ketangguhan benturan Charpy-V bisa menurun drastis 50% (misalnya, dari 80 J sampai ke 35 J at 25 ° C.), merusak keuletan dan berisiko terjadinya keretakan pada baja struktural rendah karbon.
Penggetasan Suhu Tinggi dan Kehilangan Daktilitas Panas
Lebih-lebih lagi, selama pendinginan lambat 900–1000 °C, Baja yang mengandung Nb (0.03 Nb–0,02 C–0,02 N) mengendap dengan baik (NB, C)N partikel di dalam bekas butiran austenit.
Akibatnya, perpanjangan tarik turun tajam—dari 40% ke bawah 10%—mengganggu sifat mampu bentuk selama penempaan atau penggulungan.
Lebih-lebih lagi, di bawah 900 ° C., AlN terbentuk pada batas butir, memperburuk keretakan antar butir dan membatasi kemampuan kerja panas pada baja paduan tinggi atau baja paduan mikro.
Porositas Gas dan Cacat Pengecoran
Selain itu, baja cair dengan N terlarut di atasnya 0.015 wt% dapat mengeluarkan gas N₂ selama pemadatan, menciptakan porositas yang menempati hingga 0.3% volume ingot.
Lubang mikro ini berfungsi sebagai konsentrator stres: uji kelelahan menunjukkan a 60% pengurangan kehidupan di bawah pembengkokan siklik.
Juga, kekuatan tarik statis mungkin turun 5–10% di bagian lebih tebal dari 100 mm, tempat gas yang terperangkap paling banyak terakumulasi.
Masalah Kemampuan Las: Inklusi Retak Panas dan Nitrida
Akhirnya, selama pengelasan busur, siklus termal yang cepat membebaskan N terlarut sebagai gelembung gas dan menghasilkan inklusi nitrida dengan titik leleh tinggi di zona fusi dan zona yang terkena dampak panas.
Akibatnya, sensitivitas hot-crack meningkat 20–30%, sementara ketangguhan dampak logam las dapat menurun sebesar 25% (MISALNYA., dari 70 J ini 52 J pada –20 °C).
Cacat seperti itu sering kali memerlukan perlakuan panas pasca pengelasan atau bahan habis pakai khusus, menambah biaya dan kompleksitas pada fabrikasi.
Meja 2: Efek Merugikan Nitrogen dalam Baja
| Memengaruhi | Mekanisme | Tingkat Ambang N | Dampak Kuantitatif |
|---|---|---|---|
| Penggetasan Penuaan Suhu Kamar ("Biru") | Fe₄N/Mn₄N kasar terbentuk di sepanjang batas selama penuaan 200–400 °C | > 0.02 wt% | Ketangguhan Charpy ↓ > 50 % (MISALNYA., dari 80 J ini 35 J at 25 ° C.) |
| Penggetasan Suhu Tinggi & Kerugian Daktilitas Panas | (NB,C)N dan AlN mengendap selama 900–1 000 °C pendinginan lambat | ≥ 0.02 wt% | Perpanjangan ↓ dari 40 % ke < 10 %; kehilangan sifat mampu bentuk yang parah |
| Porositas Gas & Cacat Pengecoran | Gelembung N₂ berlebih membentuk porositas selama pemadatan | > 0.015 wt% | Porositas hingga 0.3 % volume; umur kelelahan ↓ ≈ 60 %; kekuatan tarik ↓ 5–10 % |
| Masalah Kemampuan Las | Evolusi N₂ dan inklusi nitrida di zona fusi/HAZ | ≥ 0.01 wt% | Sensitivitas retakan panas +20–30 %; ketangguhan logam las ↓ 25 % (70 J→ 52 J pada –20 °C) |
5. Strategi Pengendalian Nitrogen yang Tepat
Pembuatan Baja Primer
Untuk memulainya, Eaf Dan BOF menggunakan pengadukan gas inert (Ar, CO₂) dengan harga melebihi 100 Nm³/menit, mencapai hingga 60% N penghapusan per siklus.
Metalurgi Sekunder
Kemudian, degassing vakum (VD/VOD) di bawah < 50 mbar tekanan menghilangkan hingga 90% sisa N, sedangkan pembersihan argon saja hanya menghilangkan 40–50%.
Penargetan tanaman ≤ 0.008 wt% N sering menjadwalkan dua atau lebih tiket VD.
Teknik Peleburan Kembali
Selain itu, ESR Dan KITA tidak hanya menyempurnakan kebersihan inklusi tetapi juga mengurangi N sebesar 0.005 wt% relatif terhadap ingot konvensional karena panas yang hebat dan tekanan rendah.
Praktik Baja Bersih
Akhirnya, meminimalkan paparan atmosfer selama penuangan melalui tundles tertutup dan selubung argon mencegah reabsorpsi N, membantu mempertahankan N di bawah 20 ppm di kelas ultra-bersih.
6. Studi Kasus Industri
| Aplikasi | Strategi | Tingkat N | Manfaat Utama |
|---|---|---|---|
| 9Cr–3W–3Co Tahan Karat Sangat Rendah | Eaf + VD multi-tahap + ESR | ≤ 0.010 wt% (100 ppm) | +12 Ketangguhan J Charpy pada –40 °C |
| Baja Silikon Transformator HiB | Waktu yang ketat & contoh (± 5 S) | 65–85 ppm | –5% kerugian inti; +8% permeabilitas magnetik |
| 1 100 Kawat Las MPa Baja | Penyetelan paduan + optimalisasi proses | 0.006–0,010% berat | Tarik > 1 100 MPa; perpanjangan ≥ 12% |
| 5 Besi Ultra Murni Kelas N | Elektrolisis → peleburan vakum → VZM | Jumlah gas ~ 4.5 ppm | Semikonduktor & kemurnian tingkat magnetik |
7. Nitriding
Di luar kendali N massal, nitridasi permukaan menciptakan pengerasan lokal.
Gas, plasma, atau penambahan nitridasi rendaman garam hingga 0.5 wt% N menjadi a 0.1–0,3 mm lapisan difusi, meningkatkan kekerasan permukaan dari ~200HV ke 800–1 000 HV.
Namun demikian, Nitridasi yang berlebihan atau tidak ditempa dapat membentuk “lapisan putih” ε-Fe₂₋₃N yang rapuh dan retak karena kelelahan, jadi tempering pasca-nitridasi (≈ 500 ° C untuk 2 H) sering mengikuti untuk mengoptimalkan ketangguhan.
8. Kesimpulan
Nitrogen benar-benar bertindak sebagai “tangan bermuka dua” dalam metalurgi baja.
Ketika dikendalikan dalam jendela yang sempit (biasanya 0,005–0,03% berat), ini memberikan penguatan solusi yang solid, Penyempurnaan biji -bijian, dan peningkatan ketahanan terhadap korosi.
Sebaliknya, kelebihan N memicu penggetasan, porositas, dan tantangan pengelasan.
Karena itu, pembuatan baja kontemporer memanfaatkan degassing tingkat lanjut, peleburan kembali, dan taktik baja bersih—di samping analisis real-time—untuk menempatkan nitrogen pada tingkat yang paling menguntungkan.
Seiring berkembangnya baja menuju kinerja dan keberlanjutan yang lebih tinggi, menguasai sifat ganda nitrogen tetap menjadi kompetensi penting bagi ahli metalurgi dan insinyur produksi.
INI adalah pilihan sempurna untuk kebutuhan manufaktur Anda jika Anda membutuhkannya baja berkualitas tinggi.
FAQ
Bisakah nitrogen meningkatkan ketahanan korosi pada baja tahan karat?
Ya. Misalnya, menambahkan 0.18 berat% N ke kelas dupleks (22 Cr–5 Ni–3 Mo) meningkatkan
PREN-nya sebesar ≈ 10 unit dan mengurangi tingkat pitting 3.5 berat% NaCl sekitar 30%, memperpanjang umur layanan di lingkungan yang agresif.
Teknik analisis apa yang mengukur nitrogen dalam baja?
- Fusi gas inert (LECO): ± 0.001 akurasi% berat untuk total N.
- Ekstraksi panas gas pembawa: Pisahkan larut, terikat nitrida, dan gas N₂ untuk spesiasi rinci.
- Fusi vakum: Beroperasi di bawah 1–10 mbar untuk mendeteksi perubahan sub-ppm setelah degassing.
Perbedaan nitridasi dengan pengendalian nitrogen curah?
Kontrol N massal menargetkan N keseluruhan pada 0,005–0,03% berat untuk properti internal.
Sebaliknya, nitridasi permukaan (gas, plasma, mandi garam) berdifusi hingga 0.5 berat% N menjadi lapisan 0,1-0,3 mm,
meningkatkan kekerasan permukaan (200 HV → 800–1 000 HV) tetapi membutuhkan tempering pasca-nitridasi untuk menghindari lapisan putih yang rapuh.
Pembuat baja menggunakan peleburan kembali busur vakum (KITA) atau peleburan kembali electroslag (ESR) untuk mengeluarkan gas N pada suhu tinggi dan tekanan rendah.
Selain itu, sendok yang tertutup rapat dan selubung pelindung argon atau nitrogen selama penyadapan mencegah reabsorpsi N, mengurangi porositas menjadi < 0.1%.
