1. 導入
現代の鋼冶金で, 合金要素は、材料の機械を決定します, 化学薬品, および熱性能.
このうち, 窒素 (N) として際立っています 両刃の剣.
一方で, それは例外的な強化をもたらします, 穀物洗練, 腐食耐性の利点; もう一方, 腹立を沈殿させる可能性があります, 気孔率, および溶接欠陥.
その結果, 窒素の行動を習得し、その内容を精度で制御することは、世界中の鉄鋼メーカーにとって重要になります.
この記事では、鋼における窒素の多面的な役割を調べます, 基本科学のブレンド, 実世界のデータ, そして、提示するための産業のベストプラクティス プロ, 権威ある, そして 信頼できる 視点.
2. 鉄と鋼の窒素の基礎
鋼での窒素の行動を理解するには、その形を調べる必要があります, 溶解度制限, 他の要素との相互作用, および分析方法.
次のサブセクションで, 私たちはそれぞれの側面を掘り下げて、実用的な制御と冶金設計のための強固な基盤を構築します.
窒素の形態と分布
初め, 窒素は、溶融鋼と固体鋼内の3つの主要な状態に表示されます:
- 間質性溶解窒素
窒素原子は鉄格子の八面体の部位を占有します - どちらも顔中心の立方体 (オーステナイト) および体中心の立方体 (フェライト).
実際には, で 1200 °Cおよび 1 ATM, オーステナイトは溶解します 0.11 wt％n, 一方、フェライトはそれよりも少ないです 0.01 wt％ 同じ条件下で. - 窒化物沈殿
鋼が冷めるとき, チタンやアルミニウム捕獲などの強力な窒化物形成要素は溶解して微粒子を形成します (20–100 nm).
例えば, AlnとTINは、–160 kJ/molと–184 kJ/molの形成フリーエネルギーを示します 1000 ℃, それぞれ, それはそれらを非常に安定して効果的な穀物結合ピンニングサイトにします. - 気体窒素 (n₂) ポケット
溶解したnは、固化中に溶解度を超えます, n bubblesとして核形成することができます.
さえ控えめです 0.015 wt％ 溶解したnは、に等しい気孔率を生成する可能性があります 0.1–0.3％ インゴットのボリュームの, 機械的完全性の妥協.
溶解度と相平衡
次, Fe – Nバイナリ位相図は、臨界温度依存の遷移を明らかにします:
- 高温γ-オーステナイトフィールド
ほぼ上 700 ℃, 単一のγ-オーステナイト相のみが間質性nを保持できます. 溶解度がピークに達します 0.11 wt％ で 1 200 °Cおよび大気圧. - 窒化サブ700°Cおよびガスの進化
温度が下がると, 格子は過剰なnを拒否します. 下に 700 ℃, 窒素は、安定した窒化物として沈殿します (例えば, AlN, 錫) またはn₂ガスを形成します.
室温で, 溶解度があります < 0.005 wt％, したがって、慎重に冷却速度と合金設計がnを有益に分配するために不可欠になります. - 圧力効果
アルゴンまたは窒素の部分圧を増加させると、溶解度が変化する可能性があります: ある 5 ATMN₂大気は、最大で高温溶解度を高めます 15%,
しかし、ほとんどの鉄鋼は近くで起こります 1 ATM, 溶解したnを追い出すための真空治療の重要性を強調する.
合金要素との相互作用
さらに, 窒素は単独で作用しません. 微細構造と特性に影響を与える複雑な相互作用を形成します:
- 強力な窒化物形態
チタン, アルミニウム, ニオビウムはスズとして窒素を閉じ込めます, AlN, またはNBN.
これらはピン粒界を沈殿させ、オーステナイトを改良します, これは、変換後に細かいフェライトまたはマルテンサイトに直接変換されます. - 炭素とマンガンとの中程度の親和性
窒素は、炭素と結合してFe nまたはマンガンと結合してMn₄nを形成することもできます.
低合金鋼で, これらの窒化物は、穀物の境界に沿って粗くする傾向があります, チェックされていないままにした場合の靭性を減らす. - Chromiumとの相乗効果 ステンレス鋼
オーステナイトグレード (例えば, 316, 2205 デュプレックス), 窒素は、受動的なフィルムの安定性を高めます.
それぞれ 0.1 wt％n添加は、孔食抵抗相当数を上げることができます (木材) 約によって 3 ユニット, 塩化物誘発性腐食に対する耐性の改善.
測定および分析方法
ついに, 正確な窒素の定量化は、任意の制御戦略を支えます. 主な手法には含まれます:
- 不活性ガス融合 (LECOアナライザー)
オペレーターはヘリウムの下のグラファイトるつぼで鋼のサンプルを溶かします; 解放されたn₂は、赤外線検出器を通過します.
この方法は提供されます ± 0.001 wt％ 精度ダウン 0.003 wt％合計n. - キャリアガスホット抽出
ここ, 真空炉放出中の溶融サンプルは溶解し、窒素を個別に組み合わせた.
n₂進化と時間を監視することにより, 研究所は間質性nを区別します, 窒化物, とガスーポケット. - 真空不活性ガス融合
脱ガスステップの有効性を検証します, 多くの植物は、動作する真空融合アナライザーを使用しています 1–10 mbar.
これらの機器は、溶解nのサブPPMの変化を検出します, ターゲットのしきい値以下のレベルを維持するためのガイドプロセス調整 (例えば, ≤ 20 ppm 超クリーン鋼で).
3. 鋼の窒素の有益な効果
窒素は、エンジニアがその濃度を正確に制御するときに複数の利点をもたらします.
下に, 4つの重要な利点を調べます。それは定量的データによってサポートされ、明確な遷移と結び付けられて、nが鋼の性能を高める方法を示す.
ソリューションの強化
何よりもまず, 溶存窒素原子は鉄の格子を歪め、脱臼の動きを妨げる.
毎 0.01 wt％ 間質nのnは通常追加されます ≈ 30 MPa 強度を生み出す.
例えば, 含む微量配分鋼で 0.12 wt％cおよび 0.03 wt％n, 降伏強度は登ります 650 MPAからオーバー 740 MPA - 14％以上の増加 - 延性のわずかなトレードオフだけで.
窒化物沈殿物による穀物洗練
さらに, 窒素は超微細窒素を形成します (20–100 nm) AlやTiなどの強力な窒化物型の形態があります.
制御された冷却中, これらは、ピンオーステナイト粒界の境界を沈殿させます. その結果, 平均的なオーステナイトの穀物サイズは大まかに縮小します 100 μm に 20–30μm.
順番に, 洗練された微細構造は、–20°Cでシャルピー-V衝撃の靭性を上昇させます 15 J, 均一な伸長も10〜12％改善しながら.
耐食性の強化
加えて, ステンレスおよび二重鋼の窒素ボルスターピッティングと隙間腐食耐性.
例えば, 追加 0.18 wt％n に 22 CR – 5 Ni -3 Moデュプレックスグレードは、その孔食抵抗相当数を増加させます (木材) おおよそ 10 ユニット.
結果として, 材料のピット腐食率 3.5 wt％naClはほぼ異なります 30%, これにより、海洋および化学物質加工環境でのサービス寿命が延びています.
疲労とクリープのパフォーマンスの改善
ついに, 循環荷重下, 窒素強化された鋼が示すa 20–25％ 上記のストレス振幅での長い疲労寿命 400 MPa.
同じく, クリープテストで 600 °Cおよび 150 MPa, 鋼が含まれています 0.02–0.03 wt％n 展示a 10–15％ 低nの対応物と比較して、最小クリープ速度が低くなります.
この改善は、穀物境界の滑りや空の開始に抵抗する窒化物ネットワークの能力に起因します.
テーブル 1: 鋼の窒素の有益な効果
| 効果 | 機構 | 典型的なN範囲 | 定量的影響 |
|---|---|---|---|
| ソリューションの強化 | 間質nは格子を歪めます, 転位を妨げます | +0.01 増分あたりのwt％ | +≈ 30 MPAの降伏強度あたり 0.01 wt％n |
| 穀物洗練 | ナノニトリド (aln/tin) ピンオーステナイトの境界を沈殿させます | 0.02–0.03重量％ | 穀物サイズ↓〜100μmから20〜30μm; シャルピー衝撃↑まで 15 j –20°Cで |
| 耐食性 | nは受動的なフィルムを安定させます, 昇給がかかります | 0.10–0.20 wt％ | 木材 +10 ユニット; ピットレート 3.5 wt％NaCl↓by≈ 30 % |
| 倦怠感 & クリープパフォーマンス | 窒化物ネットワークは、境界のスライドと無効の成長を妨げます | 0.02–0.03重量％ | 疲労寿命 +20–25 % ≥ 400 MPa; クリープレート↓10–15 % で 600 ℃, 150 MPa |
4. 鋼の窒素の有害な影響
一方、窒素は明確な利点をもたらします, その過剰は、深刻なパフォーマンスと処理の問題につながります.
下に, 4つの主要な欠点を詳しく説明します。それは定量的データによって強調され、遷移とリンクして原因と結果を強調する.
室温の老化の腹立ち (「青いbrittleness」)
しかし, 以上を含む鋼 0.02 wt％n しばしば、拘束されたときに腹立ちを抱えています 200–400°C.
6か月以上, 粗い窒化物ネットワーク (例えば, フェインとmn₄n) 穀物の境界に沿って形成されます.
結果として, Charpy-V衝撃の靭性は、超えて急落する可能性があります 50% (例えば, から 80 jに 35 Jで 25 ℃), 低炭素構造鋼での延性を損ない、リスクのあるインサービスの亀裂.
高温の腹立ちと熱ダクトの損失
さらに, ゆっくりと冷却中 900–1000°C, NBベアリングスチール (0.03 NB – 0.02 C – 0.02 n) うまく沈殿します (NB, C)n元のオーステナイト粒子内の粒子.
その結果, 引張伸びは、鋭く落ちます 40% 下に 10% - 鍛造またはローリング中の形成性を促進します.
さらに, 下に 900 ℃, ALNは粒界で形成されます, 高合金または微量合金鋼での顆粒間の亀裂と制限ホットワーキング性の制限.
ガス気孔率と鋳造欠陥
加えて, 上に溶解したNが溶けた鋼 0.015 wt％ 凝固中にn₂をoutgasすることができます, 占有する多孔性を作成します 0.3% Ingotボリュームの.
これらのマイクロブロウホールは、ストレス濃縮器として機能します: 疲労テストはaを示しています 60% 周期的な曲げの下での生命の減少.
同じく, 静的な引張強度は停止する可能性があります 5–10％ より厚いセクションで 100 mm, 閉じ込められたガスが最も蓄積する場所.
溶接性の問題: 熱い亀裂と窒化物包含
ついに, アーク溶接中, 迅速な熱サイクルは溶解したnをガス気泡として解放し、融合ゾーンと熱に影響を受ける高融合窒化窒素包有物を生成します.
その結果, ホットクラックの感度が上昇します 20–30％, 一方、溶接金属の衝撃靭性は衰退する可能性があります 25% (例えば, から 70 J to 52 j –20°Cで).
そのような欠陥は、しばしば溶接後の熱処理または特殊な消耗品を強制します, 製造にコストと複雑さを追加します.
テーブル 2: 鋼の窒素の有害な影響
| 効果 | 機構 | しきい値nレベル | 定量的影響 |
|---|---|---|---|
| 室温の老化の腹立ち ("青") | 200〜400°Cの老化中に境界に沿って粗いFe₄n/mn₄nフォーム | > 0.02 wt％ | シャルピータフネス↓ > 50 % (例えば, から 80 J to 35 Jで 25 ℃) |
| 高温の腹部 & ホットダクティリティ損失 | (NB,C)900〜1の間にnとalnが沈殿します 000 °C遅い冷却 | ≥ 0.02 wt％ | 伸長↓から 40 % に < 10 %; 深刻なフォーミン性の損失 |
| ガス気孔率 & 鋳造欠陥 | 過剰なn bubbleは、固化中に多孔性を形成します | > 0.015 wt％ | までの多孔性 0.3 % 音量; 疲労寿命↓≈ 60 %; 引張強度↓5–10 % |
| 溶接性の問題 | 融合/ハズゾーンにおける進化と窒化窒素包有物 | ≥ 0.01 wt％ | ホットクラック感度 +20–30 %; 溶接金属の靭性↓ 25 % (70 J→ 52 j –20°Cで) |
5. 正確な窒素制御のための戦略
一次鉄鋼メイキング
そもそも, EAF そして BOF 不活性ガスの攪拌を採用します (アル, co₂) レートを超えています 100 nm³/min, 達成する 60% nサイクルあたりの除去.
二次冶金
その後, 真空脱気 (VD/VOD) 下 < 50 mbar 圧力は排除されます 90% 残留nの, 一方、アルゴンのパージだけが除去するだけです 40–50％.
植物ターゲティング ≤ 0.008 wt％ n多くの場合、2つ以上のVDパスをスケジュールします.
リメルティングテクニック
加えて, ESR そして 私たちの 包括性を洗練するだけでなく、nを削減するだけでなく 0.005 wt％ 激しい熱と低圧による従来のインゴットと比較して.
クリーンスチールの練習
ついに, 密閉されたタンドルとアルゴンシュラウドを介して注ぐ際の大気曝露を最小化すると、Nの吸収が妨げられます, 以下のnを維持するのに役立ちます 20 ppm 超クリーングレードで.
6. 産業ケーススタディ
| 応用 | 戦略 | nレベル | 主な利点 |
|---|---|---|---|
| 9CR – 3W – 3CO Ultra -Low -Nステンレス | EAF + マルチステージVD + ESR | ≤ 0.010 wt％ (100 ppm) | +12 j –40°CでのCharpyの靭性 |
| HIBトランスシリコンスチール | タイトなタイミング & サンプリング (± 5 s) | 65–85 ppm | –5％コア損失; +8% 磁性透過性 |
| 1 100 MPA溶接線鋼 | 合金調整 + プロセス最適化 | 0.006–0.010 wt％ | 引張 > 1 100 MPa; 伸長≥ 12% |
| 5 Nグレードの超純鉄 | 電気分解→真空融解→VZM | 合計ガス〜 4.5 ppm | 半導体 & 磁気グレードの純度 |
7. 窒化処理
バルクnコントロールを超えて, 表面ニトリング ローカライズされた硬化を作成します.
ガス, プラズマ, または、塩浴のニトリディングが紹介します 0.5 wt％ nにa 0.1–0.3 mm 拡散層, から表面の硬度を高めます 〜200 hv に 800–1 000 HV.
それにもかかわらず, 過度または換気されていないニトリングは、疲労下で亀裂する脆いεfe₂₋₃n「白い層」を形成する可能性があります, したがって、ポストニトル化の気性 (≈ 500 °C for 2 h) 多くの場合、タフネスを最適化するために続きます.
8. 結論
窒素は本当に鋼鉄冶金の「二重の手」として機能します.
タイトウィンドウ内で制御されるとき (通常0.005–0.03重量％), ソリューションの強化を実現します, 穀物洗練, 腐食耐性の向上.
逆に, 過剰なnトリガーembrittement, 気孔率, 溶接の課題.
したがって, 現代の鉄鋼製造は、高度な脱気を活用しています, リメルティング, クリーンスチールの戦術 - リアルタイム分析に並んで、最も有益なレベルで窒素をピン留めする.
鋼がより高いパフォーマンスと持続可能性に向かって進化するにつれて, 窒素の二重の性質をマスターする.
これ 必要な場合は製造ニーズに最適です 高品質のスチール.
よくある質問
窒素はステンレス鋼の耐食性を改善できます?
はい. 例えば, 追加 0.18 wt％n デュプレックスグレードまで (22 CR-5 IN-3 i) 上昇
そのprenは≈です 10 ユニットとピットレートを減らします 3.5 wt％naCl by約 30%, 攻撃的な環境でのサービスの寿命を延ばします.
どの分析技術が鋼の窒素を定量化します?
- 不活性ガス融合 (leco): ± 0.001 総nのWT％精度.
- キャリアガスホット抽出: 溶解した分離, 窒化物バウンド, 詳細な種分化のための気体N₂.
- 真空融合: 1〜10 mbar未満で動作して、脱気抑制後にサブPPMの変化を検出します.
ニトリッドは、バルク窒素制御とどのように異なりますか?
バルクnコントロールは、内部プロパティの0.005〜0.03 wt％で全体的なnをターゲットにします.
対照的に, 表面ニトリング (ガス, プラズマ, 塩浴) 拡散します 0.5 wt％n 0.1〜0.3 mmの層に,
表面の硬度を高めます (200 HV→800–1 000 HV) しかし、脆い白い層を避けるために、ニトル化後の気性が必要です.
スチールメーカーは、真空アークリメルティングを使用します (私たちの) またはElectroSlagのリメルティング (ESR) 高温と低圧の下でnをoutgasに.
さらに, タッピング中の密閉されたひしゃくと保護用アルゴンまたは窒素シュラウドは、再吸収を防ぐ, 気孔率の低下 < 0.1%.
