1. 소개
현대 철강 야금에서, 합금 요소는 재료의 기계를 지시합니다, 화학적인, 열 성능.
이들 중, 질소 (N) a로 눈에.니다 양식 검.
한편으로, 탁월한 강화를 제공합니다, 곡물 정제, 부식 저항 이점; 다른 쪽, 손상을 입을 수 있습니다, 다공성, 및 용접 결함.
따라서, 질소의 행동을 마스터하고 정밀하게 내용을 제어하는 것은 전 세계 철강 제조업체에게 중요합니다..
이 기사는 강철에서 질소의 다각적 역할을 검토합니다, 기본 과학을 혼합합니다, 실제 데이터, 그리고 발표하기위한 산업 모범 사례 전문적인, 권위 있는, 그리고 신뢰할 수 있는 관점.
2. 철과 강철의 질소의 기초
철강에서 질소의 행동을 이해하려면 형태를 검사해야합니다, 용해도 제한, 다른 요소와의 상호 작용, 및 분석 방법.
다음 하위 섹션에서, 우리는 각 측면을 탐구하여 실용적인 제어 및 야금 설계를위한 탄탄한 기초를 구축합니다..
질소의 형태 및 분포
첫 번째, 질소는 용융 및 고체 강철 내 3 개의 주요 상태에 나타납니다.:
- 간질 적으로 용해 된 질소
질소 원자는 철망에서 팔면체 부위를 차지합니다. (오스테나이트) 신체 중심 입방 (페라이트).
사실은, ~에 1200 ° C 및 1 ATM, 오스테 나이트가 해산됩니다 0.11 wt% n, 페라이트는보다 적은 수용을합니다 0.01 wt% 같은 조건에서. - 질화물 침전물
강철이 식을 때, 티타늄 및 알루미늄 포획과 같은 강한 질화물 형성 요소가 용해 된 N을 형성하여 미세 입자를 형성합니다. (20–100 nm).
예를 들어, ALN 및 TIN은 –160 kJ/mol 및 –184 kJ/mol의 형성이없는 에너지를 나타냅니다. 1000 ℃, 각기, 이를 통해 매우 안정적이고 효과적인 곡물 바탕 고정 부지가됩니다.. - 기체 질소 (n ₂) 주머니
용해 된 N이 고형화 동안 용해도를 초과하는 경우, n₂ 거품처럼 핵 생성 될 수 있습니다.
겸손조차도 0.015 wt% 용해 된 N은 동일한 다공성을 생성 할 수있다 0.1–0.3% 잉곳의 볼륨, 기계적 무결성을 손상시킵니다.
용해도 및 상 평형
다음, Fe – N 이진 위상 다이어그램은 임계 온도 의존적 전이를 보여줍니다:
- 고온 γ- 오스테 나이트 필드
대략 700 ℃, 단일 γ- 오스테 나이트 상만이 간질 N을 유지할 수 있습니다. 용해도는 근처에 있습니다 0.11 wt% ~에 1 200 ° C 및 대기압. - 700 ° C 이하의 질화물 및 가스 진화
온도가 떨어질 때, 격자는 초과 n을 거부합니다. 아래에 700 ℃, 질소는 안정적인 질화물로 침전된다 (예를 들어, AlN, 주석) 또는 N. 가스를 형성합니다.
실온에서, 용해도가 떨어집니다 < 0.005 wt%, 따라서 신중한 냉각 속도와 합금 설계가 N을 유익하게 분배하는 데 필수적이됩니다.. - 압력 효과
아르곤 또는 질소 부분 압력을 증가 시키면 용해도가 이동할 수 있습니다: 에이 5 ATM N high 분위기는 최대까지 고온 용해도를 높입니다 15%,
그러나 대부분의 제철소는 근처에서 발생합니다 1 ATM, 용해 된 N을 몰아 내기위한 진공 처리의 중요성을 강조.
합금 요소와의 상호 작용
게다가, 질소는 혼자서 행동하지 않습니다. 그것은 미세 구조 및 특성에 영향을 미치는 복잡한 상호 작용을 형성합니다:
- 강한 질화물 형성제
티탄, 알류미늄, 및 Niobium은 질소를 주석으로 잠그고 있습니다, AlN, 또는 NBN.
이들은 핀 입자 경계를 침전시키고 오스테 나이트를 개선합니다, 변형 후 더 미세한 페라이트 또는 마르텐 사이트로 직접 번역됩니다.. - 탄소와 망간과의 친밀감
질소는 또한 탄소와 결합하여 fe₄n 또는 망간과 결합하여 mn₄n을 형성 할 수 있습니다..
저금리 강철에서, 이 질화물은 입자 경계를 따라 조잡 해지는 경향이 있습니다, 검사되지 않은 상태에서 강인성을 줄입니다. - 크롬 IN과의 시너지 효과 스테인레스강
오스테 나이트 등급 (예를 들어, 316, 2205 듀플렉스), 질소는 수동 필름의 안정성을 향상시킵니다.
각 0.1 wt% n 첨가물은 피팅 저항에 해당하는 수를 높일 수 있습니다. (목재) 거의 3 단위, 염화물 유발 부식에 대한 내성 향상.
측정 및 분석 방법
마지막으로, 정확한 질소 정량화는 모든 제어 전략을 뒷받침합니다. 주요 기술에는 포함됩니다:
- 비활성 가스 융합 (LECO 분석기)
작업자는 헬륨 아래 흑연 도가니에서 강철 샘플을 녹입니다.; 해방 된 N₂는 적외선 검출기를 통과합니다.
이 방법은 전달됩니다 ± 0.001 wt% 정밀도 0.003 wt% 총 n. - 캐리어 가스 핫 추출
여기, 진공 퍼니스 방출에서 용융 샘플이 용해되고 조합 된 질소를 개별적으로.
nolution 진화 대 시간을 모니터링함으로써, 실험실은 간질 n을 구별합니다, 질화물, 그리고 기체 주머니. - 진공 불활성 가스 융합
Degassing 단계의 효과를 확인합니다, 많은 식물들이 작동하는 진공 융합 분석기를 사용합니다 1–10 mbar.
이 기기는 용해 된 n의 서브 -PPM 변화를 감지합니다, 표적 임계 값 아래의 레벨을 유지하기위한 프로세스 조정 (예를 들어, ≤ 20 ppm 매우 청소 된 강철).
3. 강철에서 질소의 유익한 효과
질소는 엔지니어가 농도를 정확하게 제어 할 때 여러 가지 이점을 제공합니다..
아래에, 우리는 네 가지 주요 이점을 조사합니다. 각각의 정량적 데이터에 의해 지원되고 명확한 전환과 함께 N이 철강 성능을 높이는 방법을 보여줍니다..
견고한 해결 강화
가장 먼저, 용해 된 질소 원자는 철 격자를 왜곡하고 탈구 운동을 방해합니다..
모든 0.01 wt% 간질 N의 일반적으로 추가됩니다 ≈ 30 MPa 힘을 낳습니다.
예를 들어, 미세 합금 강 함유 0.12 wt% C 및 0.03 wt% n, 항복 강도가 상승합니다 650 MPA에서 오버 740 MPA (14%이상 증가) 연성이 적은 상충 관계로.
질화물 침전물을 통한 곡물 정제
게다가, 질소는 초 미세 질화물을 형성합니다 (20–100 nm) Al 및 Ti와 같은 강한 질화물 형성제.
제어 냉각 중에, 이들은 핀 오스테 나이트 입자 경계를 침전시킨다. 따라서, 평균 오스테 나이트 입자 크기는 대략적으로 줄어 듭니다 100 μm 아래로 20–30 μm.
차례로, 정제 된 미세 구조는 –20 ° C에서 Charpy-V 충격 강인성을 최대까지 올립니다. 15 제이, 또한 균일 신장을 10-12% 향상시키는 반면.
부식성 향상
게다가, 질소는 스테인리스 및 듀플렉스 강에서 구덩이 및 틈새-성분 저항성을 강화합니다..
예를 들어, 첨가 0.18 wt% n a 22 CR – 5 NI – 3 MO 이중 등급은 구덩이 저항에 해당하는 숫자를 증가시킵니다. (목재) 대략 10 단위.
결과적으로, 재료의 피팅 억제 속도 3.5 WT% NaCl은 거의 씩 떨어집니다 30%, 해양 및 화학 처리 환경에서의 서비스 수명을 연장합니다.
피로 및 크리프 성능 향상
마지막으로, 주기적 하중 아래, 질소가 강화 된 강은 a 20–25% 위의 스트레스 진폭에서 더 긴 피로 수명 400 MPa.
비슷하게, 크리프 테스트에서 600 ° C 및 150 MPa, 함유 된 강 0.02–0.03 wt% n 전시회 a 10–15% LOW-N에 비해 최소 크리프 속도가 낮습니다.
이 개선은 질화물 네트워크의 곡물 바탕 슬라이딩 및 공극 개시에 저항하는 능력에서 비롯됩니다..
테이블 1: 강철에서 질소의 유익한 효과
| 효과 | 기구 | 일반적인 N 범위 | 정량적 영향 |
|---|---|---|---|
| 견고한 해결 강화 | interstitial n 격자를 왜곡합니다, 탈구를 방해합니다 | +0.01 증분 당 wt% | +≈ 30 MPA 항복 강도 당 0.01 wt% n |
| 곡물 정제 | 나노-나이트 사이드 (ALN/TIN) 핀 오스테 나이트 경계를 침전시킵니다 | 0.02–0.03 wt% | 곡물 크기 ↓ ~ 100 μm ~ 20-30 μm; Charpy Effact ↑ 최대 15 –20 ° C에서 J. |
| 부식 저항 | n 수동 필름을 안정화시킨다, 키를 올립니다 | 0.10–0.20 wt% | 목재 +10 단위; 피팅 속도 3.5 wt% NaCl ↓ x 30 % |
| 피로 & 크리프 성능 | 질화물 네트워크는 경계 슬라이딩 및 무효 성장을 방해합니다 | 0.02–0.03 wt% | 피로 생활 +20–25 % ≥ 400 MPa; 크리프 속도 ↓ 10–15 % ~에 600 ℃, 150 MPa |
4. 강철에서 질소의 해로운 영향
질소는 분명한 이점을 제공합니다, 과잉은 심각한 성능 및 처리 문제로 이어집니다.
아래에, 우리는 4 가지 주요 단점을 자세히 설명합니다. 정량적 데이터에 의해 강조되고 원인과 결과를 강조하기 위해 전환과 연결되어 있습니다..
방 온도 노화 포화 ("Blue Brittleness")
하지만, 더 많은 것을 포함하는 강 0.02 wt% n 종종 붙잡을 때 포겨가 손상됩니다 200–400 ° C.
6 개월 이상, 거친 질화물 네트워크 (예를 들어, fe₄n과 mn mn) 입자 경계를 따라 형성됩니다.
결과적으로, Charpy-V 충격 강인함은 끝날 수 있습니다 50% (예를 들어, ~에서 80 J DOWN 35 J at 25 ℃), 저탄소 구조 강에서 연성 및 서비스 내 균열 위험.
고온 손잡이 및 열병 손실
게다가, 천천히 냉각하는 동안 900–1000 ° C, NB 베어링 강 (0.03 NB – 0.02 C – 0.02 n) 정밀하게 침전하십시오 (NB, 기음)이전 오스테 나이트 곡물 내부의 입자.
따라서, 인장 신장은 급격히 떨어집니다 40% 아래에 10%- 단조 또는 롤링 중에 성형 성형 성.
뿐만 아니라, 아래에 900 ℃, 곡물 경계에서 ALN이 형성됩니다, 고금리 또는 미세 합금강에서 부정확 한 균열을 악화시키고 뜨거운 작업 가능성을 제한합니다..
가스 다공성 및 주조 결함
게다가, 위의 용해 된 N을 가진 용융 강 0.015 wt% 응고하는 동안 n ₂를 능가 할 수 있습니다, 최대의 다공성을 만듭니다 0.3% Ingot 볼륨의.
이 마이크로 블로우 홀은 스트레스 농축기 역할을합니다: 피로 검사는 a 60% 주기적 굽힘에서 삶의 감소.
비슷하게, 정적 인장 강도가 떨어질 수 있습니다 5–10% 더 두껍게 섹션에서 100 mm, 갇힌 가스가 가장 축적되는 곳.
용접 성 문제: 뜨거운 균열 및 질화물 내포물
마지막으로, 아크 용접 중에, 빠른 열 사이클은 용해 된 N을 가스 기포로 방출하고 융합 및 열 영향 구역에서 고유 한 질화물 내포물을 생성합니다..
따라서, 핫 크랙 감도가 증가합니다 20–30%, 용접 금속 충격 인성은 감소 할 수 있습니다 25% (예를 들어, ~에서 70 J TO 52 –20 ° C에서 J.).
이러한 결함은 종종 weld 후 열처리 또는 특수 소모품을 강요합니다., 제조에 비용과 복잡성을 추가합니다.
테이블 2: 강철에서 질소의 해로운 영향
| 효과 | 기구 | 임계 값 N 레벨 | 정량적 영향 |
|---|---|---|---|
| 방 온도 노화 포화 ("파란색") | 200-400 ° C 노화 동안 경계를 따라 거친 fe /n/mn₄n이 형성됩니다 | > 0.02 wt% | Charpy Inderness ↓ > 50 % (예를 들어, ~에서 80 J TO 35 J at 25 ℃) |
| 고온 손잡이 & 뜨거운 연도 손실 | (NB,기음)N 및 ALN은 900-1 동안 침전됩니다 000 ° C 느린 냉각 | ≥ 0.02 wt% | 신장 ↓ 40 % 에게 < 10 %; 심각한 형성성 손실 |
| 가스 다공성 & 주조 결함 | 과도한 n₂ 기포는 고정화 동안 다공성을 형성한다 | > 0.015 wt% | 다공성 0.3 % 용량; 피로 수명 ↓ ≈ 60 %; 인장 강도 ↓ 5–10 % |
| 용접 성 문제 | 융합/위험 구역에서의 진화 및 질화물 내포물 | ≥ 0.01 wt% | 핫 크랙 감도 +20–30 %; 용접 금속 인성 ↓ 25 % (70 J → 52 –20 ° C에서 J.) |
5. 정확한 질소 조절 전략
1 차 철강
처음부터, EAF 그리고 BOF 비활성 가스 교반을 사용하십시오 (아칸소, co₂) 비율을 초과합니다 100 nm³/분, 최대 달성 60% n 사이클 당 제거.
이차 야금
그후, 진공 탈기 (VD/VOD) 아래에 < 50 MBAR 압력은 최대까지 제거됩니다 90% 잔류 n, 반면 아르곤은 혼자 제거됩니다 40–50%.
식물 타겟팅 ≤ 0.008 wt% n 종종 두 개 이상의 VD 패스를 예약합니다.
리멜팅 기술
게다가, ESR 그리고 우리의 포용 청결을 개선 할뿐만 아니라 N을 감소시킵니다. 0.005 wt% 강렬한 열과 저압으로 인한 기존의 잉곳에 비해.
깨끗한 실습
마지막으로, 밀봉 된 서식기와 아르곤 슈로드를 통해 쏟아지는 동안 대기 노출을 최소화하면 N 재 흡수를 방지합니다., 아래에서 n을 유지하는 데 도움이됩니다 20 ppm 초소형 등급.
6. 산업 사례 연구
| 애플리케이션 | 전략 | n 레벨 | 주요 이점 |
|---|---|---|---|
| 9CR – 3W – 3CO Ultra -low -N 스테인리스 | EAF + 멀티 스테이지 vd + ESR | ≤ 0.010 wt% (100 ppm) | +12 J charpy 강인함 –40 ° C |
| HIB 변압기 실리콘 스틸 | 타이밍이 단단합니다 & 견본 추출 (± 5 에스) | 65–85 ppm | –5% 코어 손실; +8% 자기 투과성 |
| 1 100 MPA 용접 와이어 스틸 | 합금 조정 + 프로세스 최적화 | 0.006–0.010 wt% | 인장 > 1 100 MPa; 신장 ≥ 12% |
| 5 N- 등급 초음파 철 | 전기 분해 → 진공 용융 → VZM | 총 가스 ~ 4.5 ppm | 반도체 & 자기 등급 순도 |
7. 질화
대량 N 제어를 넘어서, 표면 질화 현지화 된 경화를 만듭니다.
가스, 혈장, 또는 소금 바탕 질화가 최대 소개됩니다 0.5 wt% n으로 a 0.1–0.3 mm 확산층, 표면 경도 강화 ~ 200 HV 에게 800–1 000 HV.
그럼에도 불구하고, 과도하거나 끊임없는 질화는 피로 하에서 균열이되는 부서지기 쉬운 ε-fe₂₋₃n "흰색 층"을 형성 할 수 있습니다., 그래서 곤충 이후의 템퍼링 (≈ 500 ° C 2 시간) 종종 강인함을 최적화하기 위해 따릅니다.
8. 결론
질소는 강철 야금에서 진정으로“이중 얼굴 손”역할을합니다..
단단한 창에서 제어 할 때 (일반적으로 0.005–0.03 wt%), 고체 통합 강화를 제공합니다, 곡물 정제, 부식성 저항력.
거꾸로, 과도한 n은 손잡이를 유발합니다, 다공성, 그리고 용접 도전.
그러므로, 현대 철강 제작은 고급 탈기를 활용합니다, Remelting, 그리고 가장 유익한 수준에서 질소를 고정하기 위해 클린 스틸 전술 - 실시간 분석 -.
강철이 높은 성능과 지속 가능성을 향해 진화함에 따라, 질소의 이중 특성을 마스터하는 것은 야금 학자와 생산 엔지니어 모두에게 중요한 역량으로 남아 있습니다..
이것 필요한 경우 제조 요구에 대한 완벽한 선택입니다. 고품질 강철.
자주 묻는 질문
질소는 스테인레스 강에서 부식성을 향상시킬 수 있습니다?
예. 예를 들어, 첨가 0.18 wt% n 이중 등급으로 (22 CR-5 내 3 I.) 제기
그것의 pren은 ≈ ≈ 10 유닛과 구덩이 속도를 줄입니다 3.5 약 wt% NaCl 30%, 공격적인 환경에서 서비스 수명 확장.
어떤 분석 기술이 강철로 질소를 정량화합니다?
- 비활성 가스 융합 (레코): ± 0.001 총 n에 대한 wt% 정확도.
- 캐리어 가스 핫 추출: 용해 된 것을 분리합니다, 질화물, 및 상세한 종 분화를위한 기체 n ₂.
- 진공 융합: 1-10mbar 미만으로 작동하여 Degassing 후 서브 PPM 변경을 감지합니다..
질화는 벌크 질소 조절과 어떻게 다른가??
내부 특성의 경우 벌크 N 제어 대상 전체 N 0.005–0.03 wt%.
대조적으로, 표면 질화 (가스, 혈장, 소금) 까지 확산됩니다 0.5 wt% n 0.1–0.3 mm 층으로,
표면 경도 강화 (200 HV → 800–1 000 HV) 그러나 부서지기 쉬운 흰색 층을 피하기 위해 질화 후 템퍼링이 필요합니다.
철강 제조업체는 진공 아크 리멜팅을 사용합니다 (우리의) 또는 전기 슬래그가 새겨 져 있습니다 (ESR) 고온과 낮은 압력 하에서 n을 능가합니다.
추가적으로, 도청 중에 봉인 된 ledles 및 보호 아르곤 또는 질소 슈로드 N 재 흡수 방지, 다공성 감소 < 0.1%.
