1. Įvadas
In contemporary steel metallurgy, alloying elements dictate a material’s mechanical, Cheminė, ir šilumines charakteristikas.
Tarp šių, azotas (N) stands out as a double‐edged sword.
On one hand, it delivers exceptional strengthening, grūdų tobulinimas, and corrosion‐resistance benefits; on the other, it can precipitate embrittlement, poringumas, and welding defects.
Todėl, mastering nitrogen’s behavior—and controlling its content with precision—has become crucial for steelmakers worldwide.
This article examines nitrogen’s multifaceted role in steel, blending fundamental science, real‐world data, and industrial best practices to present a Profesionalas, authoritative, ir credible perspective.
2. Azoto pagrindai geležyje ir pliene
Norint suprasti azoto elgesį pliene, reikia ištirti jo formas, tirpumo ribos, sąveika su kitais elementais, ir analizės metodai.
Tolesniuose poskyriuose, gilinamės į kiekvieną aspektą, kad sukurtume tvirtą praktinio valdymo ir metalurginio projektavimo pagrindą.
Azoto formos ir pasiskirstymas
Pirma, azotas yra trijų pagrindinių būsenų išlydytame ir kietajame pliene:
- Intersticiškai ištirpęs azotas
Azoto atomai užima oktaedrines vietas geležies gardelėje – abu į veidą orientuoti kubiniai (Austenitas) ir į kūną orientuotas kubinis (feritas).
Tiesą sakant, adresu 1200 °C ir 1 atm, austenitas tirpsta iki 0.11 masės % N, tuo tarpu feritas talpina mažiau nei 0.01 wt% tomis pačiomis sąlygomis. - Nitrido nuosėdos
Kai plienas atvėsta, stiprūs nitridus formuojantys elementai, tokie kaip titanas ir aliuminis, sulaiko ištirpintą N, kad sudarytų smulkias daleles (20-100 nm).
Pavyzdžiui, AlN ir TiN formavimosi laisvoji energija yra –160 kJ/mol ir –184 kJ/mol esant 1000 ° C., atitinkamai, todėl jos yra labai stabilios ir veiksmingos grūdų ribos tvirtinimo vietos. - Dujinis azotas (N₂) Kišenės
Jei ištirpęs N, kietėjimo metu tirpumas viršija, jis gali susidaryti branduolių pavidalu N2 burbuliukų pavidalu.
Net ir kuklus 0.015 wt% Ištirpusio N gali susidaryti poringumas, lygus 0.1–0,3 % luito tūrio, kenkia mechaniniam vientisumui.
Tirpumas ir fazių pusiausvyra
Kitas, Fe – N dvejetainių fazių diagrama atskleidžia kritinius nuo temperatūros priklausančius perėjimus:
- Aukštos temperatūros γ-austenito laukas
Apytiksliai aukščiau 700 ° C., tik viena γ-austenito fazė gali turėti intersticinį N. Netoli tirpumo smailės 0.11 wt% adresu 1 200 °C ir atmosferos slėgis. - Sub-700 °C Nitridų ir dujų išsiskyrimas
Temperatūrai nukritus, gardelė atmeta N perteklių. Žemiau 700 ° C., azotas arba nusėda kaip stabilūs nitridai (Pvz., AlN, Alavas) or forms N₂ gas.
Kambario temperatūroje, solubility falls to < 0.005 wt%, so careful cooling rates and alloy design become essential to distribute N beneficially. - Slėgio poveikis
Increasing argon or nitrogen partial pressure can shift solubility: a 5 atm N₂ atmosphere raises high-temperature solubility by up to 15%,
but most steelmaking occurs near 1 atm, underscoring the importance of vacuum treatments to drive out dissolved N.
Sąveika su legiravimo elementais
Be to, nitrogen does not act alone. It forms complex interactions that influence microstructure and properties:
- Strong Nitride-Formers
Titanas, aliuminis, and niobium lock up nitrogen as TiN, AlN, or NbN.
These precipitates pin grain boundaries and refine austenite, which directly translates into finer ferrite or martensite after transformation. - Moderate Affinities with Carbon and Manganese
Nitrogen can also combine with carbon to yield Fe₄N or with manganese to form Mn₄N.
Mažai legiruotoje plienuose, šie nitridai linkę grūdėti išilgai grūdelių ribų, sumažina kietumą, jei jis nekontroliuojamas. - Sinergija su chromu Nerūdijantis plienas
Austenitinėse klasėse (Pvz., 316, 2205 Duplex), azotas padidina pasyvios plėvelės stabilumą.
Kiekvienas 0.1 wt% N pridėjimas gali padidinti pasipriešinimo įdubimui ekvivalentinį skaičių (Mediena) apie 3 vienetų, pagerina atsparumą chlorido sukeltai korozijai.
Matavimo ir analizės metodai
Pagaliau, tikslus azoto kiekybinis nustatymas yra bet kokios kontrolės strategijos pagrindas. Pagrindinės technikos apima:
- Inertinių dujų sintezė (LECO analizatorius)
Operatoriai išlydo plieno pavyzdį grafito tiglyje po heliu; išsiskyręs N₂ praeina per infraraudonųjų spindulių detektorių.
Šis metodas suteikia ± 0.001 wt% tikslumas iki 0.003 masės % viso N. - Karšto dujų ištraukimas
Čia, išlydyti mėginiai vakuuminėje krosnyje atskirai išskiria ištirpusį ir sujungtą azotą.
Stebint N₂ evoliuciją laiko atžvilgiu, laboratorijos išskiria intersticinį N, nitridai, and gaseous pockets. - Vacuum Inert-Gas Fusion
To verify the effectiveness of degassing steps, many plants use vacuum fusion analyzers that operate under 1–10 mbar.
These instruments detect sub-ppm changes in dissolved N, guiding process adjustments to maintain levels below targeted thresholds (Pvz., ≤ 20 ppm in ultra-clean steels).
3. Naudingas azoto poveikis pliene
Nitrogen delivers multiple advantages when engineers control its concentration precisely.
Žemiau, we examine four key benefits—each supported by quantitative data and tied together with clear transitions to show how N elevates steel performance.
Kieto tirpalo stiprinimas
Pirmiausia ir svarbiausia, dissolved nitrogen atoms distort the iron lattice and impede dislocation motion.
Every 0.01 wt% of interstitial N typically adds ≈ 30 MPA to yield strength.
Pavyzdžiui, in a microalloyed steel containing 0.12 wt% C and 0.03 masės % N, the yield strength climbs from 650 MPa to over 740 MPa—an increase of more than 14%—with only a modest trade-off in ductility.
Grūdų rafinavimas naudojant nitrido nuosėdas
Be to, nitrogen forms ultra-fine nitrides (20-100 nm) with strong nitride-formers such as Al and Ti.
During controlled cooling, these precipitates pin austenite grain boundaries. Todėl, average austenite grain size shrinks from roughly 100 μm žemyn 20-30 μm.
Savo ruožtu, the refined microstructure raises Charpy-V impact toughness at –20 °C by up to 15 J, while also improving uniform elongation by 10–12%.
Atsparumo korozijai didinimas
Be to, nitrogen bolsters pitting and crevice-corrosion resistance in stainless and duplex steels.
Pavyzdžiui, pridedant 0.18 masės % N to a 22 Cr–5 Ni–3 Mo duplex grade increases its Pitting Resistance Equivalent Number (Mediena) by approximately 10 vienetų.
Dėl to, the material’s pitting‐corrosion rate in 3.5 wt% NaCl plunges by nearly 30%, which extends service life in marine and chemical‐processing environments.
Pagerintas nuovargio ir šliaužimo efektyvumas
Pagaliau, under cyclic loading, nitrogen-strengthened steels show a 20– 25 proc. longer fatigue life at stress amplitudes above 400 MPA.
Likewise, in creep tests at 600 °C ir 150 MPA, steels containing 0.02–0.03 wt% N exhibit a 10– 15 proc. lower minimum creep rate compared to their low-N counterparts.
This improvement stems from nitride networks’ ability to resist grain-boundary sliding and void initiation.
Lentelė 1: Naudingas azoto poveikis pliene
| Efektas | Mechanizmas | Typical N Range | Quantitative Impact |
|---|---|---|---|
| Kieto tirpalo stiprinimas | Interstitial N distorts lattice, impedes dislocations | +0.01 wt% per increment | +≈ 30 MPa yield strength per 0.01 masės % N |
| Grūdų tobulinimas | Nano-nitride (AlN/TiN) precipitates pin austenite boundaries | 0.02–0.03 wt% | Grain size ↓ from ~100 μm to 20–30 μm; Charpy impact ↑ by up to 15 J at –20 °C |
| Atsparumas korozijai | N stabilizes passive film, raises PREN | 0.10–0.20 wt% | Mediena +10 vienetų; pitting rate in 3.5 wt% NaCl ↓ by ≈ 30 % |
| Nuovargis & Creep Performance | Nitridų tinklai trukdo slydimui ir tuštumų augimui | 0.02–0.03 wt% | Nuovargio tarnavimo laikas +20-25 % esant ≥ 400 MPA; valkšnumo greitis ↓ 10–15 % adresu 600 ° C., 150 MPA |
4. Žalingas azoto poveikis pliene
Nors azotas duoda aiškią naudą, jo perteklius sukelia rimtų veikimo ir apdorojimo problemų.
Žemiau, mes išsamiai aprašome keturis pagrindinius trūkumus – kiekvienas pabrėžiamas kiekybiniais duomenimis ir susijęs su perėjimais, siekiant pabrėžti priežastį ir pasekmę.
Senėjimo trapumas kambario temperatūroje („Mėlynas trapumas“)
Tačiau, plienų, kurių sudėtyje yra daugiau kaip 0.02 masės % N dažnai trapumas, kai laikomas 200–400 °C.
Daugiau nei šeši mėnesiai, stambiųjų nitridų tinklai (Pvz., Fe₄N ir Mn₄N) formuojasi išilgai grūdų ribų.
Dėl to, Charpy-V atsparumas smūgiams gali smarkiai sumažėti 50% (pavyzdžiui, nuo 80 J žemyn iki 35 J at 25 ° C.), sumažina plastiškumą ir kelia pavojų mažai anglies dioksido išskiriančių konstrukcinių plienų įtrūkimams.
Trapumas aukštoje temperatūroje ir karščio plastiškumo praradimas
Be to, lėto aušinimo metu 900–1000 °C, Nb laikantys plienai (0.03 Nb–0,02 C–0,02 N) smulkios nuosėdos (NB, C)N dalelių buvusių austenito grūdelių viduje.
Todėl, tempimo pailgėjimas smarkiai krenta – nuo 40% to under 10%—compromising formability during forging or rolling.
Be to, žemiau 900 ° C., AlN forms at grain boundaries, exacerbating intergranular cracking and limiting hot-workability in high-alloy or microalloyed steels.
Dujų poringumas ir liejimo defektai
Be to, molten steels with dissolved N above 0.015 wt% can outgas N₂ during solidification, creating porosity that occupies up to 0.3% of ingot volume.
These micro-blowholes serve as stress concentrators: fatigue tests show a 60% reduction in life under cyclic bending.
Likewise, static tensile strength may drop by 5– 10 proc. in sections thicker than 100 mm, where trapped gas accumulates most.
Suvirinamumo problemos: Karšto krekingo ir nitrido intarpai
Pagaliau, during arc welding, rapid thermal cycles liberate dissolved N as gas bubbles and generate high-melting nitride inclusions in the fusion and heat-affected zones.
Todėl, hot-crack sensitivity rises by 20–30%, while weld-metal impact toughness can decline by 25% (Pvz., nuo 70 J to 52 J at –20 °C).
Such defects often force post-weld heat treatments or specialized consumables, adding cost and complexity to fabrication.
Lentelė 2: Žalingas azoto poveikis pliene
| Efektas | Mechanizmas | Threshold N Level | Quantitative Impact |
|---|---|---|---|
| Senėjimo trapumas kambario temperatūroje (“Blue”) | Coarse Fe₄N/Mn₄N form along boundaries during 200–400 °C aging | > 0.02 wt% | Charpy toughness ↓ > 50 % (Pvz., nuo 80 J to 35 J at 25 ° C.) |
| High-Temperature Embrittlement & Hot-Ductility Loss | (NB,C)N and AlN precipitates during 900–1 000 °C slow cooling | ≥ 0.02 wt% | Elongation ↓ from 40 % į < 10 %; severe formability loss |
| Dujų poringumas & Liejimo defektai | Excess N₂ bubbles form porosity during solidification | > 0.015 wt% | Porosity up to 0.3 % apimtis; fatigue life ↓ ≈ 60 %; tensile strength ↓ 5–10 % |
| Suvirinamumo problemos | N₂ evolution and nitride inclusions in fusion/HAZ zones | ≥ 0.01 wt% | Hot-crack sensitivity +20–30 %; weld-metal toughness ↓ 25 % (70 J → 52 J at –20 °C) |
5. Tikslios azoto kontrolės strategijos
Pirminė plieno gamyba
To begin with, EAF ir BOF employ inert‐gas stirring (Ar, CO₂) at rates exceeding 100 Nm³/min, achieving up to 60% N removal per cycle.
Antrinė metalurgija
Vėliau, vacuum degassing (VD/VOD) pagal < 50 mbar pressure eliminates up to 90% of residual N, whereas argon purging alone only removes 40–50%.
Plants targeting ≤ 0.008 wt% N often schedule two or more VD passes.
Perlydymo būdai
Be to, ESR ir MŪSŲ not only refine inclusion cleanliness but also reduce N by 0.005 wt% relative to conventional ingots due to intense heat and low pressure.
Švaraus plieno praktika
Pagaliau, minimizing atmospheric exposure during pouring through sealed tundles and argon shrouds prevents N re‐absorption, helping maintain N below 20 ppm in ultra‐clean grades.
6. Pramonės atvejų analizė
| Paraiška | strategija | N Level | Pagrindinė nauda |
|---|---|---|---|
| 9Cr–3W–3Co Ultra‐low‐N Stainless | EAF + multi‐stage VD + ESR | ≤ 0.010 wt% (100 ppm) | +12 J Charpy toughness at –40 °C |
| HiB Transformer Silicon Steel | Tight timing & mėginių ėmimas (± 5 s) | 65–85 ppm | –5% core loss; +8% magnetinis pralaidumas |
| 1 100 MPa Welding‐Wire Steel | Alloy‐tuning + process optimization | 0.006–0.010 wt% | Tempimas > 1 100 MPA; pailgėjimas ≥ 12% |
| 5 N‐Grade Ultrapure Iron | Electrolysis → vacuum melting → VZM | Total gas ~ 4.5 ppm | Puslaidininkis & magnetinio lygio grynumas |
7. Azotavimas
Be masinio N valdymo, paviršiaus azotavimas sukuria vietinį sukietėjimą.
Dujos, plazma, arba druskos vonios azotavimas įveda iki 0.5 wt% N į a 0.1– 0,3 mm difuzinis sluoksnis, padidina paviršiaus kietumą ~200 HV į 800–1 000 HV.
Nepaisant to, per didelis arba netemptas azotavimas gali sudaryti trapius ε-Fe₂₋₃N „baltus sluoksnius“, kurie įtrūksta nuo nuovargio., taigi post-nitriding grūdinimas (≈ 500 °C už 2 h) dažnai seka, kad optimizuotų tvirtumą.
8. Išvados
Azotas tikrai veikia kaip „dvipusė ranka“ plieno metalurgijoje.
Kai valdoma sandariuose languose (paprastai 0,005–0,03 masės %), jis suteikia kieto tirpalo stiprinimą, grūdų tobulinimas, ir atsparumo korozijai padidėjimas.
Ir atvirkščiai, N perteklius sukelia trapumą, poringumas, ir suvirinimo iššūkiai.
Todėl, Šiuolaikinė plieno gamyba naudoja pažangų degazavimą, perlydant, and clean‐steel tactics—alongside real‐time analysis—to pin nitrogen at its most beneficial level.
As steels evolve toward higher performance and sustainability, mastering nitrogen’s dual nature remains a critical competency for metallurgists and production engineers alike.
Tai is the perfect choice for your manufacturing needs if you need high-quality steel.
Susisiekite su mumis šiandien!
DUK
Ar azotas gali pagerinti nerūdijančio plieno atsparumą korozijai?
Taip. Pavyzdžiui, pridedant 0.18 masės % N to a duplex grade (22 Cr–5 Ni–3 Mo) raises
its PREN by ≈ 10 units and reduces pitting rates in 3.5 wt% NaCl by about 30%, prailginti tarnavimo laiką agresyvioje aplinkoje.
What analytical techniques quantify nitrogen in steel?
- Inert-gas fusion (LECO): ± 0.001 wt% accuracy for total N.
- Carrier-gas hot extraction: Separates dissolved, nitride-bound, and gaseous N₂ for detailed speciation.
- Vacuum fusion: Operates under 1–10 mbar to detect sub-ppm changes after degassing.
How does nitriding differ from bulk nitrogen control?
Bulk N control targets overall N at 0.005–0.03 wt% for internal properties.
Priešingai, paviršiaus azotavimas (dujos, plazma, salt-bath) diffuses up to 0.5 masės % N into a 0.1–0.3 mm layer,
boosting surface hardness (200 HV → 800–1 000 HV) but requiring post-nitriding tempering to avoid brittle white layers.
Steelmakers use vacuum arc remelting (MŪSŲ) or electroslag remelting (ESR) to outgas N under high temperatures and low pressures.
Be to, sealed ladles and protective argon or nitrogen shrouds during tapping prevent N reabsorption, reducing porosity to < 0.1%.
