1. Įvadas
Šiuolaikinėje plieno metalurgijoje, legiravimo elementai lemia medžiagos mechaninį, Cheminė, ir šilumines charakteristikas.
Tarp šių, azotas (N) išsiskiria kaip a dviašmenis kardas.
Viena vertus, jis suteikia išskirtinį stiprinimą, grūdų tobulinimas, ir atsparumo korozijai privalumai; iš kitos pusės, jis gali sukelti trapumą, poringumas, ir suvirinimo defektai.
Todėl, įvaldyti azoto elgesį ir tiksliai kontroliuoti jo kiekį plieno gamintojams visame pasaulyje.
Šiame straipsnyje nagrinėjamas daugialypis azoto vaidmuo pliene, derinant fundamentinį mokslą, realaus pasaulio duomenis, ir geriausios pramonės praktikos pristatyti a Profesionalas, autoritetingas, ir patikimas perspektyvą.
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) arba sudaro N₂ dujas.
Kambario temperatūroje, tirpumas sumažėja iki < 0.005 wt%, todėl kruopštus aušinimo greitis ir lydinio konstrukcija tampa būtini, kad N būtų paskirstytas naudingai. - Slėgio poveikis
Didėjantis argono arba azoto dalinis slėgis gali pakeisti tirpumą: a 5 atm N₂ atmosfera padidina tirpumą aukštoje temperatūroje iki 15%,
tačiau dauguma plieno gamybos vyksta šalia 1 atm, pabrėžiant vakuuminio gydymo svarbą norint pašalinti ištirpusį N.
Sąveika su legiravimo elementais
Be to, azotas neveikia vienas. Jis sudaro sudėtingas sąveikas, turinčias įtakos mikrostruktūrai ir savybėms:
- Stiprūs nitridų formuotojai
Titanas, aliuminis, ir niobis sulaiko azotą kaip TiN, AlN, arba NbN.
Šios nuosėdos sujungia grūdelių ribas ir išgrynina austenitą, kuris po transformacijos tiesiogiai virsta smulkesniu feritu arba martensitu. - Vidutinis giminingumas su anglimi ir manganu
Azotas taip pat gali jungtis su anglimi, kad susidarytų Fe₄N arba su manganu, kad susidarytų 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, ir dujinės kišenės. - Vakuuminis inertinių dujų sintezė
Norėdami patikrinti degazavimo veiksmų efektyvumą, daugelyje gamyklų naudojami vakuuminiai sintezės analizatoriai, kurie veikia pagal 1-10 mbar.
Šie prietaisai nustato subppm pokyčius ištirpusiame N, nukreipti proceso koregavimus, kad lygiai būtų žemesni už tikslines ribas (Pvz., ≤ 20 ppm itin švariuose plienuose).
3. Naudingas azoto poveikis pliene
Azotas suteikia daug privalumų, kai inžinieriai tiksliai kontroliuoja jo koncentraciją.
Žemiau, išnagrinėjame keturis pagrindinius privalumus, kurių kiekvienas pagrįstas kiekybiniais duomenimis ir susietas su aiškiais perėjimais, kad parodytume, kaip N pagerina plieno našumą.
Kieto tirpalo stiprinimas
Pirmiausia ir svarbiausia, ištirpę azoto atomai iškreipia geležies gardelę ir trukdo dislokacijos judėjimui.
kas 0.01 wt% tarpinio puslapio N paprastai prideda ≈ 30 MPA duoti jėgų.
Pavyzdžiui, mikrolegiruotame pliene, kuriame yra 0.12 masės % C ir 0.03 masės % N, takumo riba kyla nuo 650 MPa baigiasi 740 MPa – padidėjimas daugiau nei 14 % – su tik nedideliu elastingumo kompromisu.
Grūdų rafinavimas naudojant nitrido nuosėdas
Be to, azotas sudaro itin smulkius nitridus (20-100 nm) su stipriais nitridų formatoriais, tokiais kaip Al ir Ti.
Kontroliuojamo aušinimo metu, šios nuosėdos prismeigia austenito grūdelių ribas. Todėl, vidutinis austenito grūdelių dydis mažėja nuo apytiksliai 100 μm žemyn 20-30 μm.
Savo ruožtu, rafinuota mikrostruktūra padidina Charpy-V atsparumą smūgiams esant –20 °C iki 15 J, taip pat pagerina vienodą pailgėjimą 10–12 %.
Atsparumo korozijai didinimas
Be to, azotas sustiprina nerūdijančio ir dvipusio plieno atsparumą duobėms ir plyšių korozijai.
Pavyzdžiui, pridedant 0.18 masės % N į a 22 Cr-5 Ni-3 Mo dvipusis laipsnis padidina atsparumo įdubimams ekvivalentinį skaičių (Mediena) apytiksliai 10 vienetų.
Dėl to, medžiagos taškinės korozijos greitis 3.5 masės % NaCl nukrenta beveik 30%, kuris prailgina tarnavimo laiką jūrų ir cheminio apdorojimo aplinkoje.
Pagerintas nuovargio ir šliaužimo efektyvumas
Pagaliau, esant ciklinei apkrovai, azotu sustiprinti plienai rodo a 20– 25 proc. ilgesnis nuovargio gyvenimas esant aukštesnėms streso amplitudėms 400 MPA.
Taip pat, šliaužimo testuose 600 °C ir 150 MPA, plienų, kurių sudėtyje yra 0.02–0,03 masės % N eksponuoti a 10– 15 proc. mažesnis minimalus valkšnumo greitis, palyginti su mažo N analogais.
Šis patobulinimas kyla dėl nitridų tinklų gebėjimo atsispirti grūdų ribos slydimui ir tuštumų atsiradimui.
Lentelė 1: Naudingas azoto poveikis pliene
| Efektas | Mechanizmas | Tipiškas N diapazonas | Kiekybinis poveikis |
|---|---|---|---|
| Kieto tirpalo stiprinimas | Intersticinis N iškreipia gardelę, trukdo išnirimams | +0.01 masės % vienam prieaugiui | +≈ 30 MPa takumo riba per 0.01 masės % N |
| Grūdų tobulinimas | Nano-nitridas (AlN/TiN) nusodina kaiščio austenito ribas | 0.02–0,03 masės % | Grūdelių dydis ↓ nuo ~100 μm iki 20–30 μm; Šarpio smūgis ↑ iki 15 J esant –20 °C |
| Atsparumas korozijai | N stabilizuoja pasyviąją plėvelę, kelia PREN | 0.10–0,20 masės % | Mediena +10 vienetų; įdubimo norma 3.5 masės % NaCl ↓ ≈ 30 % |
| Nuovargis & Šliaužiojimas | Nitridų tinklai trukdo slydimui ir tuštumų augimui | 0.02–0,03 masės % | 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% į apačią 10%– formuojamumo pablogėjimas kalimo arba valcavimo metu.
Be to, žemiau 900 ° C., AlN susidaro grūdų ribose, padidina tarpkristalinį įtrūkimą ir riboja aukšto legiruoto arba mikro legiruoto plieno karštąjį apdirbimą.
Dujų poringumas ir liejimo defektai
Be to, išlydytas plienas su ištirpusiu N aukščiau 0.015 wt% kietėjimo metu gali išskirti N₂, sukuriant poringumą, kuris užima iki 0.3% luito tūrio.
Šios mikro prapūtimo angos tarnauja kaip įtampos koncentratoriai: nuovargio testai rodo a 60% gyvenimo trukmės sutrumpinimas esant cikliniam lenkimui.
Taip pat, statinis tempiamasis stipris gali sumažėti 5– 10 proc. storesnėmis nei 100 mm, kur daugiausia susikaupia įstrigusių dujų.
Suvirinamumo problemos: Karšto krekingo ir nitrido intarpai
Pagaliau, lankinio suvirinimo metu, greiti šiluminiai ciklai išskiria ištirpusį N dujų burbuliukų pavidalu ir susiliejančiose bei karščio paveiktose zonose sukuria aukštai tirpstančių nitridų inkliuzus.
Todėl, jautrumas karštiems įtrūkimams padidėja 20–30%, o suvirinimo metalo atsparumas smūgiams gali sumažėti 25% (Pvz., nuo 70 J tai 52 J esant –20 °C).
Dėl tokių defektų dažnai reikia atlikti terminį apdorojimą po suvirinimo arba specializuotas eksploatacines medžiagas, padidina gamybos sąnaudas ir sudėtingumą.
Lentelė 2: Žalingas azoto poveikis pliene
| Efektas | Mechanizmas | Slenkstis N lygis | Kiekybinis poveikis |
|---|---|---|---|
| Senėjimo trapumas kambario temperatūroje ("Mėlyna") | Stambių Fe₄N/Mn₄N formuojasi palei ribas senstant 200–400 °C | > 0.02 wt% | Charpy kietumas ↓ > 50 % (Pvz., nuo 80 J tai 35 J at 25 ° C.) |
| Aukštos temperatūros trapumas & Karštas plastiškumo praradimas | (NB,C)N ir AlN nusėda per 900–1 000 °C lėtas aušinimas | ≥ 0.02 wt% | Pailgėjimas ↓ nuo 40 % į < 10 %; sunkus formavimo praradimas |
| Dujų poringumas & Liejimo defektai | N2 burbuliukų perteklius kietėjimo metu sudaro poringumą | > 0.015 wt% | Akytumas iki 0.3 % apimtis; nuovargio tarnavimo laikas ↓ ≈ 60 %; tempiamasis stipris ↓ 5–10 % |
| Suvirinamumo problemos | N₂ evoliucija ir nitridų inkliuzai sintezės / HAZ zonose | ≥ 0.01 wt% | Jautrumas karštam įtrūkimui +20–30 %; suvirinimo metalo kietumas ↓ 25 % (70 J → 52 J esant –20 °C) |
5. Tikslios azoto kontrolės strategijos
Pirminė plieno gamyba
Norėdami pradėti, EAF ir BOF naudoti inertinių dujų maišymą (Ar, CO₂) viršijančiais tarifus 100 Nm³/min, pasiekęs iki 60% N pašalinimas per ciklą.
Antrinė metalurgija
Vėliau, vakuuminis degazavimas (VD/VOD) pagal < 50 mbar slėgis pašalina iki 90% likučio N, tuo tarpu vien argono valymas tik pašalina 40–50%.
Taikymas augalams ≤ 0.008 wt% N dažnai suplanuoja du ar daugiau VD leidimų.
Perlydymo būdai
Be to, ESR ir MŪSŲ ne tik pagerina įtraukimo švarą, bet ir sumažina N 0.005 wt% palyginti su įprastiniais luitais dėl intensyvaus karščio ir žemo slėgio.
Švaraus plieno praktika
Pagaliau, sumažinant atmosferos poveikį pilant per sandarias tundles ir argono gaubtus, neleidžiama reabsorbuoti N, padedantis išlaikyti N žemiau 20 ppm itin švarios klasėse.
6. Pramonės atvejų analizė
| Paraiška | strategija | N lygis | Pagrindinė nauda |
|---|---|---|---|
| 9Cr-3W-3Co Ultra-low-N nerūdijantis | EAF + daugiapakopis VD + ESR | ≤ 0.010 wt% (100 ppm) | +12 J Charpy kietumas –40 °C temperatūroje |
| HiB transformatorius silicio plienas | Griežtas laikas & mėginių ėmimas (± 5 s) | 65– 85 ppm | -5% branduolio praradimas; +8% magnetinis pralaidumas |
| 1 100 MPa suvirinimo vielos plienas | Lydinio derinimas + proceso optimizavimas | 0.006–0,010 masės % | Tempimas > 1 100 MPA; pailgėjimas ≥ 12% |
| 5 N klasės ypač gryna geležis | Elektrolizė → vakuuminis lydymas → VZM | Iš viso dujų ~ 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, ir švaraus plieno taktika – kartu su analize realiuoju laiku – prisotinti azotą naudingiausiu lygiu.
Plienui tobulėjant, siekiant didesnio našumo ir tvarumo, Dvigubo azoto prigimties įsisavinimas išlieka svarbia metalurgų ir gamybos inžinierių kompetencija.
Tai yra puikus pasirinkimas jūsų gamybos poreikiams, jei reikia aukštos kokybės plieno.
Susisiekite su mumis šiandien!
DUK
Ar azotas gali pagerinti nerūdijančio plieno atsparumą korozijai?
Taip. Pavyzdžiui, pridedant 0.18 masės % N iki dvipusio lygio (22 Cr–5 Ni–3 Mo) kelia
jo PREN ≈ 10 vienetų ir sumažina įdubimų dažnį 3.5 masės % NaCl maždaug 30%, prailginti tarnavimo laiką agresyvioje aplinkoje.
Kokie analitiniai metodai kiekybiškai įvertina azoto kiekį pliene?
- Inertinių dujų sintezė (LECO): ± 0.001 masės % tikslumas bendram N.
- Karštas nešiklio-dujų ištraukimas: Atskiria ištirpsta, surištas su nitridu, ir dujinis N₂, skirtas išsamiai specifikacijai.
- Vakuuminis suliejimas: Veikia žemiau 1–10 mbar, kad nustatytų subppm pokyčius po degazavimo.
Kuo nitridavimas skiriasi nuo tūrinio azoto kontrolės?
Bendras N kontrolė siekia 0,005–0,03 masės % vidinių savybių.
Priešingai, paviršiaus azotavimas (dujos, plazma, druskos vonia) išsisklaido iki 0.5 masės % N į 0,1–0,3 mm sluoksnį,
padidina paviršiaus kietumą (200 HV → 800–1 000 HV) tačiau norint išvengti trapių baltų sluoksnių, reikalingas grūdinimas po nitridavimo.
Plieno gamintojai naudoja vakuuminį lankinį perlydymą (MŪSŲ) arba elektros šlako perlydymas (ESR) į išleidžiamas dujas N esant aukštai temperatūrai ir žemam slėgiui.
Be to, sandarūs samčiai ir apsauginiai argono arba azoto gaubtai bakstelėjimo metu apsaugo nuo N reabsorbcijos, mažinant poringumą iki < 0.1%.
