1. Увођење
У савременој металургији челика, легирајући елементи диктирају механичку обраду материјала, хемијски, и термичке перформансе.
Међу овима, азот (Н) истиче се као а мач са две оштрице.
С једне стране, пружа изузетно јачање, учињење зрна, и предности отпорности на корозију; с друге стране, може изазвати кртост, порозност, и дефекти у заваривању.
Сходно томе, савладавање понашања азота — и прецизно контролисање његовог садржаја — постало је кључно за произвођаче челика широм света.
Овај чланак испитује вишеструку улогу азота у челику, мешање фундаменталне науке, подаци из стварног света, и најбоље индустријске праксе да представи а професионалан, меродаван, и веродостојан перспектива.
2. Основе азота у гвожђу и челику
Разумевање понашања азота у челику захтева испитивање његових облика, границе растворљивости, интеракције са другим елементима, и аналитичке методе.
У следећим пододељцима, удубљујемо се у сваки аспект да бисмо изградили чврсту основу за практичну контролу и металуршки дизајн.
Облици и дистрибуција азота
Прво, азот се појављује у три главна стања унутар растопљеног и чврстог челика:
- Интерстицијски растворени азот
Атоми азота заузимају октаедарска места у гвозденој решетки - оба су кубна са центрираним лицем (Аустенит) и кубни усредсређен на тело (ферит).
У ствари, у 1200 ° Ц и 1 атм, аустенит се раствара до 0.11 теж% Н, док ферит прихвата мање од 0.01 вт% под истим условима. - Нитридни преципитати
Када се челик охлади, јаки елементи који формирају нитриде као што су титанијум и алуминијум хватају растворени Н и формирају фине честице (20–100 нм).
На пример, АлН и ТиН показују слободну енергију формирања од –160 кЈ/мол и –184 кЈ/мол при 1000 ° Ц, односно, што их чини веома стабилним и ефикасним местима за причвршћивање на граници зрна. - Гасни азот (Н₂) Џепови
Ако растворени Н премашује растворљивост током очвршћавања, може настати као Н₂ мехурићи.
Чак и скроман 0.015 вт% раствореног Н може произвести порозност једнаку 0.1–0,3% запремине ингота, угрожавање механичког интегритета.
Растворљивост и равнотежа фаза
Следећи, бинарни фазни дијаграм Фе–Н открива критичне прелазе зависне од температуре:
- Високотемпературно поље γ-аустенита
Изнад отприлике 700 ° Ц, само једна γ-аустенитна фаза може задржати интерстицијски Н. Врх растворљивости је близу 0.11 вт% у 1 200 °Ц и атмосферски притисак. - Еволуција нитрида и гаса испод 700 °Ц
Како температура пада, решетка одбија вишак Н. Доњи део 700 ° Ц, азот се или таложи као стабилни нитриди (Нпр., АлН, ТиН) или формира Н2 гас.
На собној температури, растворљивост пада на < 0.005 вт%, па су пажљиве брзине хлађења и дизајн легуре битни за корисну дистрибуцију Н. - Ефекти притиска
Повећање парцијалног притиска аргона или азота може променити растворљивост: а 5 атм Н₂ атмосфера повећава растворљивост на високим температурама до 15%,
али већина производње челика се дешава у близини 1 атм, наглашавајући важност третмана вакуумом за избацивање раствореног Н.
Интеракције са легирајућим елементима
Штавише, азот не делује сам. Формира сложене интеракције које утичу на микроструктуру и својства:
- Јаки творци нитрида
Титанијум, алуминијум, и ниобијум закључавају азот као ТиН, АлН, или НбН.
Ови преципитирају границе зрна и рафинишу аустенит, што се после трансформације директно преводи у финији ферит или мартензит. - Умерени афинитети са угљеником и манганом
Азот се такође може комбиновати са угљеником да би се добио Фе₄Н или са манганом да би се формирао Мн₄Н.
У нисколегираним челицима, ови нитриди имају тенденцију да се грубе дуж граница зрна, смањење жилавости ако се не контролише. - Синергија са хромом у Нехрђајући челичан
У аустенитним разредима (Нпр., 316, 2205 дуплекс), азот побољшава стабилност пасивног филма.
Сваки 0.1 теж.% Н додавањем може повећати еквивалентни број отпорности на питинг (Дрва) би абоут 3 јединице, побољшање отпорности на корозију изазвану хлоридима.
Методе мерења и анализе
Коначно, тачна квантификација азота је основа сваке стратегије контроле. Главне технике укључују:
- Фузија инертног гаса (ЛЕЦО Анализер)
Оператери топе челични узорак у графитном лончићу под хелијумом; ослобођени Н₂ пролази кроз инфрацрвени детектор.
Овај метод доноси ± ± 0.001 вт% прецизност до 0.003 теж% укупно Н. - Врућа екстракција гаса носача
Овде, растопљени узорци у вакуумској пећи ослобађају одвојено растворени и комбиновани азот.
Праћењем еволуције Н₂ у односу на време, лабораторије разликују интерстицијски Н, нитриди, и гасовити џепови. - Вакуумска фузија инертног гаса
Да би се проверила ефикасност корака дегазације, многа постројења користе анализаторе вакуумске фузије који раде под 1–10 мбар.
Ови инструменти откривају промене испод ппм у раствореном Н, вођење прилагођавања процеса за одржавање нивоа испод циљаних прагова (Нпр., ≤ 20 ппм у ултра чистим челицима).
3. Благотворни ефекти азота у челику
Азот пружа вишеструке предности када инжењери прецизно контролишу његову концентрацију.
Доњи део, испитујемо четири кључне предности—свака подржана квантитативним подацима и повезана са јасним прелазима да бисмо показали како Н подиже перформансе челика.
Јачање чврстим раствором
Прво и најважније, растворени атоми азота искривљују решетку гвожђа и ометају кретање дислокације.
Сваки 0.01 вт% интерстицијалног Н обично додаје ≈ 30 МПА да попушта снагу.
На пример, у микролегираном челику који садржи 0.12 теж% Ц и 0.03 теж% Н, граница течења се пење од 650 МПа до преко 740 МПа — повећање од више од 14% — уз само скроман компромис у дуктилности.
Рафинација зрна путем талога нитрида
Штавише, азот формира ултра-фине нитриде (20–100 нм) са јаким творцима нитрида као што су Ал и Ти.
Током контролисаног хлађења, ови преципитати постављају границе зрна аустенита. Сходно томе, просечна величина зрна аустенита се смањује од грубо 100 μм до краја 20–30 μм.
Заузврат, префињена микроструктура повећава ударну жилавост Цхарпи-В на –20 °Ц до 15 Ј, истовремено побољшавајући равномерно издужење за 10–12%.
Повећање отпорности на корозију
Додатно, азот јача отпорност на корозију и пукотине у нерђајућим и дуплекс челицима.
На пример, додајући 0.18 теж% Н до а 22 Цр–5 Ни–3 Мо дуплек квалитета повећава свој еквивалентни број отпорности на точење (Дрва) по приближно 10 јединице.
Као резултат, стопа корозије материјала у 3.5 теж.% НаЦл скоро паде 30%, који продужава радни век у морским и хемијским окружењима.
Побољшане перформансе умора и пузања
Коначно, под цикличним оптерећењем, челици ојачани азотом показују а 20-25% дужи век трајања замора при амплитудама напрезања изнад 400 МПА.
Исто тако, у тестовима пузања на 600 ° Ц и 150 МПА, челици који садрже 0.02–0,03 теж% Н изложите а 10-15% нижа минимална брзина пузања у поређењу са њиховим колегама са ниским Н.
Ово побољшање произилази из способности нитридних мрежа да се одупру клизању границе зрна и покретању празнине.
Табле 1: Благотворни ефекти азота у челику
| Утицај | Механизам | Типичан Н домет | Квантитативни утицај |
|---|---|---|---|
| Јачање чврстим раствором | Интерстицијални Н искривљује решетку, омета дислокације | +0.01 теж.% по инкременту | +≈ 30 МПа граница течења по 0.01 теж% Н |
| Учињење зрна | Нано-нитрид (АлН/ТиН) таложи границе аустенита | 0.02–0,03 теж.% | Величина зрна ↓ од ~100 μм до 20–30 μм; Шарпијев утицај ↑ за до 15 Ј на –20 °Ц |
| Отпорност на корозију | Н стабилизује пасивни филм, подиже ПРЕН | 0.10–0,20 теж.% | Дрва +10 јединице; стопа удубљења у 3.5 теж.% НаЦл ↓ за ≈ 30 % |
| Умор & Црееп Перформанце | Нитридне мреже ометају гранично клизање и раст празнина | 0.02–0,03 теж.% | Век трајања +20–25 % на ≥ 400 МПА; брзина пузања ↓ 10–15 % у 600 ° Ц, 150 МПА |
4. Штетни ефекти азота у челику
Док азот доноси јасне предности, његов вишак доводи до озбиљних проблема са перформансама и обрадом.
Доњи део, детаљно описујемо четири главна недостатка—сваки је подвучен квантитативним подацима и повезан са прелазима да би се истакли узрок и последица.
Кртост старењем при собној температури (“Плава крхкост”)
Међутим, челици који садрже више од 0.02 теж% Н често трпе крхкост када се држе на 200–400 °Ц.
Преко шест месеци, грубе нитридне мреже (Нпр., Фе₄Н и Мн₄Н) формирају дуж граница зрна.
Као резултат, Цхарпи-В ударна жилавост може драстично пасти 50% (на пример, од 80 Ј доле до 35 Ј Ат Ат 25 ° Ц), подривање дуктилности и ризик од пуцања у раду код нискоугљеничних конструкцијских челика.
Кртост при високим температурама и губитак топлотне дуктилности
Штавише, током спорог хлађења 900–1000 °Ц, Челици који садрже Нб (0.03 Нб–0,02 Ц–0,02 Н) преципитат фине (Наклопити, Ц)Н честице унутар некадашњих зрна аустенита.
Сходно томе, затезно издужење нагло пада — од 40% да под 10%—компромитујућа способност обликовања током ковања или ваљања.
Надаље, испод 900 ° Ц, АлН се формира на границама зрна, погоршање интергрануларног пуцања и ограничавање обрадивости у врућој форми у високолегираним или микролегираним челицима.
Порозност гаса и дефекти ливења
Додатно, растопљени челици са раствореним Н изнад 0.015 вт% може да избаци Н₂ током очвршћавања, стварање порозности која заузима до 0.3% запремине ингота.
Ове микро рупе служе као концентратори стреса: тестови на замор показују а 60% смањење животног века под цикличним савијањем.
Исто тако, статичка затезна чврстоћа може пасти 5–10% у пресецима дебљим од 100 мм, где се највише акумулира заробљени гас.
Питања заварљивости: Вруће пуцање и инклузије нитрида
Коначно, током електролучног заваривања, брзи термички циклуси ослобађају растворени Н као мехуриће гаса и стварају инклузије нитрида високог топљења у зонама фузије и топлотног утицаја.
Сходно томе, осетљивост на вруће пукотине расте за 20-30%, док ударна жилавост метала вара може опасти за 25% (Нпр., од 70 Ј ово 52 Ј на –20 °Ц).
Такви дефекти често изазивају термичке третмане након заваривања или специјализовани потрошни материјал, додајући трошкове и сложеност изради.
Табле 2: Штетни ефекти азота у челику
| Утицај | Механизам | Ниво прага Н | Квантитативни утицај |
|---|---|---|---|
| Кртост старењем при собној температури (“плаво”) | Груби Фе₄Н/Мн₄Н се формира дуж граница током старења на 200–400 °Ц | > 0.02 вт% | Цхарпи жилавост ↓ > 50 % (Нпр., од 80 Ј ово 35 Ј Ат Ат 25 ° Ц) |
| Високотемпературна кртост & Губитак топлотне дуктилности | (Наклопити,Ц)Н и АлН се таложе током 900–1 000 °Ц споро хлађење | ≥ 0.02 вт% | Издужење ↓ од 40 % до < 10 %; озбиљан губитак формабилности |
| Порозност гаса & Дефекти ливења | Вишак Н₂ мехурића формира порозност током очвршћавања | > 0.015 вт% | Порозност до 0.3 % запремина; век трајања замора ↓ ≈ 60 %; затезна чврстоћа ↓ 5–10 % |
| Питања заварљивости | Еволуција Н₂ и инклузије нитрида у зонама фузије/ХАЗ | ≥ 0.01 вт% | Осетљивост на вруће пукотине +20–30 %; жилавост метала вара ↓ 25 % (70 Ј → 52 Ј на –20 °Ц) |
5. Стратегије за прецизну контролу азота
Примари Стеелмакинг
За почетак, Еаф и Бод користити мешање инертног гаса (Ар, Цо₂) по стопама које прелазе 100 Нм³/мин, постизање до 60% Н уклањање по циклусу.
Секундарна металургија
Након тога, вакуум дегазација (ВД/ВОД) под < 50 мбар притисак елиминише до 90% остатка Н, док само чишћење аргоном само уклања 40-50%.
Циљање биљака ≤ 0.008 вт% Н често планира два или више ВД пролаза.
Ремелтинг Тецхникуес
Додатно, ЕСР и Наш не само побољшати чистоћу инклузије већ и смањити Н за 0.005 вт% у односу на конвенционалне инготе због интензивне топлоте и ниског притиска.
Пракса чистог челика
Коначно, минимизирање атмосферског излагања током изливања кроз запечаћене токове и омотаче аргона спречава поновну апсорпцију Н, помаже у одржавању Н испод 20 ппм у ултра-чистим разредима.
6. Индустријске студије случаја
| Примена | Стратегија | Н Левел | Кључна предност |
|---|---|---|---|
| 9Цр–3В–3Цо Ултра-ниско-Н нерђајући | Еаф + вишестепени ВД + ЕСР | ≤ 0.010 вт% (100 ппм) | +12 Ј Цхарпи жилавост на –40 °Ц |
| ХиБ трансформаторски силиконски челик | Уско време & узорковање (± ± 5 с) | 65–85 ппм | –5% губитак језгра; +8% магнетна пермеабилност |
| 1 100 МПа челична жица за заваривање | Аллои-тунинг + оптимизација процеса | 0.006–0,010 теж.% | Затезање > 1 100 МПА; издужење ≥ 12% |
| 5 Ултра чисто гвожђе Н-разреда | Електролиза → вакуумско топљење → ВЗМ | Укупни гас ~ 4.5 ппм | Полуводич & чистоћа магнетног квалитета |
7. Нитрирање
Изван масовне Н контроле, површинско нитрирање ствара локализовано очвршћавање.
Гас, плазма, или нитрирање у сланом купатилу уводи до 0.5 вт% Н у а 0.1-0,3 мм дифузиони слој, повећање тврдоће површине од ~200 ХВ до 800-1 000 Хв.
Ипак, прекомерно или неумерено нитрирање може да формира крхке ε-Фе₂₋₃Н „беле слојеве“ који пуцају под замором, па каљење после нитрирања (≈ 500 °Ц за 2 хмерово) често следи ради оптимизације жилавости.
8. Закључци
Азот заиста делује као „дволична рука“ у металургији челика.
Када се контролише унутар тесних прозора (обично 0,005–0,03 теж.%), пружа јачање чврстог раствора, учињење зрна, и повећање отпорности на корозију.
И обрнуто, вишак Н изазива кртост, порозност, и изазови заваривања.
Стога, савремена производња челика користи напредну дегазацију, претапање, и тактике чистог челика — заједно са анализом у реалном времену — да се азот постави на најкориснији ниво.
Како челици еволуирају ка већим перформансама и одрживости, Овладавање двоструком природом азота остаје критична компетенција за металурге и производне инжењере.
Ово је савршен избор за ваше производне потребе ако вам је потребно висококвалитетни челик.
Често постављана питања
Може ли азот побољшати отпорност на корозију у нерђајућим челицима?
Да. На пример, додајући 0.18 теж% Н на дуплекс разред (22 Цр–5 Ни–3 Мо) подиже
његов ПРЕН за ≈ 10 јединице и смањује стопе удубљења у 3.5 теж.% НаЦл за око 30%, продужење радног века у агресивном окружењу.
Које аналитичке технике квантификују азот у челику?
- Фузија инертног гаса (ЛЕЦО): ± ± 0.001 теж% тачност за укупно Н.
- Врућа екстракција носећег гаса: Одваја се растворено, везани за нитриде, и гасовити Н₂ за детаљну специјацију.
- Вакуумска фузија: Ради испод 1–10 мбар да би открио промене испод ппм након дегазације.
Како се нитрирање разликује од контроле количине азота?
Контрола масовног Н циља укупан Н на 0,005–0,03 теж.% за унутрашња својства.
У супротности, површинско нитрирање (гас, плазма, слана купка) дифундује до 0.5 теж% Н у слој од 0,1-0,3 мм,
повећање тврдоће површине (200 ХВ → 800–1 000 Хв) али захтева каљење после нитрирања да би се избегли ломљиви бели слојеви.
Произвођачи челика користе претапање у вакууму (Наш) или претапање електрошљаке (ЕСР) да избаци Н под високим температурама и ниским притисцима.
Додатно, запечаћене кутлаче и заштитни омотачи аргона или азота током точења спречавају реапсорпцију Н, смањење порозности до < 0.1%.
