1. Giới thiệu
Bằng kim loại thép đương đại, Các yếu tố hợp kim chỉ ra một vật liệu cơ học, hóa chất, và hiệu suất nhiệt.
Trong số này, nitơ (N) nổi bật như một Kiếm hai lần.
Một mặt, nó mang lại sự tăng cường đặc biệt, sàng lọc hạt, và lợi ích chống ăn mòn; mặt khác, nó có thể kết tủa, độ xốp, và khuyết tật hàn.
Do đó, Nắm vững hành vi của nitơ, và kiểm soát nội dung của nó với độ chính xác, đã trở nên quan trọng đối với các nhà sản xuất thép trên toàn thế giới.
Bài viết này xem xét vai trò nhiều mặt của Nitrogen trong thép, Pha trộn khoa học cơ bản, Dữ liệu thế giới thực, và thực tiễn tốt nhất công nghiệp để trình bày một chuyên nghiệp, có thẩm quyền, Và đáng tin cậy luật xa gần.
2. Nguyên tắc cơ bản của nitơ trong sắt và thép
Hiểu về hành vi của nitơ trong thép đòi hỏi phải kiểm tra các hình thức của nó, giới hạn độ hòa tan, Tương tác với các yếu tố khác, và phương pháp phân tích.
Trong các tiểu mục sau, Chúng tôi đi sâu vào từng khía cạnh để xây dựng một nền tảng vững chắc để kiểm soát thực tế và thiết kế luyện kim.
Các hình thức và phân phối nitơ
Đầu tiên, Nitơ xuất hiện ở ba trạng thái chính trong thép nóng chảy và rắn:
- Nitơ hòa tan kẽ
Các nguyên tử nitơ chiếm các vị trí bát diện trong mạng lưới sắt, cả hình khối tập trung vào mặt (austenit) và khối tập trung vào cơ thể (ferit).
Trong thực tế, Tại 1200 ° C và 1 ATM, Austenite hòa tan lên đến 0.11 wt% n, trong khi ferrite có sức chứa ít hơn 0.01 wt% Trong cùng điều kiện. - Kết tủa nitride
Khi thép nguội, Các yếu tố hình thành nitride mạnh như Titanium và nhôm bắt hòa tan N để tạo thành các hạt mịn (20Mạnh100nm).
Ví dụ, ALN và TIN thể hiện sự hình thành năng lượng tự do của mật160 kJ/mol và mật184 kJ/mol tại 1000 °C, tương ứng, Điều này làm cho chúng rất ổn định và các vị trí ghim hạt giống hiệu quả. - Nitơ khí (N₂) Túi
Nếu hòa tan N vượt quá độ hòa tan trong quá trình hóa rắn, nó có thể tạo hạt nhân như bong bóng n₂.
Thậm chí là một khiêm tốn 0.015 wt% độ n hòa tan có thể tạo ra độ xốp bằng 0.1–0,3% của một tập trong thỏi, thỏa hiệp tính toàn vẹn cơ học.
Độ hòa tan và cân bằng pha
Kế tiếp, Biểu đồ pha nhị phân FeTHER N cho thấy sự chuyển đổi phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn:
- Trường nhiệt độ cao-austenite trường
Trên khoảng 700 °C, Chỉ một pha γ-austenite duy nhất có thể giữ n kẽ. Độ hòa tan đỉnh gần 0.11 wt% Tại 1 200 ° C và áp suất khí quyển. - Sub-700 ° C nitride và khí
Khi nhiệt độ giảm, Các mạng từ chối vượt quá n. Dưới 700 °C, nitơ hoặc kết tủa như nitrua ổn định (ví dụ., AlN, TiN) hoặc tạo thành khí.
Ở nhiệt độ phòng, Độ hòa tan rơi xuống < 0.005 wt%, Vì vậy, tốc độ làm mát cẩn thận và thiết kế hợp kim trở nên cần thiết để phân phối n có lợi. - Hiệu ứng áp lực
Tăng áp suất một phần argon hoặc nitơ có thể thay đổi độ hòa tan: Một 5 ATM N₂ bầu không khí làm tăng độ hòa tan nhiệt độ cao lên tới 15%,
Nhưng hầu hết sản xuất thép xảy ra gần 1 ATM, nhấn mạnh tầm quan trọng của các phương pháp điều trị chân không để loại bỏ N.
Tương tác với các yếu tố hợp kim
Hơn thế nữa, nitơ không hoạt động một mình. Nó tạo thành các tương tác phức tạp ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vi mô:
- Nitride-formers mạnh
Titan, nhôm, và niobi khóa nitơ như thiếc, AlN, hoặc NBN.
Những kết tủa này có ranh giới hạt pin và tinh chỉnh austenite, Trực tiếp dịch thành ferrite hoặc martensite tốt hơn sau khi biến đổi. - Mối quan hệ vừa phải với carbon và mangan
Nitơ cũng có thể kết hợp với carbon để tạo ra Fe₄n hoặc với mangan để tạo thành Mn₄n.
Trong thép hợp kim thấp, Những nitride này có xu hướng thô dọc theo ranh giới hạt, giảm độ dẻo dai nếu không được kiểm soát. - Sự phối hợp với crom trong Thép không gỉ
Trong các lớp Austenitic (ví dụ., 316, 2205 hai mặt), Nitơ giúp tăng cường sự ổn định của màng thụ động.
Mỗi 0.1 Bổ sung WT% N có thể tăng số lượng điện trở rỗ số tương đương (Gỗ) bằng khoảng 3 đơn vị, cải thiện khả năng chống ăn mòn do clorua gây ra.
Phương pháp đo lường và phân tích
Cuối cùng, Định lượng nitơ chính xác củng cố bất kỳ chiến lược kiểm soát nào. Các kỹ thuật chính bao gồm:
- Phản ứng tổng hợp khí trơ (Phân tích LECO)
Người vận hành làm tan chảy một mẫu thép trong lò nướng than chì dưới helium; N₂ được giải phóng đi qua máy dò hồng ngoại.
Phương pháp này cung cấp ± 0.001 wt% độ chính xác xuống 0.003 WT% Tổng n. - Chiết xuất nóng-Gas
Đây, Các mẫu nóng chảy trong giải phóng lò chân không hòa tan và kết hợp nitơ riêng biệt.
Bằng cách theo dõi sự tiến hóa của N₂ so với thời gian, Phòng thí nghiệm phân biệt giữa N, nitrides, và túi khí. - Nước chân không hợp nhất khí trơ
Để xác minh tính hiệu quả của các bước khử khí, Nhiều nhà máy sử dụng máy phân tích hợp nhất chân không hoạt động theo 11010 mbar.
Các công cụ này phát hiện các thay đổi phụ PPM trong giải trí N, Điều chỉnh quy trình hướng dẫn để duy trì các mức dưới ngưỡng mục tiêu (ví dụ., ≤ 20 ppm Trong thép siêu sạch).
3. Tác dụng có lợi của nitơ trong thép
Nitơ mang lại nhiều lợi thế khi các kỹ sư kiểm soát nồng độ của nó một cách chính xác.
Dưới, Chúng tôi kiểm tra bốn lợi ích chính, được hỗ trợ bởi dữ liệu định lượng và gắn kết với nhau với các chuyển đổi rõ ràng để cho thấy hiệu suất của N Nâng cao như thế nào.
Tăng cường giải pháp rắn
Đầu tiên và quan trọng nhất, Các nguyên tử nitơ hòa tan làm biến dạng mạng tinh thể và cản trở chuyển động trật khớp.
Mọi 0.01 wt% của k kẽ thường thêm ≈ 30 MPa để mang lại sức mạnh.
Ví dụ, trong một loại thép được vi mô 0.12 WT% C và 0.03 wt% n, Sức mạnh năng suất leo lên từ 650 MPA đến hơn 740 MPA-tăng hơn 14%, chỉ có một sự đánh đổi khiêm tốn về độ dẻo.
Tinh chỉnh hạt thông qua kết tủa nitride
Hơn thế nữa, Nitơ tạo thành nitrids siêu mịn (20Mạnh100nm) với các chất tạo nitride mạnh như Al và Ti.
Trong quá trình làm mát có kiểm soát, Những kết tủa này ghim ranh giới hạt austenite. Do đó, Kích thước hạt Austenite trung bình co lại từ khoảng 100 mm xuống 203030 μm.
Lần lượt, cấu trúc vi mô tinh chế làm tăng độ bền của Charpy-V ở mức 20 ° C 15 J, trong khi cũng cải thiện độ kéo dài thống nhất 10 trận12%.
Tăng cường khả năng chống ăn mòn
Ngoài ra, Nitơ bolsters rỗ và kháng crevice trong thép không gỉ và song công.
Ví dụ, Thêm 0.18 wt% n đến a 22 CR V (Gỗ) bằng khoảng 10 đơn vị.
Kết quả là, Tốc độ gây ra vật liệu của Vật liệu trong 3.5 WT% NaCl lao vào gần như 30%, trong đó kéo dài tuổi thọ dịch vụ trong môi trường xử lý hàng hải và hóa học.
Cải thiện hiệu suất mệt mỏi và leo
Cuối cùng, dưới tải theo chu kỳ, Các thép tăng cường nitơ cho thấy một 20–25% Tuổi thọ mệt mỏi lâu hơn ở biên độ căng thẳng ở trên 400 MPa.
Tương tự như vậy, Trong các bài kiểm tra leo tại 600 ° C và 150 MPa, Thép chứa 0.02Hàng0,03 wt% n Triển lãm a 10–15% Tỷ lệ creep tối thiểu thấp hơn so với các đối tác thấp N của họ.
Sự cải thiện này bắt nguồn từ các mạng nitride Khả năng chống lại sự trượt dốc và khởi đầu trống rỗng.
Bàn 1: Tác dụng có lợi của nitơ trong thép
| Tác dụng | Cơ chế | Phạm vi N điển hình | Tác động định lượng |
|---|---|---|---|
| Tăng cường giải pháp rắn | Mạng n méo méo kẽ, Trở ngại trật khớp | +0.01 WT% mỗi lần tăng | +≈ 30 Sức mạnh năng suất MPA mỗi 0.01 wt% n |
| Sàng lọc hạt | Nano-nitride (ALN/TIN) kết tủa pin austenite ranh giới | 0.02–0,03 wt% | Kích thước hạt ↓ từ ~ 100 μm đến 20 303030; Charpy Impact ↑ của lên đến 15 J ở mức 20 ° C |
| Chống ăn mòn | N ổn định phim thụ động, Take Take | 0.10–0,20 wt% | Gỗ +10 đơn vị; Tỷ lệ rỗ trong 3.5 Wt% naCl ↓ by ≈ 30 % |
| Mệt mỏi & Hiệu suất leo | Mạng nitride cản trở trượt ranh giới và tăng trưởng khoảng trống | 0.02–0,03 wt% | Cuộc sống mệt mỏi +20 trận25 % tại ≥ 400 MPa; Tỷ lệ leo ↓ 10 trận15 % Tại 600 °C, 150 MPa |
4. Tác dụng bất lợi của nitơ trong thép
Trong khi nitơ mang lại lợi ích rõ ràng, Sự dư thừa của nó dẫn đến các vấn đề về hiệu suất và xử lý nghiêm trọng.
Dưới, Chúng tôi chi tiết bốn nhược điểm chính của người được nhấn mạnh bởi dữ liệu định lượng và được liên kết với các chuyển đổi để làm nổi bật nguyên nhân và hiệu ứng.
Nhiệt độ phòng lão hóa ("Blue brittleness")
Tuy nhiên, Thép chứa nhiều hơn 0.02 wt% n thường phải chịu đựng sự ôm ấp khi được tổ chức tại 200400400 ° C..
Hơn sáu tháng, Mạng nitride thô (ví dụ., Fe₄n và mn₄n) hình thành dọc theo ranh giới hạt.
Kết quả là, Charpy-V Tác động đến độ bền có thể giảm mạnh 50% (ví dụ, từ 80 J xuống 35 J tại 25 °C), Làm suy yếu độ dẻo và rủi ro nứt tại chức trong các thép cấu trúc carbon thấp.
Tính nhiệt độ cao và mất độ bền nóng
Hơn thế nữa, Trong quá trình làm mát chậm 900Mạnh1000 ° C., Thép mang NB (0.03 NBTHER 0,02 CTHER 0,02 n) kết tủa tốt (NB, C)N hạt bên trong các hạt austenite cũ.
Do đó, kéo dài kéo dài rơi mạnh mẽ từ 40% để dưới 10%—Compromising định dạng trong quá trình rèn hoặc lăn.
Hơn nữa, dưới 900 °C, Các hình thức ALN tại ranh giới hạt, làm trầm trọng thêm vết nứt giữa các hạt và hạn chế khả năng làm việc nóng trong thép hợp kim cao hoặc vi mô.
Độ xốp gas và khuyết tật đúc
Ngoài ra, Thép nóng chảy với N tan ở trên 0.015 wt% outgas n₂ trong quá trình hóa rắn, tạo ra độ xốp chiếm đến 0.3% khối lượng thỏi.
Những cái máy bay vi mô này đóng vai trò là bộ tập trung căng thẳng: Các bài kiểm tra mệt mỏi cho thấy một 60% Giảm cuộc sống dưới sự uốn cong theo chu kỳ.
Tương tự như vậy, Độ bền kéo tĩnh có thể giảm xuống 5–10% trong các phần dày hơn 100 mm, nơi khí bị mắc kẹt tích lũy nhiều nhất.
Vấn đề hàn: Nóng nứt và vùi nitride
Cuối cùng, Trong quá trình hàn hồ quang, Các chu kỳ nhiệt nhanh giải phóng N hòa tan N dưới dạng bong bóng khí và tạo ra các vùi nitride tan chảy cao trong các vùng hợp nhất và bị ảnh hưởng bởi nhiệt.
Do đó, Độ nhạy nóng hổi tăng lên bởi 20–30%, trong khi độ bền tác động bằng kim loại hàn có thể suy giảm bằng cách 25% (ví dụ., từ 70 J to 52 J ở mức 20 ° C).
Những khiếm khuyết như vậy thường buộc các phương pháp điều trị nhiệt sau chiến binh hoặc vật tư tiêu dùng chuyên dụng, thêm chi phí và độ phức tạp để chế tạo.
Bàn 2: Tác dụng bất lợi của nitơ trong thép
| Tác dụng | Cơ chế | Cấp độ N | Tác động định lượng |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ phòng lão hóa ("Màu xanh da trời") | Hình thức Fe₄n/Mn₄n thô dọc theo ranh giới trong quá trình lão hóa 200 | > 0.02 wt% | Charpy Toughness ↓ > 50 % (ví dụ., từ 80 J to 35 J tại 25 °C) |
| Tính nhiệt độ cao & Mất độ dẻo nóng | (NB,C)N và ALN kết tủa trong 900 trận1 000 ° C làm mát chậm | ≥ 0.02 wt% | Độ giãn dài từ 40 % ĐẾN < 10 %; Mất khả năng định dạng nghiêm trọng |
| Độ xốp khí & khuyết tật đúc | Bong bóng dư thừa hình thành độ xốp trong quá trình hóa rắn | > 0.015 wt% | Độ xốp lên đến 0.3 % âm lượng; cuộc sống mệt mỏi ↓ ≈ 60 %; cường độ kéo ↓ 5 trận10 % |
| Vấn đề hàn | Các vùi tiến hóa và nitride trong các vùng hợp nhất/haz | ≥ 0.01 wt% | Độ nhạy nóng-crack +20 trận30 %; Độ dẻo dai bằng kim loại hàn 25 % (70 J → 52 J ở mức 20 ° C) |
5. Chiến lược kiểm soát nitơ chính xác
Sản xuất thép chính
Để bắt đầu với, EAF Và BOF sử dụng trơ - Gas khuấy động (Ar, Co₂) ở mức vượt quá 100 NM³/phút, đạt được lên đến 60% N loại bỏ mỗi chu kỳ.
Luyện kim thứ cấp
Sau đó, khử khí (VD/VOD) dưới < 50 Mbar áp lực loại bỏ lên đến 90% của phần dư n, trong khi argon thanh lọc một mình chỉ loại bỏ 40–50%.
Thực vật nhắm mục tiêu ≤ 0.008 wt% N thường lên lịch hai hoặc nhiều lần VD.
Kỹ thuật làm lại
Ngoài ra, ESR Và CỦA CHÚNG TÔI không chỉ tinh chỉnh độ sạch bao gồm mà còn làm giảm N bởi 0.005 wt% liên quan đến các thỏi thông thường do nhiệt độ cao và áp suất thấp.
Làm sạch - thực hành bước đi
Cuối cùng, Giảm thiểu tiếp xúc với khí quyển trong quá trình đổ qua các tấm kín và tấm vải liệm argon ngăn chặn sự hấp thụ lại, giúp duy trì n bên dưới 20 ppm trong các lớp siêu hạng.
6. Nghiên cứu trường hợp công nghiệp
| Ứng dụng | Chiến lược | N cấp độ | Lợi ích chính |
|---|---|---|---|
| 9CRTHER 3WTHER 3Co Ultra - Low không gỉ | EAF + VD nhiều giai đoạn + ESR | ≤ 0.010 wt% (100 ppm) | +12 J Charpy Toughlity ở mức 40 ° C |
| Hib Transformer Silicon Steel | Thời gian chặt chẽ & lấy mẫu (± 5 S) | 65Pp85 ppm | Mất 5% lõi; +8% tính thấm từ tính |
| 1 100 MPA Hàn thép dây thép | Hợp kim - Trở thành + Tối ưu hóa quá trình | 0.006–0,010 wt% | Kéo dài > 1 100 MPa; độ giãn dài 12% |
| 5 N oltrapure Iron | Điện phân → nóng chảy chân không → vzm | Tổng lượng khí ~ 4.5 ppm | Chất bán dẫn & Độ tinh khiết cấp từ |
7. thấm nitơ
Ngoài kiểm soát số lượng N, bề mặt nitriding Tạo ra cứng cục bộ.
Khí đốt, huyết tương, hoặc muối - Bath Nitriding giới thiệu lên 0.5 wt% N vào a 0.1Hàng0,3 mm lớp khuếch tán, tăng cường độ cứng bề mặt từ ~ 200 HV ĐẾN 800–1 000 HV.
Tuy nhiên, Nitriding quá mức hoặc không có thể tạo thành giòn ε-fe₂₋₃n màu trắng, Vì vậy, sau khi ủ ủ (≈ 500 ° C cho 2 h) Thường theo sau để tối ưu hóa độ dẻo dai.
8. Kết luận
Nitơ thực sự hoạt động như một bàn tay hai mặt của người Viking trong luyện kim thép.
Khi được điều khiển trong các cửa sổ chặt chẽ (Thông thường 0,005 trận0,03%), nó cung cấp sự tăng cường giải pháp rắn, sàng lọc hạt, và sự ăn mòn lãi cầu kháng.
Ngược lại, thừa kích hoạt N, độ xốp, và thách thức hàn.
Vì thế, Đống sản xuất thép đương đại, làm lại, và Clean - Sheel Tactics, Phân tích thời gian thực sự.
Khi thép tiến tới hiệu suất và tính bền vững cao hơn, Nắm vững bản chất kép nitơ nitơ vẫn là một năng lực quan trọng đối với các nhà luyện kim và kỹ sư sản xuất.
CÁI NÀY là lựa chọn hoàn hảo cho nhu cầu sản xuất của bạn nếu bạn cần Thép chất lượng cao.
Liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay!
Câu hỏi thường gặp
Nitơ có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn ở thép không gỉ?
Đúng. Ví dụ, Thêm 0.18 wt% n đến một lớp song công (22 Cr-5 in-3 i) tăng
pren của nó bằng ≈ 10 các đơn vị và giảm tỷ lệ rỗ trong 3.5 wt% naCl bằng khoảng 30%, kéo dài tuổi thọ dịch vụ trong môi trường hung hăng.
Kỹ thuật phân tích nào định lượng nitơ trong thép?
- Phản ứng tổng hợp khí trơ (Leco): ± 0.001 độ chính xác của wt% cho tổng n.
- Chiết xuất nóng-Gas: Tách biệt hòa tan, liên kết nitride, và khí n₂ cho sự đầu cơ chi tiết.
- Phản ứng tổng hợp chân không: Hoạt động dưới 1 trận10 mbar để phát hiện các thay đổi phụ PPM sau khi khử khí.
Làm thế nào để nitriding khác với kiểm soát nitơ khối lượng lớn?
Kiểm soát số lượng N mục tiêu tổng thể N ở mức 0,005 Hàng0,03% cho các thuộc tính bên trong.
Ngược lại, bề mặt nitriding (khí đốt, huyết tương, tắm muối) khuếch tán lên đến 0.5 wt% n vào lớp 0,1 Hàng0,3 mm,
Tăng cường độ cứng bề mặt (200 HV → 800 Từ1 000 HV) Nhưng yêu cầu ủ sau nitriding để tránh các lớp trắng giòn.
Các nhà sản xuất thép sử dụng làm lại vòng cung chân không (CỦA CHÚNG TÔI) hoặc electroslag làm lại (ESR) Outgas n dưới nhiệt độ cao và áp suất thấp.
Ngoài ra, Móc kín và tấm vải liệm argon hoặc nitơ bảo vệ, giảm độ xốp thành < 0.1%.
