1. 介绍
在现代钢制冶金, 合金元素决定了材料的机械, 化学, 和热性能.
其中, 氮 (n) 脱颖而出 双刃剑.
一方面, 它提供出色的加强, 细化谷物, 和耐腐蚀的好处; 另一方面, 它可以沉淀互惠, 孔隙率, 和焊接缺陷.
最后, 掌握氮的行为，并以精度控制其内容 - 对全球钢铁制造商至关重要.
本文研究了氮在钢中的多方面作用, 混合基本科学, 真实世界数据, 和工业最佳实践来提出 专业的, 权威性, 和 可信 看法.
2. 铁和钢中氮的基本面
了解氮在钢中的行为需要检查其形式, 溶解度极限, 与其他元素的互动, 和分析方法.
在以下小节中, 我们深入研究各个方面，为实践控制和冶金设计奠定了坚实的基础.
氮的形式和分布
第一的, 氮出现在熔融和固体钢内的三个主要状态中:
- 室间溶解的氮
氮原子在铁晶格中占据八面体位点 - 以面为中心的立方体 (奥氏体) 和以身体为中心的立方体 (铁矿).
实际上, 在 1200 °C和 1 ATM, 奥氏体溶解至 0.11 wt％n, 而铁矿可容纳少于 0.01 wt％ 在相同的条件下. - 氮化物沉淀
当钢冷却时, 强氮形成元素，例如钛和铝捕获溶解的N形成细颗粒 (20–100 nm).
例如, Aln和Tin表现出–160 kJ/mol和–184 kJ/mol的形成自由能 1000 °C, 分别, 这使它们高度稳定且有效的谷物结合固定地点. - 气态氮 (n₂) 口袋
如果溶解的n超过凝固期间的溶解度, 它可以成核作为n₂气泡.
甚至谦虚 0.015 wt％ 溶解的n可能产生等于 0.1–0.3％ 铸锭的卷, 损害机械完整性.
溶解度和相位平衡
下一个, Fe – N二元相图揭示了临界温度依赖性过渡:
- 高温γ-奥斯特式场
大约以上 700 °C, 只有单个γ-厄斯特阶段可以保持间隙n. 溶解度峰值附近 0.11 wt％ 在 1 200 °C和大气压. - 低于700°C的硝酸盐和气体进化
随着温度下降, 晶格拒绝多余的n. 以下 700 °C, 氮要么以稳定的氮气沉淀 (例如。, Aln, 锡) 或形成n₂气.
在室温下, 溶解度下降 < 0.005 wt％, 因此，仔细的冷却速率和合金设计对于善良的n分发至关重要. - 压力效应
增加氩气或氮的局部压可以转移溶解度: 一个 5 ATMN₂大气提高了高温溶解度 15%,
但是大多数钢制造发生在附近 1 ATM, 强调真空处理以驱逐溶解的n的重要性.
与合金元素的相互作用
而且, 氮不单独起作用. 它形成了影响微观结构和特性的复杂互动:
- 强氮气形成剂
钛, 铝, niobium将氮锁定为锡, Aln, 或NBN.
这些沉淀物销钉晶界和精炼奥氏体, 转化后直接转化为更精细的铁氧体或马氏体. - 与碳和锰的中等亲和力
氮还可以与碳相结合以产生Fe₄n或与锰形成Mn₄n.
在低合金钢中, 这些硝酸盐倾向于沿晶界变形, 如果没有选中，请降低韧性. - 与铬协同作用 不锈钢
在奥氏体等级中 (例如。, 316, 2205 双工), 氮增强了被动膜的稳定性.
每个 0.1 wt％n的添加可以提高点抗性等效数 (木头) 大约 3 单位, 提高对氯化物诱导的腐蚀的抗性.
测量和分析方法
最后, 准确的氮定量基于任何控制策略的基础. 主要技术包括:
- 惰性气体融合 (LECO分析仪)
操作员在氦气下的石墨坩埚中融化钢样品; 解放的N₂通过红外探测器.
此方法提供 ± 0.001 wt％ 精确到 0.003 wt％n. - 载气热提取
这里, 真空炉中的熔融样品分别溶解和混合氮.
通过监视N₂进化与时间, 实验室区分间隙n, 硝酸盐, 和气态口袋. - 真空惰性气体融合
验证脱气步骤的有效性, 许多工厂使用在下面运行的真空融合分析仪 1–10 mbar.
这些仪器检测到溶解的N的子PPM变化, 指导过程调整以保持低于目标阈值的水平 (例如。, ≤ 20 ppm 在超干净的钢中).
3. 氮对钢的有益作用
当工程师精确控制其浓度时，氮可以带来多个优势.
以下, 我们检查了四个关键的好处 - 每个由定量数据支持，并与明确的过渡捆绑在一起，以表明N如何提高钢性能.
固定溶液加强
首先, 溶解的氮原子会扭曲铁晶格并阻碍脱位运动.
每一个 0.01 wt％ 间隙n通常添加 ≈ 30 MPA 产生力量.
例如, 在包含微合同的钢中 0.12 wt％c和 0.03 wt％n, 屈服强度从 650 MPA结束 740 MPA（增加了14％以上），仅在延展性方面做出了适度的权衡.
通过硝酸盐沉淀的谷物细化
而且, 氮形成超细氮化物 (20–100 nm) 具有强氮气形成剂，例如Al和Ti.
在控制冷却过程中, 这些沉淀物销钉奥斯丁晶晶界. 最后, 大约从 100 μm 下去 20–30μm.
反过来, 精制的微观结构在–20°C时提高了Charpy-V的影响韧性 15 j, 同时也将均匀伸长率提高了10-12％.
耐腐蚀性的增强
此外, 不锈钢和双工钢中的氮气螺栓钉凹坑和缝隙 - 腐蚀性.
例如, 添加 0.18 wt％n 到 22 CR – 5 Ni – 3 mo双链级增加了其位点电阻当量的数字 (木头) 大约 10 单位.
因此, 材料的点腐蚀率 3.5 wt％NaCl暴跌几乎 30%, 延长海洋和化学处理环境中的使用寿命.
改善疲劳和蠕变性能
最后, 在循环加载下, 氮气加长的钢显示 20–25％ 在上面的应力振幅下更长的疲劳寿命 400 MPA.
同样地, 在蠕变测试中 600 °C和 150 MPA, 含有钢 0.02–0.03 wt％n 展览 10–15％ 与低N同行相比，最低蠕变率较低.
这种改进源于氮化物网络抵抗晶粒边界滑动和空隙启动的能力.
桌子 1: 氮对钢的有益作用
| 影响 | 机制 | 典型的n范围 | 定量影响 |
|---|---|---|---|
| 固定溶液加强 | 间质n扭曲晶格, 阻碍错位 | +0.01 wt％每增加 | +≈ 30 MPA屈服强度 0.01 wt％n |
| 细化谷物 | 纳米氮化物 (Aln/tin) 沉淀钉奥斯丁岩边界 | 0.02–0.03 wt％ | 晶粒尺寸从〜100μm到20–30μm; 夏比撞击↑ 15 J时–20°C |
| 耐腐蚀性 | n稳定被动膜, 加薪 | 0.10–0.20 wt％ | 木头 +10 单位; 点上的率 3.5 wt％naCl↓≈ 30 % |
| 疲劳 & 蠕变性能 | 氮化物网络阻碍边界滑动和空隙增长 | 0.02–0.03 wt％ | 疲劳生活 +20–25 % 在≥ 400 MPA; 蠕变率↓10–15 % 在 600 °C, 150 MPA |
4. 氮在钢中的有害影响
氮带来明显的好处, 它的过剩导致严重的性能和处理问题.
以下, 我们详细介绍了四个主要缺点 - 每个由定量数据强调，并与过渡有关，以突出原因和效果.
室温衰老的植物 (“蓝色脆性”)
然而, 钢铁包含超过 0.02 wt％n 在举行时经常会遭受拥护 200–400°C.
超过六个月, 粗氮化物网络 (例如。, fe₄n和mn₄n) 沿晶界.
因此, Charpy-V撞击韧性可以通过 50% (例如, 从 80 j down 35 J at 25 °C), 在低碳结构钢中破坏延展性并冒着服务裂纹的危险.
高温封闭和热易脱糖性损失
而且, 在缓慢冷却过程中 900–1000°C, 含NB的钢 (0.03 NB – 0.02 C – 0.02 n) 沉淀细 (NB, c)n颗粒以前的奥氏体晶粒内部.
最后, 拉伸伸长率急剧下降 - 从 40% 以下 10% - 在锻造或滚动过程中提出可提高性.
此外, 以下 900 °C, Aln形式在晶界, 加剧高合金或微合同钢的晶间破裂和限制热可加工性.
气孔隙和铸造缺陷
此外, 上面溶解n的熔融钢 0.015 wt％ 在凝固过程中可以击败n₂, 产生占用的孔隙率 0.3% 铸锭体积.
这些微孔充当应力集中器: 疲劳测试显示 60% 循环弯曲下的生活减少.
同样地, 静态拉伸强度可能会下降 5–10％ 在厚的部分中 100 毫米, 被困的气体累积的地方.
可焊性问题: 热破裂和氮化物夹杂物
最后, 在电弧焊接过程中, 快速热周期将n溶解为气泡，并在融合和热影响区域中产生高融化的氮化物夹杂物.
最后, 热裂缝灵敏度提高 20–30％, 而焊接金属影响韧性可以下降 25% (例如。, 从 70 J到 52 J时–20°C).
这些缺陷通常会迫使焊接后热处理或专业消耗品, 为制造增加成本和复杂性.
桌子 2: 氮在钢中的有害影响
| 影响 | 机制 | 阈值n级 | 定量影响 |
|---|---|---|---|
| 室温衰老的植物 (“蓝色的”) | 在200–400°C老化的边界沿边界形成粗fe₄n/mn₄n | > 0.02 wt％ | 夏比韧性↓ > 50 % (例如。, 从 80 J到 35 J at 25 °C) |
| 高温封闭 & 热倾斜度损失 | (NB,c)N和Aln在900–1期间沉淀 000 °C缓慢冷却 | ≥ 0.02 wt％ | 伸长证来 40 % 到 < 10 %; 严重的表现性损失 |
| 气孔隙度 & 铸造缺陷 | 凝固过程中过量的n₂气泡形成孔隙度 | > 0.015 wt％ | 孔隙率达到 0.3 % 体积; 疲劳生活↓≈ 60 %; 拉伸强度↓5-10 % |
| 可焊性问题 | 融合/HAZ区域的N₂进化和氮化物夹杂物 | ≥ 0.01 wt％ | 热裂敏感性 +20–30 %; 焊接金属韧性↓ 25 % (70 J→ 52 J时–20°C) |
5. 精确氮控制策略
主要的钢材制造
首先, EAF 和 bof 采用惰性 - gas搅拌 (ar, Co₂) 以超过费率 100 NM³/min, 实现 60% 每个周期的n去除.
辅助冶金
随后, 真空脱气 (VD/VOD) 在下面 < 50 MBAR 压力消除到 90% 残留n, 而氩单独清除只会去除 40–50％.
植物靶向 ≤ 0.008 wt％ n通常安排两个或多个VD通行证.
重新推动技术
此外, ESR 和 我们的 不仅完善包容性清洁度，而且还会减少n 0.005 wt％ 相对于由于热量和低压而引起的传统苔藓.
干净的练习
最后, 通过密封的圆柱和氩罩倒入期间的大气暴露最小化可防止N, 帮助维持下面的n 20 ppm 在超清晰的成绩中.
6. 工业案例研究
| 应用 | 战略 | n级 | 关键好处 |
|---|---|---|---|
| 9CR – 3W – 3CO Ultra -LOW -N不锈钢 | EAF + 多阶段VD + ESR | ≤ 0.010 wt％ (100 ppm) | +12 J Charpy韧性在–40°C |
| HIB变压器硅钢 | 紧迫的时机 & 采样 (± 5 s) | 65–85 ppm | –5％的核心损失; +8% 磁渗透性 |
| 1 100 MPA焊接钢 | 合金调整 + 过程优化 | 0.006–0.010 wt％ | 拉伸 > 1 100 MPA; 伸长≥ 12% |
| 5 N级超纯铁 | 电解→真空熔化→VZM | 总气〜 4.5 ppm | 半导体 & 磁级纯度 |
7. 硝化
超越大量n控制, 表面硝化 创建局部硬化.
气体, 等离子体, 或盐水硝化物介绍 0.5 wt％ n进入 0.1–0.3毫米 扩散层, 提高表面硬度 〜200 HV 到 800–1 000 HV.
尽管如此, 过度或无渗透的硝化物可以形成脆弱的“白色层”，在疲劳下破裂, 因此，一in的回火 (≈ 500 °C 2 h) 通常以优化韧性.
8. 结论
氮真正充当钢制冶金的“双面手”.
当在紧密的窗户中控制时 (通常为0.005–0.03 wt％), 它可以加强固定解决, 细化谷物, 和耐腐蚀的增长.
反过来, 多余的n触发者的封闭, 孔隙率, 和焊接挑战.
所以, 当代钢铁制造利用高级脱气, 重复, 和清洁的策略 - 同时实时分析 - 将氮固定在其最有益的水平上.
随着钢的发展发展, 掌握氮的双重性质仍然是冶金学家和生产工程师的重要能力.
这 如果您需要的话，是制造需求的理想选择 高质量钢.
常见问题解答
氮可以改善不锈钢的耐腐蚀性?
是的. 例如, 添加 0.18 wt％n 到双工级 (22 Cr-5 in-3 i) 加薪
它的pren≈ 10 单位和降低的位置 3.5 wt％nacl大约 30%, 在积极的环境中延长服务寿命.
哪种分析技术可以量化钢的氮?
- 惰性气体融合 (莱科): ± 0.001 总n的wt％精度.
- 载气热提取: 分离溶解, 氮化物结合, 和气态N₂用于详细的物种.
- 真空融合: 在1-10 mbar以下操作以检测脱气后的子PPM变化.
硝酸盐与大量氮的控制有何不同?
内部特性的散装n控制目标n为0.005–0.03 wt％.
相比之下, 表面硝化 (气体, 等离子体, 盐浴) 扩散 0.5 wt％n 进入0.1-0.3毫米层,
增强表面硬度 (200 HV→800–1 000 HV) 但是需要硝化后的回火以避免易碎的白色层.
钢铁制造商使用真空弧删除 (我们的) 或重新删除电击 (ESR) 在高温和低压下击败N.
此外, 在攻击期间，密封的载糖和保护性氩气或氮裹身防止n重吸收, 将孔隙率降低 < 0.1%.
