Nitrogen dalam Baja

Nitrogen dalam Baja

Nitrogen ada dalam baja dalam dua bentuk yaitu (i) dalam bentuk atom sebagai nitrogen interstisial, atau sebagai nitrida yang tidak stabil dan mudah larut, mis. Fe4N dll, dan (ii) dalam bentuk nitrida stabil. Dalam bentuk atom, ia dikenal sebagai nitrogen aktif atau bebas dalam baja. Dalam baja paduan mikro, mis. baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA), beberapa atau semua nitrogen interstisial bergabung dengan elemen paduan (V, Ti atau AI) dan membentuk nitrida stabil dalam baja. Kedua bentuk nitrogen memiliki pengaruh kuat pada sifat baja.

Nitrogen sebagai unsur paduan dalam paduan berbasis besi dikenal sejak awal abad ini telah dipelajari secara mendalam selama beberapa dekade terakhir. Namun, baja nitrogen sejauh ini tidak banyak digunakan. Alasan untuk aplikasi industri yang relatif sempit terletak pada skeptisisme pelanggan lama dalam kaitannya dengan nitrogen sebagai elemen yang menyebabkan kerapuhan pada baja feritik, beberapa masalah teknis yang terkait dengan memasukkan nitrogen ke dalam baja dan, pengetahuan yang tidak memadai tentang sifat fisik efek nitrogen dalam besi. dan paduannya.

Peran nitrogen dalam baja hampir diabaikan selama bertahun-tahun. Baja yang diproduksi oleh konverter Bessemer, di mana udara dihembuskan melalui baja cair, baja memiliki kandungan nitrogen yang signifikan. Dengan diperkenalkannya pembuatan baja oksigen, efek nitrogen pada baja menjadi jelas dan ini menyebabkan berbagai penyelidikan besar tentang peran karbon dan nitrogen pada baja yang dilakukan pada 1950-an dan 60-an.

Nitrogen hadir di semua baja komersial. Karena kandungan nitrogen biasanya kecil dan analisisnya rumit serta mahal, keberadaannya umumnya diabaikan bahkan dalam spesifikasi baja yang diberikan dalam standar. Namun, apakah hadir sebagai elemen sisa atau ditambahkan dengan sengaja sebagai elemen paduan, efek nitrogen dalam baja adalah signifikan. Seiring dengan karbon, ia bertanggung jawab atas titik leleh diskontinu yang menjadi ciri kurva tegangan-regangan untuk baja karbon rendah. Penjepit dislokasi yang menyebabkan titik leleh ini juga berkontribusi pada batas kelelahan karakteristik baja ini.

Nitrogen biasanya dianggap sebagai pengotor yang tidak diinginkan yang menyebabkan penggetasan pada baja. Nitrogen dianggap untuk waktu yang lama berada dalam kategori yang sama dengan elemen residu tertentu yang tidak diinginkan dalam baja, yang biasanya berbahaya bagi sifat baja. Diyakini bahwa baja yang mengandung nitrogen tinggi dapat mengalami penuaan regangan dengan penurunan plastisitasnya seiring waktu. Baru-baru ini, diketahui bahwa nitrogen memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sifat mekanik, stabilitas fasa, perilaku korosi dan ketahanan oksidasi. Nitrogen juga dapat bereaksi dengan titanium dan aluminium dalam baja cair dan menghasilkan inklusi nitrida, yang dapat merusak permukaan baja dan menurunkan kualitas produk akhir. Nitrogen menghasilkan penguatan yang ditandai (larutan padat interstisial) ketika disebarkan ke permukaan baja, mirip dengan penguatan yang diamati selama pengerasan kasus (nitridasi). Dikombinasikan dengan aluminium, menghasilkan ukuran butiran yang halus.

Penyerapan nitrogen selama pembuatan baja

Kandungan nitrogen baja dapat diturunkan dari beberapa sumber. Sumber utama nitrogen tergantung pada proses pembuatan baja. Beberapa sumber nitrogen yang ada selama proses pembuatan baja antara lain logam panas, scrap, pig iron, DRI /HBI, kapur, coke/batubara, paduan ferro, nitrogen pengotor dalam oksigen, dan nitrogen yang digunakan sebagai gas pengaduk. Pengambilan nitrogen dari atmosfer dapat terjadi selama berbagai tahap pembuatan baja. Tingkat kandungan nitrogen tipikal di beberapa sumber nitrogen diberikan di Tab 1.

Tab 1 Tingkat kandungan nitrogen dari beberapa bahan masukan
Nomor Sl.	Sumber nitrogen	Satuan	Nilai
1	Logam panas	ppm	55-65
2	Memo	ppm	30-120
3	DRI / HBI	ppm	20-30
4	Babi besi	ppm	20-30
5	Coke / batu bara	ppm	5.000 -10.000
6	Oksigen	ppm	30-200
7	Udara	%	79
8	Gas pengaduk bawah
8a	Nitrogen	%	Lebih dari 99,9
8b	Argon	ppm	Kurang dari 30
9	Kapur	ppm	400

Faktor-faktor yang mempengaruhi kandungan nitrogen baja adalah (i) komposisi lelehan, (ii) tekanan parsial nitrogen dalam gas yang bersentuhan dengan lelehan, atau potensi nitrogen terak, (iii) durasi kontak antara atmosfer dan baja cair, (iv) suhu baja cair, dan (v) aditif nitrogen.

Semua baja mengandung beberapa nitrogen yang dapat masuk ke baja sebagai pengotor atau sebagai tambahan paduan yang disengaja. Jumlah nitrogen dalam baja biasanya tergantung pada tingkat residu yang timbul dari proses pembuatan baja atau jumlah yang ditujukan untuk penambahan yang disengaja. Ada perbedaan yang signifikan dalam tingkat residu nitrogen dalam baja yang dihasilkan dari dua proses pembuatan baja utama. Proses pembuatan baja oksigen dasar biasanya menghasilkan nitrogen sisa yang lebih rendah dalam baja, biasanya dalam kisaran 30 ppm hingga 70 ppm sedangkan proses pembuatan baja listrik menghasilkan nitrogen residu yang lebih tinggi, biasanya dalam kisaran 70 ppm hingga 110 ppm. Nitrogen ditambahkan ke beberapa baja (misalnya baja yang mengandung vanadium) untuk menyediakan nitrogen yang cukup untuk pembentukan nitrida untuk mencapai kekuatan yang lebih tinggi. Dalam baja seperti itu, kadar nitrogen dapat meningkat hingga 200 ppm atau lebih tinggi.

Nitrogen dapat ada dalam baja, baik sebagai nitrogen 'bebas' yang tidak digabungkan (kadang-kadang disebut nitrogen kisi), atau secara kimiawi dikombinasikan dengan elemen lain dalam bentuk nitrida atau karbo-nitrida. Efek penuaan regangan disebabkan oleh nitrogen bebas yang mengapa ini dapat dihilangkan dari baja nitrogen rendah dengan penambahan pembentuk nitrida kuat seperti titanium yang mengikat nitrogen bebas, mencegah migrasinya ke lokasi di sekitar dislokasi. Namun, ini bukan fenomena lurus ke depan. Pada baja ringan berbutir kasar bernitrogen rendah yang diregangkan pada kisaran suhu 200 derajat C sampai 300 derajat C, dislokasi baru terbentuk pada suatu laju yang menghasilkan, sebagai bukti dengan penurunan tegangan tanpa kenaikan sebelumnya, terjadi berulang kali tetapi fenomena ini tidak terjadi pada baja serupa dengan kandungan nitrogen bebas yang tinggi. Ini karena pada baja nitrogen rendah, nitrogen tidak cukup untuk mengunci dislokasi yang baru terbentuk dengan segera, sedangkan pada baja nitrogen tinggi, dislokasi terkunci saat terbentuk dan tetap terkunci. Hal ini tercermin dalam kapasitas yang lebih besar untuk pengerasan kerja pada baja bernitrogen tinggi.

Gbr 1 Kelarutan nitrogen dalam besi

Nitrogen adalah penstabil austenit yang kuat, dan hasil serta kekuatan tarik baja yang mengandung nitrogen meningkat dengan meningkatnya kandungan nitrogen tanpa efek merugikan pada keuletan. Laju pertumbuhan retak lelah menurun dengan meningkatnya kandungan nitrogen, sedangkan kekuatan mulur ditingkatkan dengan penambahan nitrogen.

Nitrogen dalam baja cair hadir dalam bentuk larutan. Selama pemadatan baja dalam pengecoran kontinu, tiga fenomena terkait nitrogen dapat terjadi. Ini adalah (i) pembentukan lubang tiup, (ii) pengendapan satu atau lebih senyawa nitrida, dan (iii) pemadatan nitrogen dalam larutan padat interstisial. Kelarutan maksimum nitrogen dalam besi cair adalah sekitar 450 ppm, dan kurang dari 10 ppm pada suhu kamar (Gambar 1). Kehadiran sejumlah besar elemen lain dalam besi cair mempengaruhi kelarutan nitrogen. Terutama keberadaan sulfur dan oksigen terlarut membatasi penyerapan nitrogen karena mereka adalah elemen aktif permukaan.

Sifat nitrogen dan baja

Nitrogen dapat mempengaruhi sifat baja baik dengan cara yang merugikan atau menguntungkan tergantung pada (i) keberadaan unsur-unsur lain dalam baja, (ii) bentuk dan jumlah nitrogen, dan (iii) perilaku baja yang diperlukan. Biasanya sebagian besar baja membutuhkan nitrogen pada tingkat minimum. Kandungan nitrogen yang tinggi dapat mengakibatkan (i) sifat mekanik yang tidak konsisten pada baja canai panas, (ii) penggetasan zona terpengaruh panas (HAZ) dari baja yang dilas, dan (iii) sifat mampu bentuk dingin yang buruk. Secara khusus, nitrogen dapat mengakibatkan penuaan regangan dan penurunan daktilitas baja canai dingin dan baja karbon rendah aluminium mati (LCAK) anil.

Efek pada kekerasan baja - Kekerasan adalah ketahanan suatu bahan terhadap lekukan permukaan. Kekerasan baja memiliki hubungan linier dengan kandungan nitrogen. Ini meningkat dengan meningkatnya kandungan nitrogen (Gambar 2). Nitrogen yang diambil selama pembuatan baja digunakan untuk memperkuat larutan padat interstisial dan penyempurnaan butir, yang keduanya meningkatkan kekerasan. Selanjutnya, gambar tersebut menunjukkan bahwa nitrogen yang diambil selama proses pembuatan baja memiliki dampak yang lebih signifikan daripada yang diambil selama anil di atmosfer yang kaya nitrogen. Nitrogen, seperti karbon, ketika dalam larutan sebagai interstisial dalam baja menghasilkan peningkatan kekerasan dan kekuatan luluh pada kisaran suhu 100 derajat C hingga 200 derajat C dan penurunan ketangguhan yang sesuai.

Gbr 2 Pengaruh nitrogen pada sifat baja

Efek pada kekuatan benturan – Kemampuan baja untuk menahan beban impak dikenal sebagai ketangguhannya. Ini diukur dengan mengukur jumlah energi yang diserap oleh benda uji dari dimensi yang diketahui sebelum patah. Hal ini juga dianalisis dengan menentukan mekanisme fraktur pada dampak pada berbagai suhu. Dengan penurunan suhu, jenis patahan berubah dari berserat / ulet menjadi kristal / getas. Suhu yang berubah-ubah ini disebut suhu transisi 'ulet ke getas' (DBTT). Semakin rendah suhu transisi, semakin baik sifat impak karena keruntuhan akibat patah ulet lebih kecil daripada keruntuhan getas. Gambar 2 menunjukkan bahwa sebagai nitrogen bebas meningkatkan suhu transisi juga meningkat yang berarti bahwa ketangguhan menurun. Ini karena penguatan larutan padat. Sejumlah kecil nitrogen hadir sebagai presipitat memiliki efek menguntungkan pada sifat dampak. Nitrida aluminium, vanadium, niobium dan titanium menghasilkan pembentukan ferit berbutir halus. Ukuran butir yang lebih halus menurunkan suhu transisi dan meningkatkan ketangguhan. Oleh karena itu diperlukan tidak hanya untuk mengontrol kandungan nitrogen tetapi juga mengontrol bentuknya untuk mengoptimalkan sifat dampak.

Nitrogen meningkatkan 'suhu transisi dampak; (ITT) dalam uji Charpy dan kadar nitrogen tak-terkombinasi yang tinggi dapat mengakibatkan perubahan energi rekahan yang terjadi di atas suhu kamar dengan perubahan resultan dari sifat ulet menjadi getas. Dalam besi yang berpusat pada tubuh murni telah ditunjukkan bahwa nitrogen memisahkan ke batas butir dan bahwa pemisahan ini dapat mengakibatkan penggetasan antar butiran. Mekanisme ini mungkin terjadi pada baja, karena baja mati di mana nitrogen diikat oleh silikon atau aluminium menunjukkan sifat benturan yang lebih baik dibandingkan dengan baja rimming atau baja setengah mati. Telah ditunjukkan bahwa penambahan titanium dan aluminium, dalam baja mangan 8%, mengurangi DBTT mungkin dengan mengikat nitrogen bebas tetapi juga mengurangi kekerasan baik dalam kondisi pendinginan udara dan pendinginan air.

Efek pada sifat mekanik – Pengaruh nitrogen pada sifat mekanik adalah hasil dari (i) penguatan larutan padat interstisial oleh nitrogen bebas (ii) penguatan pengendapan oleh aluminium dan nitrida lainnya, dan (iii) pemurnian butir karena adanya endapan nitrida. Gambar 3 menunjukkan bahwa kekuatan baja LCAK sedikit berkurang dan kemudian meningkat dengan meningkatnya kandungan nitrogen. Sebaliknya, perpanjangan menurun dan nilai r meningkat dengan meningkatnya nitrogen. Nilai-r adalah rasio rata-rata regangan lebar terhadap ketebalan sampel tarik strip yang diuji dalam berbagai orientasi. Ini adalah ukuran kebalikan dari sifat mampu bentuk. Oleh karena itu, kandungan nitrogen yang tinggi menyebabkan baja LCAK memiliki kemampuan bentuk yang buruk.

Gbr 3 Pengaruh nitrogen pada sifat mekanik

Efek pada ketangguhan retak – Nitrogen dapat memainkan peran destruktif yang khas dalam ketangguhan patah baja struktural. Perubahan kecil dalam kandungan nitrogen menghasilkan variasi yang signifikan dalam suhu transisi mode fraktur baja ini. Variasi ini diperumit oleh perubahan konsekuensial pada nitrida yang diendapkan, perubahan terkait dalam ukuran butir, dan interaksi antara nitrogen dan mangan.

Efek pada penuaan regangan – Penuaan regangan adalah fenomena terkait hasil dan disebabkan oleh nitrogen pada suhu di bawah 150 derajat C dan oleh karbon di atas suhu ini. Efektivitas karbon dan nitrogen dalam menghasilkan penuaan regangan adalah fungsi dari (i) kelarutannya dalam ferit, (ii) koefisien difusi mereka, dan (iii) tingkat keparahan yang masing-masing mengunci dislokasi. Perbedaan utama antara karbon dan nitrogen muncul dari kelarutannya yang sangat berbeda dalam ferit.

Penuaan regangan terjadi pada baja karena atom interstisial (terutama nitrogen) setelah mengalami deformasi plastis. Setelah deformasi, nitrogen terpisah menjadi dislokasi yang menyebabkan hasil terputus-putus ketika dideformasi lebih lanjut. Penuaan regangan tidak hanya menghasilkan peningkatan kekerasan dan kekuatan dengan pengurangan keuletan dan ketangguhan, tetapi juga menghasilkan munculnya 'regangan peregangan' pada permukaan material yang berubah bentuk. Duckworth dan Baird telah mengembangkan ukuran penuaan regangan yang disebut 'indeks penuaan regangan'. Hal ini didasarkan pada persamaan empiris untuk menghitung peningkatan tegangan luluh ketika material terdeformasi ditahan selama 10 hari pada suhu kamar. Gambar 4 menunjukkan bahwa peningkatan nitrogen menghasilkan indeks penuaan noda yang lebih tinggi, dan oleh karena itu kecenderungan yang lebih besar untuk cacat permukaan.

Gbr 4 Pengaruh nitrogen pada indeks penuaan regangan baja ringan

Ini adalah efek pada hasil yang untuk banyak aplikasi baja komersial telah mengakibatkan nitrogen hanya dianggap sebagai 'sisa yang tidak diinginkan' karena fenomena penuaan regangan. Penuaan regangan adalah munculnya kembali titik leleh pada baja yang sebelumnya telah mengalami deformasi melampaui titik leleh ke dalam daerah plastis. Interpretasi saat ini untuk fenomena ini pertama kali dikemukakan Cottrell dan Bilby pada tahun 1948. Mereka secara khusus membahas karbon tetapi menunjukkan bahwa argumen tersebut dapat 'dengan sedikit modifikasi' diterapkan pada nitrogen. Nitrogen, dan pada tingkat yang lebih rendah karbon, secara bertahap berdifusi ke situs preferensial di sekitar dislokasi baru yang telah terbentuk ketika baja awalnya luluh. Hal ini menyebabkan munculnya kembali fenomena luluh dan masalah terkait yang ditimbulkannya ketika mencoba menghasilkan bentuk bentukan dingin yang halus. . Biasanya, itu hanya terjadi setelah baja dibiarkan berdiri pada suhu kamar selama beberapa minggu atau bulan tetapi bahkan kenaikan suhu yang kecil dapat sangat mempercepat difusi dan dengan demikian mempersingkat waktu ini. Akibatnya, banyak pekerjaan telah dilakukan untuk memproduksi baja 'bebas interstisial', sehingga baja curah dengan nitrogen kurang dari 20 ppm sekarang secara rutin diproduksi untuk digunakan di sektor otomotif, untuk komponen bodi tekan dan sasis.

Nitrogen umumnya menyebabkan lebih banyak masalah dengan penuaan regangan daripada karbon sebagai akibat dari kelarutannya yang lebih tinggi dalam ferit, karbon diendapkan pada karbida yang ada sementara nitrogen masih bebas untuk bermigrasi ke dislokasi baru. Pada suhu di atas suhu sekitar tetapi di bawah sekitar 400 derajat C, kembalinya titik luluh terjadi jauh lebih cepat dan luluh menjadi peristiwa berkelanjutan yang dikenal sebagai penuaan regangan dinamis karena nitrogen (dan beberapa karbon) dengan cepat bermigrasi ke lokasi preferensial di sekitar dislokasi baru. seperti yang mereka bentuk. Hal ini menyebabkan peningkatan kekuatan tarik baja, dan penurunan daktilitas dan ketangguhan patah. Efek ini cenderung memuncak pada suhu sekitar 250 derajat C. Hal ini dijelaskan (untuk karbon) oleh Cottrell dan Bilby sebagai pembentukan atmosfer jenuh di sekitar dislokasi baru yang hanya membutuhkan tingkat karbon 0,003 % (atau tingkat nitrogen yang serupa).

Namun, Gladman telah menunjukkan bahwa tingkat interstisial yang terkait dengan pengerasan usia regangan dan penggetasan usia regangan jauh melebihi tingkat ini. Penjelasan yang disarankan adalah bahwa presipitasi karbida (dan nitrida) terjadi pada dislokasi yang memberikan efek penguatan presipitasi tambahan. Pekerjaan awalnya oleh Baird dan MacKenzie dan kemudian oleh Baird dan Jamieson menunjukkan bahwa sementara nitrogen saja dalam besi murni memberikan tingkat pengerasan regangan yang tinggi (gejala penuaan regangan dinamis) hingga 225 derajat C, penambahan mangan dan nitrogen pada besi melanjutkan efek ini hingga 450 derajat C. Diduga bahwa efek ini disebabkan oleh pasangan atau kelompok kecil atom mangan dan nitrogen di mana keberadaan mangan membatasi mobilitas atom nitrogen di sekitar dislokasi yang bergerak.

Efek selama pengelasan – Nitrogen umumnya mempengaruhi ketangguhan zona terpengaruh panas (HAZ) dari baja yang dilas. Karena logam las tidak boleh lebih lemah dalam struktur yang dilas, peran nitrogen penting. Hilangnya ketangguhan biasanya dikenal sebagai HAZ embrittlement. Diperkirakan ini terjadi ketika nitrida yang ada di HAZ dipisahkan sebagai akibat dari suhu tinggi yang ada selama pengelasan. Tidak adanya presipitat menghasilkan butiran berdiameter lebih besar. Selain itu, baja mendingin dengan cepat menghasilkan martensit atau bainit ketangguhan rendah, yang mengandung nitrogen bebas tingkat tinggi yang semakin memperburuk hilangnya ketangguhan. Menggunakan masukan panas yang lebih rendah dan beberapa lintasan untuk mencegah disosiasi nitrida dapat mencegah hal ini.

Nitrogen sebagai elemen paduan dalam baja

Nitrogen sebagai elemen paduan dalam baja digunakan sejak tahun 1940-an pada awalnya untuk memproduksi baja tahan karat sebagai pengganti nikel. Penggunaan nitrogen pada baja paduan tinggi memiliki sejumlah keuntungan. Keunggulan ini menjadikan nitrogen sebagai elemen paduan yang menarik.

Nitrogen sebagai elemen paduan telah dikenal dan digunakan dalam aplikasi teknis sejak tahun 1940-an, awalnya di bawah premis untuk substitusi nikel di kelas tahan karat. Nitrogen dalam baja paduan rendah tidak diinginkan karena pembentukan nitrida getas. Namun, penggunaan nitrogen pada baja paduan tinggi memiliki serangkaian keunggulan yang membuatnya tampak menarik sebagai elemen paduan. Poin terpenting dalam hal ini adalah (i) peningkatan kekuatan yang signifikan tanpa membatasi keuletan, (ii) peningkatan ketahanan korosi, (iii) peningkatan kekuatan tarik suhu tinggi, (iv) bentuk austenit yang diperpanjang / distabilkan, (v) tidak ada pembentukan martensit yang diinduksi tegangan dengan laju kerja dingin yang tinggi, dan (vi) Menghambat pelepasan fase antar-logam. Baja bernitrogen tinggi ini sebagai kelompok material tertentu dicirikan melalui profil material yang menarik, yaitu kombinasi kekuatan dan ketahanan korosi.