تاثیر نیتروژن در فولادها

نیتروژن عنصر شیمیایی بی بو،بی رنگ و بی مزه است که بیشتر در شرایط استاندارد بکار می رود و 78 درصد از اتمسفر زمین را به خود اختصاص داده است.نیتروژن در لاتین از ترکیب دو کلمه nitrum به معنای قلیای خنثی و genes به معنای سازنده بدست آمده است.

نیتروژن در سال 1772 توسط دانیل رادرفورد (Daniel Ratherford) کشف شد که وی آن را به نام هوای تثبیت شده ویا مضر نامید.همزمان با آن نیز توسط دانشمندانی چون کارل ویلهلم شیل ،هنری کاوندیش و جوزف پیرستلی مورد بررسی قرار گرفت که این آخری آن را بنام ازت (azote) از واژه یونانی به معنای مرده نام گذاری کرد.حیوانات در آن می میرند و جز اصلی هواست که حیوانات در آن خفه می شوند و شعله در آن خاموش می شود.

ترکیبات نیتروژن از دوران میانی شناخته شده بودند.کیمیاگران اسید نیتریک را به نام aqua fortis(آب قوی) می شناختند.مخلوط اسیدهای نیتریک و اسید هیدروکلریک در آن زمان aqua regia (آب سلطنتی) نامیده می شد چرا که می توانست طلا(سلطان فلزات) را در خودش حل نماید.

نیتروژن قسمت اصلی آمینواسیدها و اسیدهای نوکلئیک می باشد که اینها نیز به نوبه خود پایه و اساس حیات هستند.نیتروژن ملکولی را نمی توان در گیاهان و حیوانات یافت و برای اینکه نیتروژن بتواند وارد ساختمان این جانداران شود،لازم است که به ترکیبات دیگر تبدیل شود و فرآیند تثبیت (Fixation) بر روی آن صورت گیرد.رسوبات معمولا دارای مقادیر قابل توجهی از نیترات و آمونیوم هستند که هر دو از تثبیت نیتروژن توسط برخورد نور و یا سایر پدیده های الکتریکی اتمسفری با آن تشکیل شده اند.

باکتری خاصی (به عنوان مثال تریفولیوم ریوزوبیوم) آنزیم های نیتروژنازی دارند که می توانند نیتروژن اتمسفری را به صورتی (یون آمونیوم) تثبیت کند که برای اندام های بالایی مفید باشد.لازمه این فرآیند این است که انرژی زیاد وبی اکسیژنی فراهم شود.این چنین باکتریهایی ممکن است که در خاک به شکل آزاد باشند(مثل آزوباکتر)ولی یک رابطه همزیستی با برآمدگی های ریشه گیاهان داشته باشند.

بخشی از رابطه همزیستی که در بالا بدان اشاره شد،این است که گیاه یون آمونیوم را به اکسیدهای نیتروژن و اسیدهای آمونیم تبدیل می کند تا پروتئین ها و سایر ملکول های مفید بیولوژیکی مثل آلکالوئید تشکیل شوند.در عوض این فرآیند که باکتریها در اختیار گیاه قرار می دهند،گیاه نیز به این باکتریها شکر می دهد.

برخی از گیاهان می توانند که نیتروژن را مستقیم به حالت نیترید از خاک یا رسوبات طبیعی اطراف ریشه جذب نماید.این نوع نیترات ها که جذب گیاه می شوند،با کمک آنزیم ردوکتاز نیترات به نیتریت تبدیل شده و سپس بوسیله آنزیم دیگری به نام ردوکتاز نیتریت به آمونیاک تبدیل می شود.

در حیوانات نیز نیتروژن را می توان جز اصلی حیات آنها به شمار آورد.حیوانات از آمینواسیدهای حاوی نیتروژن حاصل از منابع گیاهی برای تولید پروتئین ها و اسیدهای نوکلئویک استفاده می کنند.حشراتی که از گیاهان تغذیه می کنند،نیز در جیره غذای شان به نیتروژن وابسته هستند،که مقدار نیتروژن موجود در کودهای بکار رفته برای گیاهان بر نرخ زاد و میر حشرات بسیار موثر است.

نیتراتهای محلول عامل محدود کننده رشد برخی از باکتری ها در آبهای اقیانوس هستند.در نقاط مختلف دنیا برای افزایش بازده و بهره زمینهای کشاورزی از کودهای نیتروژن دار مصنوعی استفاده می کنند که در نتیجه این کودها از طریق رودخانه ها وارد سیستم اقیانوس می شوند.این فرآیند سب انباشتگی خوراک آب شده و در نتیجه تعداد باکتریهای بر پایه نیتروژن افزایش یافته و در نتیجه سبب کاهش اکسیژن آب خواهد شد که این امر به منزله مرگ جانداران دیگر آبی است.

بسیاری از ماهی های آب های شور مقادیر زیادی اکسید تری متیل آمین  تولید می کنند تا بتوانند در مقابل اثرات بالای اسمزی که از محیط بر آنها وارد می شود،مقاومت نمایند.در واقع تبدیل این ترکیب به دی متیل آمین است که باعث می شود که بوی ماهی کهنه با ماهی تازه متفاوت باشد.

در کوره های بسمر ،  نیتروژن  بهمراه هوای  فشرده از زیر به مذاب دمیده می شود.و یا در کوره های الکتریکی با قوس پلاسما به نیتروژن اتمی تبدیل می شود.محققان هنوز بر سر میزان انحلال نیتروژن در ذوب به توافق نرسیدند.ولی آنچه که مشخص است در هنگام انجماد ، قابلیت انحلال نیتروژن کاسته می شود.نیتروژن در دمای 727 C بصورت بین نشین در فریت حل می شود.مقادیر اضافی تشکیل نیترید آهن و سایر ذرات نیتریدی کمپلکس را می دهد.بعد از استحاله آستنیت به فریت،ذرات نیترید آهن بصورت Fe₄N رسوب می کند وچون در دمای بالا رسوب می کنند، امکان آگلومراسیون و درشت شدن رسوبات وجود دارد. این ذرات تاثیر خاصی در افزایش استحکام ندارند.میزان انحلال نیتروژن بستگی به درصد عناصر آلیاژی دیگر دارد.عناصری چون کربن،سیلیس و اکسیژن انحلال نیتروژن را کاسته در صورتیکه کروم ،منگنز ،وانادیم،زیرکن و تیتانیوم این مقدار را افزایش می دهند.

نیتروژن آستنیت زای بسیار قوی است و خواص مکانیکی را افزایش می دهد. نیتروژن بالاخص همراه مولیبدن مقاومت به خوردگی موضعی را افزایش می دهد. در فولادهای زنگ نزن فریتی شدیدا چقرمگی و مقاومت خوردگی را می کاهد و در فولادهای مارتنزیتی –آستنیتی ، نیتروژن هر دوی سختی و استحکام را زیاد کرده و متعاقب آن انرژی ضربه را می کاهد.

نیتروژن به علت کاهش چقرمگی ، هنگام رسوب رسوبات نیتریدی مضر بوده و عامل پیرتردی و تردی آبی است. هم چنین احتمال خوردگی توام با تنش بین دانه ای در فولادهای ساده و کم آلیاژی را تقویت می کند.

نیتروژن در آهن قابلیت نفوذ داشته و نرخ دیفوزیون آن در آهن از کربن بیشتر ولی از هیدروژن کمتراست.در درصد 0.01  نیتروژن درآهن ، در دمای بالاتر از 300 C فاز ثانویه ای تشکیل نمی شود ولی در دمای کمتر از آن ، نیترید آهن تشکیل خواهد شد و چون در دمای کم تشکیل شده است ، رسوبات ریز کوهئرنت تشکیل می شود که علت اصلی پیری و تردی است.

فولادهایی که در قطعات نیتریدی استفاده می شوند، دارای عناصر پایدار کننده نیترید هستند.کروم وآلومینوم از جمله عناصری هستند که نیترید آنها با رسوب در لایه سطحی ، سختی لازم را فراهـــــــــــم می آورند. فولاد متــــــــــداول ، سری های نیتروآلوی با 1% Al, 1.5 % Cr می باشد.

در صورتی که عملیات حرارتی در شرایط اکسید کننده انجام گیرد، نیتروژن فولاد دست نخورده باقی می ماند چرا که لایه اکسید سطحی از تبادل نیتروژن بین قطعه و محیط جلوگیری می کند.وقتی فولادهای پرکروم در دماهای بالا(1000 C) در محیط نیتروژن دار حرارت داده می شوند،سریعا گاز جذب میکنند، و در واقع گاز نیتروژن جذب  میکننددر این مورد، اگر چه سطح اکسیدی در سطح فولاد وجود دارد، ولی نیتروژن حتی با نرخ کم نیز جذب فولاد می شود و باعث نازک شدن لایه اکسیدی خواهد شد.این اثر در حضور منگنز در درصدهای 3-4 % تشدید می شود.

افزودن نیتروژن به فولادهای پرکروم با کروم 17 % ، اصلاح خواص فولاد را در پی دارد بطوریکه انرژی ضربه 80 Ib.ft را می توان از آن گرفت. در درصدهای کروم بالا تر از این مقدار بالاخص در 20 % Cr اثر بهبود کنندگی نیتروژن آنقدر کاهش می یابد که قابل چشم پوشی است.فولادهای کم کربن با 17 % Cr بعد از سرد کردن سریع در هوا از دمای بالا سختی پذیری کمی از خود نشان می دهند و هم چنین داکتیلیتی شان کم می شود.بنابر این باید بعد از کار گرم ، در محدوده 700-800 C برگشت داده شوند.افزودن نیتروژن سبب افزایش داکتیلیتی و سختی پذیری شده و در نتیجه لزوم برگشت بعد از کار گرم را حذف می کند.

افزودن نیتروژن به فولادهای 20 % Cr و 27 % Cr کاری متداول است.و طبیعتا ساختار کاملا فریتی داشته و دربرابر رشد دانه در هنگام حرارت دهی تا دماهای بالا مقاومت از خود نشان می دهند.اضافه کردن نیتروژن به ترکیب این فولادها ، مقدار کمی آستنیت و فاز ثانویه در ریز ساختار بوجود می آورد که در برابر حرارت دادن ، بدون هیچگونه خطر رشد دانه استفاده کرد و هم چنین کار گرم آنها آسان می شود.معمولا درصد نیتروژن افزوده شده در حدود یک صدم درصد کروم است چرا که تقریبا بیشترین درصد نیتروژنی است که در محلول جامد می تواند حضور داشته باشد.بالتبع درصد قابل حل نیتروژن در مذاب فولاد بیشتر بوده و مقدار اضافی آن در هنگام انجماد یا از ذوب خارج می شود ویا مقداری محدود نیز در محلول جامد گیر می افتند.

نیتروژن می تواند به عنوان جایگزین مقدار کمی از نیکل در فولادهای زنگ نزن آستنیتی بکاررود. تاثیر نیتروژن بر پایداری آستنیت در حدود 20 تا30 برابر اثر نیکل است. قابلیت انحلال نیتروژن در فولاد 8/18 بسیار کــــــــــم می باشد فلــــذا افزودن بیش از 0.06-0.08 % N به ترکیب فولاد را محدود می کند.این مشکل با افزودن درصدی منگنز برطرف می شود.فولاد کم کربن با 0.15-0.20 % N,8% Mn, 6% Ni,20 % Cr هم رده و شاید بهتر از فولاد آستنیی 8/18 از لحاظ مقاومت خوردگی و قابلیت جوشکاری باشد ولی بسیار گران بوده و کار گرم آن مشکل است.

معمولا نیتروژن در چدنها به اندازه 30-100 ppm وجود دارد.اگر چه درصد نیتروژن می تواند از این هم فراتر رود ولی به اندازه ای نیست که آرام بودن قطعه را به خطر اندازد.نیتروژن بمقدار کمی در محلول جامد می تواند حضور داشته باشد و یا اینکه با عناصر دیگر بصورت ترکیب در آید.

نیتروژن در چدن مالیبل تاحدکمی فرآیند آنیل راکند می سازد.نیتروژن موجود در ترکیب چدن با حضور تیتانیوم و آلومینوم و با تشکیل نیترید خنثی می شود.چدنهای پرکروم به رشد دانه بسیار حساس هستند ولذا نیتروژن اغلب به این چدن ها اضافه می شود تا اندازه دانه بعد از ریخته گری را بکاهد.افزودن نیتروژن به ذوب بوسیله فروکروم های حاوی نیتروژن انجام می گیرد.

چدنهایی که برای کاربردهای نیتریدی استفاده می شوند، اغلب حاوی آلومینوم و کروم بوده و یک لایه با سختی سطحی بسیار بالا و نیترید های پایدار تشکیل می شود.