철강에서 질소의 역할: 알아야 할 사항

1. 질소가 강철의 미세 구조 및 열처리에 미치는 영향

탄소와 유사한 질소는 철에서 간질성 고용체를 형성하여 결정 격자에서 팔면체 자리를 차지합니다. 이 용해는 강철의 기계적 특성과 미세 구조에 큰 영향을 미칩니다.

질소는 강력한 오스테나이트 안정제로서 철-탄소 상 다이어그램에서 오스테나이트 상장을 확장합니다. 오스테나이트 촉진 효과는 니켈보다 약 20~30배 더 강하기 때문에 오스테나이트계 스테인리스강에서 경제적인 대안이 될 수 있습니다. 이 특성 덕분에 오스테나이트의 안정성을 손상시키지 않으면서 니켈 함량을 줄일 수 있어 비용 효율적인 합금 설계가 가능합니다.

질소가 강철 표면으로 확산되면 크롬, 알루미늄, 바나듐, 티타늄과 같은 합금 원소와 함께 매우 안정적인 질화물을 형성할 수 있습니다. CrN, AlN, VN, TiN을 포함한 이러한 질화물은 표면 경도, 내마모성, 피로 강도를 크게 향상시킵니다. 질화라고 알려진 질화물 형성 공정은 강철의 열처리에서 중요한 표면 엔지니어링 기술입니다.

고크롬 및 고크롬-니켈강에서 질소는 입자 정제와 고용체 강화에 기여합니다. 그 결과 더 조밀하고 견고한 미세 구조가 형성되어 강철의 전반적인 강도, 인성 및 내식성이 향상됩니다. 또한 미세한 입자 구조는 입자 간 부식에 대한 강철의 저항력을 향상시킵니다.

질소는 많은 이점을 제공하지만, 강철에 과도한 잔류 질소 함량이 있으면 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 질소 함량이 높으면 응고 과정에서 가스 다공성 또는 블로우홀이 형성되어 강철의 구조적 무결성이 손상될 수 있습니다. 질소 다공성으로 알려진 이 현상은 고질소강 용접에서 특히 문제가 되며, 적절한 용융 및 응고 방법을 통해 신중하게 제어해야 합니다.

2. 질소가 강철의 기계적 특성에 미치는 영향

질소는 강철에서 강력한 고용체 강화 효과를 발휘하여 강철의 경화성을 크게 향상시킵니다. 이는 질소 원자가 철 격자를 왜곡하여 전위 이동을 방해하여 강도를 증가시키는 능력으로 인해 발생합니다.

질소 함유 페라이트강에서는 복잡한 침전 경화 메커니즘이 관찰될 수 있습니다. 템퍼링 또는 급속 냉각 후 실온에 장시간 노출되는 동안 초미세 질화물(일반적으로 Fe16N2 또는 CrN)이 침전됩니다. 이러한 나노 크기의 입자는 전위 운동에 장애물로 작용하여 강철의 강도와 경도를 더욱 증가시킵니다.

질소의 존재는 저탄소 강재의 변형 노화를 유도할 수 있으며, 이는 시간이 지남에 따라 항복 강도가 증가하고 연성이 감소하는 현상을 특징으로 합니다. 이 효과는 탄소 함량이 0.15% 미만인 강재에서 특히 두드러집니다.

질소 첨가로 인해 강철의 강도와 경도가 증가하면 인성은 감소하고 노치 감도는 증가합니다. 강도와 내파괴성이 모두 요구되는 엔지니어링 분야에서는 이러한 절충이 매우 중요합니다.

강철에서 질소의 취성 효과는 인의 취성 효과와 비슷하거나 더 심한 경우가 많습니다. 질소가 입자 경계 응집력과 전위 역학에 미치는 강력한 영향이 이러한 취성의 원인으로 작용합니다.

질소는 강철이 200~300°C(392~572°F)로 가열될 때 관찰되는 현상인 청취성에서 중요한 역할을 합니다. 이 온도 범위에서는 질소가 전위로 빠르게 확산되어 변형 노화와 일시적인 취성을 유발할 수 있습니다.

고크롬 및 고크롬-니켈강에서 질소 첨가를 제어하면 가소성의 큰 손실 없이 강도와 충격 인성을 모두 향상시킬 수 있습니다. 이는 미세하고 안정적인 크롬 질화물의 형성과 질소의 오스테나이트 안정화 효과를 통해 달성할 수 있습니다.

질소는 열적으로 안정적인 질화물과 매트릭스의 고용체 강화를 형성하여 강철의 크리프 강도와 고온 파열 강도를 향상시킵니다. 이 효과는 고온에서 작동하는 오스테나이트계 스테인리스강과 내열 합금에 특히 유용합니다.

3. 질소가 강철의 물리적, 화학적 및 기술적 특성에 미치는 영향

질소의 존재는 스테인리스 스틸의 내식성에 큰 영향을 미칩니다. 원래의 설명과 달리 질소는 일반적으로 특히 오스테나이트 및 듀플렉스 스테인리스강에서 피팅 및 틈새 내식성을 향상시킵니다. 이러한 개선은 질소가 패시브 필름을 안정화시키고 피팅 잠재력을 증가시키는 능력에 기인합니다.

질소 함량이 오스테나이트 스테인리스강에서 질량 기준으로 약 0.2%를 초과하면 고온 산화에 대한 강철의 내성이 저하될 수 있습니다. 그러나 정확한 임계값은 특정 합금 구성과 용도에 따라 달라집니다. 경우에 따라 질소를 0.5%까지 제어하여 첨가하면 적당한 온도에서 산화 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

질소 함유 강재는 냉간 변형 시 가공 경화율이 더 높습니다. 질소 강화 효과로 알려진 이 현상은 질소 원자와 전위 사이의 상호 작용으로 인해 강도와 경도가 향상됩니다. 이 특성은 고강도 및 내마모성이 필요한 용도에 특히 유용합니다.

질소는 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 입자 성장 경향을 효과적으로 감소시켜 용접 특성을 개선합니다. 오스테나이트 안정제 역할을 하여 용접 열 사이클 동안 미세 입자 구조의 형성을 촉진합니다. 이러한 입자 개선은 용접 부위와 열 영향을 받는 부위의 기계적 특성과 내식성을 모두 향상시킵니다.

또한 질소는 연성을 크게 감소시키지 않으면서도 스테인리스강의 항복 강도와 최종 인장 강도를 향상시킵니다. 또한 염화물 환경에서 응력 부식 균열에 대한 강철의 내성을 향상시켜 질소 합금 스테인리스강은 특히 해양 및 화학 처리 응용 분야에 적합합니다.

4. 강철에 질소 적용

질소는 강철에서 중요한 합금 원소로 사용되는데, 대부분의 용도에서 질소 함량은 일반적으로 미량에서 최대 0.3%(질량 기준)까지이며 특수 고질소강에서는 최대 0.6%에 달합니다. 이렇게 질소 함량을 정밀하게 제어하면 맞춤형 기계적 특성과 미세 구조 특성을 구현할 수 있습니다.

질소 합금은 다음과 같은 다양한 강종에 광범위하게 적용됩니다:

• 질화 담금질 및 강화강: 질화물 형성을 통해 표면 경도와 내마모성을 향상시킵니다.
• 일반 저합금강: 큰 비용 증가 없이 강도와 인성을 개선합니다.
• 오스테나이트 계 스테인리스강: 오스테나이트 상 안정화 및 내식성 향상, 특히 산성 환경에서의 내식성 향상.
• 내열성 비파괴강: 증기 터빈, 가스 터빈 및 기타 고온 응용 분야의 부품에 필수적인 우수한 고온 강도와 내산화성을 제공합니다.

질소를 첨가하면 고용체 강화, 입자 정제, 피팅 내식성 향상과 같은 고유한 이점이 있어 현대 철강 야금에서 매우 중요한 합금 원소가 됩니다.