Çelikte Azotun Rolü: Bilmeniz Gerekenler

1. Azotun Çeliğin Mikroyapısı ve Isıl İşlemi Üzerindeki Etkisi

① Azot, karbona benzer şekilde, demirde interstisyel bir katı çözelti oluşturur ve kristal kafeste oktahedral bölgeleri işgal eder. Bu çözünme, çeliğin mekanik özelliklerini ve mikro yapısını önemli ölçüde etkiler.

② Azot, demir-karbon faz diyagramında östenit faz alanını genişleten güçlü bir östenit stabilizatörüdür. Östeniti teşvik edici etkisi nikelinkinden yaklaşık 20-30 kat daha güçlüdür, bu da onu östenitik paslanmaz çeliklerde ekonomik bir alternatif haline getirir. Bu özellik, östenit stabilitesinden ödün vermeden nikel içeriğinin azaltılmasına olanak tanıyarak uygun maliyetli alaşım tasarımlarına yol açar.

③ Azot çelik yüzeyine yayıldığında, krom, alüminyum, vanadyum ve titanyum gibi alaşım elementleriyle oldukça kararlı nitrürler oluşturabilir. CrN, AlN, VN ve TiN dahil olmak üzere bu nitrürler yüzey sertliğini, aşınma direncini ve yorulma mukavemetini önemli ölçüde artırır. Nitrürleme olarak bilinen nitrür oluşturma işlemi, çeliklerin ısıl işleminde çok önemli bir yüzey mühendisliği tekniğidir.

④ Yüksek kromlu ve yüksek krom-nikelli çeliklerde azot, tane inceltme ve katı çözelti güçlendirmeye katkıda bulunur. Bu, çeliğin genel mukavemetini, tokluğunu ve korozyon direncini artıran daha kompakt ve sağlam bir mikroyapı ile sonuçlanır. İnce taneli yapı aynı zamanda çeliğin taneler arası korozyona karşı direncini de artırır.

⑤ Azot sayısız fayda sağlarken, çelikteki aşırı kalıntı azot içeriği zararlı etkilere yol açabilir. Yüksek nitrojen seviyeleri, katılaşma sırasında gaz gözeneklerinin veya hava deliklerinin oluşmasına neden olarak çeliğin yapısal bütünlüğünü tehlikeye atabilir. Nitrojen gözenekliliği olarak bilinen bu olgu, özellikle yüksek nitrojenli çeliklerin kaynağında sorun yaratır ve uygun eritme ve katılaştırma uygulamaları ile dikkatlice kontrol edilmelidir.

2. Azotun çeliğin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi

① Azot, çelikte güçlü bir katı çözelti güçlendirme etkisi gösterir ve sertleşebilirliğini önemli ölçüde artırır. Bu, nitrojen atomlarının demir kafesini bozma, dislokasyon hareketini engelleme ve böylece mukavemeti artırma kabiliyetinden kaynaklanır.

② Azot içeren ferritik çeliklerde, karmaşık bir çökelme sertleşmesi mekanizması gözlemlenebilir. Temperleme veya hızlı soğutmanın ardından oda sıcaklığına uzun süre maruz kalma sırasında, ultra ince nitrürler (tipik olarak Fe16N2 veya CrN) çökelir. Bu nano ölçekli partiküller, dislokasyon hareketine engel olarak çeliğin mukavemetini ve sertliğini daha da artırır.

Azotun varlığı, düşük karbonlu çeliklerde, zamanla akma dayanımında artış ve süneklikte azalma ile karakterize edilen bir olgu olan gerinim yaşlanmasına neden olabilir. Bu etki özellikle karbon içeriği 0,15%'nin altında olan çeliklerde belirgindir.

Azot ilavesi nedeniyle çeliğin mukavemeti ve sertliği arttıkça, toklukta buna karşılık gelen bir azalma ve çentik hassasiyetinde bir artış olur. Bu denge, hem mukavemet hem de kırılma direncinin gerekli olduğu mühendislik uygulamalarında çok önemlidir.

Çelikte azotun gevrekleştirici etkisi fosforunkiyle karşılaştırılabilir ve çoğu durumda daha şiddetlidir. Azotun tane sınırı kohezyonu ve dislokasyon dinamikleri üzerindeki güçlü etkisi bu belirgin gevrekleşmeye katkıda bulunur.

Azot, çelik 200-300°C'ye (392-572°F) ısıtıldığında gözlemlenen bir olgu olan mavi kırılganlıkta önemli bir rol oynar. Bu sıcaklık aralığı azotun hızla dislokasyonlara yayılmasını sağlayarak gerinim yaşlanmasına ve geçici gevrekleşmeye neden olur.

③ Yüksek kromlu ve yüksek krom-nikelli çeliklerde, kontrollü azot ilaveleri, önemli bir plastiklik kaybı olmadan hem mukavemeti hem de darbe tokluğunu artırabilir. Bu, ince, kararlı krom nitrürlerin oluşumu ve azotun östenit stabilize edici etkisi ile elde edilir.

④ Azot, termal olarak kararlı nitrürler oluşturarak ve matrisin katı çözeltisini güçlendirerek çeliğin sürünme mukavemetini ve yüksek sıcaklıkta kopma mukavemetini artırır. Bu etki özellikle östenitik paslanmaz çeliklerde ve yüksek sıcaklıklarda çalışan ısıya dayanıklı alaşımlarda faydalıdır.

3. Azotun çeliğin fiziksel, kimyasal ve teknolojik özellikleri üzerindeki etkisi

① Azotun varlığı paslanmaz çeliğin korozyon direncini önemli ölçüde etkiler. Orijinal ifadenin aksine, nitrojen özellikle östenitik ve dubleks paslanmaz çeliklerde çukur ve çatlak korozyon direncini genellikle iyileştirir. Bu iyileşme, nitrojenin pasif filmi stabilize etme ve çukurlaşma potansiyelini artırma kabiliyetine bağlanmaktadır.

② Östenitik paslanmaz çeliklerde azot içeriği kütlece yaklaşık 0,2%'yi aştığında, çeliğin yüksek sıcaklık oksidasyonuna karşı direnci azalabilir. Bununla birlikte, kesin eşik belirli alaşım bileşimine ve amaçlanan uygulamaya bağlıdır. Bazı durumlarda, 0,5%'ye kadar kontrollü azot ilaveleri orta sıcaklıklarda oksidasyon direncini artırabilir.

③ Azot içeren çelik, soğuk deformasyon sırasında daha yüksek bir iş sertleşme oranı sergiler. Nitrojen güçlendirme etkisi olarak bilinen bu olgu, nitrojen atomları ve dislokasyonlar arasındaki etkileşimden kaynaklanır ve daha fazla mukavemet ve sertliğe yol açar. Bu özellik özellikle yüksek mukavemet ve aşınma direnci gerektiren uygulamalarda faydalıdır.

④ Azot, yüksek kromlu ferritik paslanmaz çeliklerde tane büyümesi eğilimini etkili bir şekilde azaltır ve böylece kaynak özelliklerini iyileştirir. Kaynak termal döngüleri sırasında ince taneli yapıların oluşumunu teşvik eden bir östenit stabilizatörü görevi görür. Bu tane incelmesi, kaynak bölgesinin ve ısıdan etkilenen alanın hem mekanik özelliklerini hem de korozyon direncini artırır.

Ayrıca azot, sünekliği önemli ölçüde azaltmadan paslanmaz çeliklerin akma dayanımını ve nihai çekme dayanımını artırır. Ayrıca çeliğin klorür ortamlarında gerilme korozyonu çatlamasına karşı direncini artırarak azot alaşımlı paslanmaz çelikleri özellikle denizcilik ve kimyasal işleme uygulamaları için uygun hale getirir.

4. Çelikte azot uygulaması

① Azot, çelikte önemli bir alaşım elementi olarak görev yapar ve içeriği çoğu uygulamada tipik olarak eser miktarlardan 0,3%'ye (kütlece) kadar değişir ve özel yüksek azotlu çeliklerde maksimum 0,6%'ye ulaşır. Azot içeriğinin bu hassas kontrolü, özel mekanik özellikler ve mikroyapısal karakteristikler sağlar.

② Azot alaşımlama, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli çelik türlerinde geniş uygulama alanı bulur:

• Nitrürlenmiş su verilmiş ve temperlenmiş çelikler: Nitrür oluşumu yoluyla yüzey sertliğinin ve aşınma direncinin artırılması.
• Sıradan düşük alaşımlı çelikler: Önemli bir maliyet artışı olmadan mukavemet ve tokluğun iyileştirilmesi.
• Östenitik paslanmaz çelikler: Östenit fazının stabilize edilmesi ve özellikle asit ortamlarda korozyon direncinin artırılması.
• Isıya dayanıklı, dökülmeyen çelikler: Buhar türbinleri, gaz türbinleri ve diğer yüksek sıcaklık uygulamalarındaki bileşenler için çok önemli olan mükemmel yüksek sıcaklık mukavemeti ve oksidasyon direnci sağlar.

Azot ilavesi katı çözelti güçlendirme, tane inceltme ve gelişmiş çukur korozyon direnci gibi benzersiz faydalar sunarak onu modern çelik metalürjisinde paha biçilmez bir alaşım elementi haline getirir.