15. Азот в стали. Положительная и отрицательная роль азота в стали. Способы удаления и введения азота в металл.

3.2. Азот в стали и отливках

В жидкую сталь азот поступает с шихтовыми материалами. Металлический лом, скрап, чугун содержат обычно 0,002 - 0,008 % N. Дополнительно азот переходит в металл из печной атмосферы в области дуг при выплавке стали в дуговой электропечи. В зоне действия дуг молекулярный азот диссоциирует на атомарный. Это интенсифицирует процесс насыщения стали азотом.

Растворимость азота в стали также подчиняется закону Сивертса и описывается уравнением:

,

(3.13)

где К – константа;

– парциальное давление азота;

fN – коэффициент активности азота.

Анализ рис. 3.6 позволяет сделать следующие выводы:

растворимость азота в Feα и Feδ увеличивается с увеличением температуры, а в Feγ снижается; снижение связано с уменьшением стойкости нитрида железа Fe4N;

растворимость азота при переходе из жидкого состояния в твердое и из одной фазы в другую изменяется скачкообразно.

Азот обладает высоким химическим сродством со многими элементами, входящими в сталь, и образует с ними нитриды. По влиянию на растворимость азота в жидком железе элементы можно разделить на 3 группы (рис. 3.7):

Элементы, образующие прочные нитриды (Aℓ, Ti, Zr, V, Nb) и повышающие растворимость азота в железе.

Элементы, обычно не образующие нитридов, но обладающие достаточно высоким сродством к азоту (Cr, Ta, Mn, Mo) и заметно повышающие растворимость азота в железе.

Элементы, не образующие нитридов (C, Ni, Cu, Co) или образующие нитриды менее прочные, чем нитрид железа, и понижающие растворимость азота в железе.

Из теории и практики известно, что наличие в конструкционной стали 0,003-0,02% азота не приводит к образованию пузырей и пористости в процессе кристаллизации и затвердевания отливки, так как в этот момент концентрация азота ниже его растворимости и соответственно уровень равновесного парциального давления азота недостаточен для развития газовыделения.

В массивных толстостенных отливках из углеродистых сталей содержание азота повышается снизу вверх и от стенок к центру. Ликвация его увеличивается с увеличением абсолютного содержания. Поэтому наличие азота и неравномерность его распределения в литой углеродистой стали явление нежелательное, так как азот является основной причиной «старения» сталей ферритного и феррито-перлитного классов.

«Старение» – это выделение избыточного азота из раствора в твердом металле с образованием нитрида железа Fe4N. Присутствие в стали азота в виде Fe4N приводит к ее охрупчиванию, так как эти нитриды имеют игольчатую форму и пронизывают весь объем зерен твердого раствора железа. Для устранения этого явления в сталь вводят более сильные, чем железо, нитридообразующие элементы, например, Aℓ, Ti, V и др. Следует отметить, что процесс «старения» не характерен для стальных отливок, так как практически всегда конечное раскисление стали проводят алюминием.

Присутствие азота в стальных отливках в виде дисперсных нитридов легирующих элементов (TiN, VN, ZrN, NbN, AℓN и др.) приводит к их модифицированию, а также сильному упрочнению при термической обработке. Именно поэтому получили распространение высокопрочные конструкционные стали с нитридным и карбонитридным упрочнением.

Положительное влияние азота не может проявляться самостоятельно, а только в сочетании с сильными нитридообразующими элементами.

Обычно содержание азота, как легирующего элемента, находится в пределах 0,1-0,2 %, а в высоколегированных аустенитных сталях до 0,2-0,6 %.

Таким образом, можно выделить три положительных момента, связанных с наличием в стали азота и в сильных нитридообразующх элементов, влияющих на свойства отливок:

устранение образования нитридов неблагоприятной морфологии (Fe4N, пленка AℓN в азотсодержащих сталях при их раскислении Aℓ);

модифицирование структуры за счет образования в жидкой стали дисперсных тугоплавких нитридов (TiN, ZrN, HfN и др.), которые служат дополнительными центрами кристаллизации и измельчают структуру металла);

упрочнение отливок нитридными и карбонитридными частицами (VN, VCN и др.) в процессе термической обработки.

Максимальное содержание азота в обычной углеродистой стали в условиях равновесия при давлении в 1 атм и 1680°С составляет примерно 0,034 %, что значительно больше, чем содержание водорода. Но фактическое содержание азота в обычной стали, даже при выплавке в дуговой электропечи, не превышает 0,03-0,04%. Объем азота меньше объема водорода из-за большей атомной массы. Диффузия атомарного азота через кристаллическую решетку затруднена вследствие больших атомных размеров по сравнению с атомами водорода.

Однако влиянием азота на образование газовых раковин по вине металла не следует пренебрегать. Если не связать азот в устойчивые нитриды, то есть допустить выделение его в свободном состоянии, то аналогично водороду можно получить «азотистое кипение» стали.

При выплавке стали, содержащей нитридообразующие элементы, весьма важно знать, при каком содержании этого элемента могут образовываться нитриды. Например, Требуется определить растворимость азота в стали 08Х18Н10ТЛ при ведении плавки в открытой дуговой печи (парциальное давление азота в воздухе 0,79 атм), и при какой концентрации титана образуется нитрид титана, температура ванны 1550 С. Воспользуемся реакцией образования нитрида титана (3.14)

[Ti] + 1/2N2 = TiNтв; (3.14)

и реакцией растворения азота в расплаве

1/2N2 = [N]Fe; (3.15)

Равновесное с газовой фазой содержание азота в металлическом расплаве определим по уравнению Сивертса – . Используя аппарат параметров взаимодействия первого либо первого и второго порядков, определяют коэффициент активности азота в стали.

Для расчета коэффициента активности азота в стали при любой температуре необходимо воспользоваться уравнением Чипмана и Корригана, согласно которому

(3.16)

Для ответа на второй вопрос (при каком содержании титана образуется нитрид титана) воспользуемся реакцией нитридообразования, приняв активность нитрида титана равной единице. Расчеты показывают, что при содержании титана около 0,04 % при выплавке стали в открытой печи, могут начать образовываться нитриды.