Влияние азота на свойства стали

Статьи

Азот является одним из наиболее распространенных элементов: его содержание в нижних слоях атмосферы составляет 78,11% а в земной коре – 0,04%. В нормальных условиях (Т=20 °С и P =1атм) азот представляет собой 2-х атомный газ. Атомный номер – 7, атомный вес – 14,008, плотность молекулярного азота – 1,649 × 10 -3 г/см 3 . Температура плавления – 209,9 °С, а температура кипения – 195,7 °С.

Исследования взаимодействия азота со сталью проводились в течении всего 20 века. Они были начаты Н.П.Чижевским и И.И.Жуковым [7]. Однако только после 40-х годов стали рассматривать возможность использования азота как легирующего элемента. Вопросам влияния азота на свойства сталей, его растворимости и поведения в металле уделялось много внимания, как в нашей стране, так и за рубежом [2…4, 8, 9]. В настоящее время в промышленности используется более 200марок сталей, легированных азотом.

Стали, легированные азотом, принято подразделять на две категории:

-стали с содержанием азота ниже равновесного;

-стали с содержанием азота выше равновесного («сверхравновесные»).

Первые получают в условиях выплавки и кристаллизации при атмосферном давлении азота. Вторые — при повышенном давлении азота, позволяющем сохранить большее его содержание в металле, чем при открытой выплавке.

В последние годы в качестве перспективных сталей с различным уровнем легирования азота для разнообразных сфер применения были отмечены [ 10 ] :

— дисперсионно-твердеющие стали, легированные ванадием, ниобием и титаном;

— высокопрочные коррозионно-стойкие, аустенитные стали;

— стали со структурой азотистого феррита и мартенсита.

Легирование азотом дисперсионно-твердеющих сталей приводит к образованию мелкодисперсных нитридов по границам зерен, препятствующих их росту, позволяет повысить предел текучести и ударную вязкость металла [ 8 ] .

Легирование азотом нержавеющих сталей, позволяет уменьшить в них содержание никеля и марганца в полтора – два раза, а в некоторых случаях вообще исключить эти элементы. Нержавеющие стали, легированные азотом, превосходят по прочности, вязкости и коррозионной стойкости традиционные нержавеющие стали.

Легированные азотом безникелевые стали, применяемые в медицине для изготовления хирургического инструмента и имплантатов [11-12] обладают повышенной прочностью, износостойкостью и не вызывают негативных явлений и аллергических реакций в человеческом организме.

Нержавеющие мартенситные и ферритные стали, легированные азотом, при соответствующей термической и термопластической обработке обладают повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и улучшенной технологической пластичностью при высоких и низких температурах.

Подробное аналитическое обобщение данных о структуре и свойствах нержавеющих сталей, легированных азотом; растворимости азота в них; термодинамике этих растворов, в том числе, в зависимости от концентрации примесей и легирующих элементов; от температур и давлений реакций, протекающих в жидком металле; параметров диффузии и других факторов, связанных с особенностями выплавки, по состоянию на 60-е годы было сделано М.В. Приданцевым, Н.П. Таловым и Ф.Л. Левиным [13].

На основе анализа многочисленных публикаций [14-17] было показано, что азот:

— образует твердые растворы внедрения в аустените и феррите;

— увеличивает количество аустенита и стабилизирует аустенит по отношению к γ → α и γ→ε превращениям при охлаждении и пластической деформации;

— изменяет предельную растворимость легирующих элементов в γ и α — твердых растворах и влияет на распределение хрома, никеля и других легирующих элементов между аустенитом и ферритом;

— изменяет кинетику образования карбидных и других избыточных фаз при термической обработке;

— снижает энергию дефектов упаковки и, в связи с этим увеличивает деформационную способность аустенита.

Введение азота в сплавы позволяет:

— уменьшить в сплавах содержание никеля, марганца и других аустенитообразующих элементов при сохранении заданной аустенитной или иной структуры и, соответственно, уровня ферромагнитности сплава;

— увеличить содержание в сплавах элементов ферритообразователей, положительно влияющих на механические и коррозионные характеристики сплавов;

— улучшить характеристики технологической пластичности в результате расширения интервала существования аустенита в высокотемпературной области;

— повысить термическую стабильность аустенита и снизить вероятность его распада при нагреве с образованием нитридов и других фаз;

— увеличить коррозионную стойкость (сопротивление питтинговой и ножевой коррозии, коррозионному растрескиванию под напряжением, интеркристаллитной коррозии);

— повысить прочность сплавов путем использования деформационного упрочнения при наклепе [ 1 ] .

Растворимость азота в железе подчиняется закону Сивертса (закону квадратного корня):

где [ N ] – растворимость азота в железе при данном парциальном давлении PN 2 ;

KN константа реакции, численное значение которой зависит от температуры и способов выражения концентрации.

Выполняемость закона Сивертса указывает на идеальность образующегося раствора [18].

Авторам работы [19] для определения растворимости азота в жидком железе до температуры 2650°С предлагается уравнение:

lg [ N ] = (-850/ T ) – 0,905 +0,5 lg PN 2 (1.2)

Из которого следует, что при Т = 1873 °К и PN 2 = 1 атм [ N ] = 0,044%.

Анализ результатов многих исследований, выполненных различными авторами [18-25] методом отбора проб, показал хорошую согласованность данных, уровень отклонения которых от расчетной величины составляет 0,002%.

На рис.1.1 представлена температурная зависимость растворимости азота в жидком железе. Диаграмма состояния системы железо-азот приведена на рис. 1.2 .

Рис. 1. 1. Температурная зависимость растворимости азота в жидком железе

Рис.1.2. Диаграмма состояния Fe — N [26]

Концентрация азота, находящегося в равновесии с газообразным азотом растет с увеличением температуры. В точке перехода α→γ (906 °С) скачкообразно изменяется, при дальнейшем росте температуры до перехода γ→ δ (1402 °С) она уменьшается.

Азот может образовывать с железом два соединения Fe 4 N (9,9% N ) и Fe 2 N (11,5% N ). Fe 2 N начинает разлагается при температуре

550 °С. При дальнейшем повышении температуры начинает диссоциировать и Fe 4 N .

Энтальпия растворения азота в жидком железе Δ HN представляет собой разность двух противоположных по знаку величин: энтальпии диссоциации молекулярного азота на атомы (Δ H дис) и энтальпии растворения атомарного азота в жидком железе (Δ HP ). Первый процесс является эндотермическим, а второй – экзотермическим. Так как Δ H дис > Δ HP , то процесс, описанный уравнением (1), протекает с поглощением тепла. Если данные по растворимости азота показывают хорошую согласованность у различных исследователей, то данные по энтальпии имеют значительный разброс.

Результаты статистической обработки большого массива экспериментальных данных позволили авторам работы [27] описать растворимость азота в жидком железе двумя уравнениями:

при Т K : lg [ N ] = -560/ T – 1,06 (1.3)

при Т > 1973 K : lg [ N ] = -1100/ T – 0,79 (1.4)

Таким образом, энтальпия растворения азота в жидком железе до 1973 ° K – 10700 Дж/моль, а выше 1973 ° K – 21000 Дж/моль.

А.М. Самарин, первым обративший на это внимание, связывал изменение Δ H при изменении температуры со структурными превращениями. Известно, что при растворении кислорода оксидная фаза проявляется при очень низком парциальном давлении кислорода в газовой фазе ( PO 2= 10 -8 атм). В отличие от этого, при растворении азота даже при PN 2 > 1атм самостоятельная нитридная фаза не образуется. Образование нитридов типа Fe 2 N и Fe 4 N наблюдали лишь в твердом металле в температурном интервале существования аустенита.

Влияние парциального давления над расплавом железа на его растворимость в зависимости от времени выдержки при T = 1560 ° C представлено на рис. 1.3.

Данные по кинетике азотирования свидетельствуют о том, что для выхода на стационарную концентрацию в чистом железе требуется около 40 мин., причем время практически не зависит от давления азота над расплавом.

Рис. 1.3. Изменение растворимости азота в железе в зависимости от его давления и времени выдержки при температуре 1560 °С [28].

Рис.1.4. Зависимость растворимости азота в жидком железе при температуре 1560 °С от парциального давления азота над расплавом

Присутствие примесей влияет на скорость растворения азота в металле. Так, при увеличении концентрации кислорода в металле от 0,067 до 0,144% время достижения равновесной концентрации увеличивается с 1,5 до 3,0 часов. Отмечено и аналогичное влияние серы: при ее концентрациях 0,49 и 0,87% и давлении азота 0,1МПа время достижения равновесной концентрации возрастает до 3,0 и 6,0 часов соответственно.

В работе [14] представлены данные, характеризующие изменение растворимости азота в жидком железе при температуре 1560 °С в зависимости от давления (до 4 атм.).

Список использованой литературы

Влияние азота на свойства стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования α-Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. Результатом этого является снижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном повышении твердости и прочности.

Читайте также  Термическое оксидирование стали

Как и выделение нитридов железа, снижение ударной вязкости усиливается при длительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20—40 суток, поэтому описываемое явление получило название старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа. В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в четыре—шесть раз, поэтому склонность к старению является пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием [1].

Влияние азота на механические свойства стали показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Влияние азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются следующие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения γ-Fe в α-Fe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко применяемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа, поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств металла.

Подводя итог всему вышесказанному избыточное содержание азота в стали приводит к понижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является основной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, производимой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Поскольку азот является трудноудалимой примесью, его отрицательное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь повышение вязких свойств сталей. Но для сведения вредного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием этого элемента меньше 0,004% [4] .

Источники газов

К основным источникам газов относятся :

1) шихтовые материалы ;

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух );

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки ;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большое количество газов вносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в значительной мере удаляются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005% N. Чугун содержит обычно 0,0055 N [5].

Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства , страница 7

При еще большем содержании, которое может быть достигнуто присадкой богатого азотом феррохрома, сталь при затвердевании обнаруживает склонность к выделению газообразного азота. Поэтому в отливках, полностью свободных от пузырей, содержание азота можно довести только до 0,1 — 0,15%. Эта присадка азота к полуферритной хромистой стали вызывает снижение, а при некоторых обстоятельствах и полное исчезновение фepритной структурной составляющей. Даже в ферритных сталях, содержащих около 30% Сr, можно вызвать при нагреве до соответствующей температуры частичное превращение α→γ. Следствием такого образования аустенита является снижение склонности к росту зерна при высоких температурах, что особенно существенно при сварке. Таким путем и фасонное литье из ферритной хромистой стали может быть получено с мелкозернистой структурой.

В закаливающихся и улучшаемых хромистых сталях с 15 — 18% Сr, например в стойкой против действия морской воды стали с 18% Сr и 0,5 — 2% Ni, можно добавкой 0,2% N2 заменить 2% Ni, добавляемого для сквозного улучшения.

Влияние азота как легирующего элемента хромистых сталей состоит, кроме воздействия на твердый раствор, также в извлечении хрома из основной массы вследствие образования нитридов хрома.

Азот расширяет γ-область и уменьшает критическую скорость охлаждения, поэтому его можно вводить в аустенитную сталь в качестве заменителя других ayстенито-образователей, например никеля. Так присадка азота к стали с 18% Сr и 8% Ni позволяет снизить содержание Ni примерно до 4%, если одновременно повысить содержание азота до 0,2 — 0,3%. Структура таких сплавов, как показано на рисунок 12, состоит почти полностью из аустенита. То же самое справедливо по отношению к введению азота в хромомарганцовистую или марганцовистую сталь и в соответствующие сплавы с хромом, марганцем и никелем.

Рисунок 12. Структура стали с 23% Сr;

5% Ni и 0,26°/о N2, закаленной в воде

Замечательной особенностью всех аустенитных сплавов с повышенным содержанием азота является повышение предела текучести, как это видно из таблицы 2. Увеличение предела текучести и предела прочности проявляется не только при комнатной температуре, но также и при повышенных температурах. Выделение нитридов в жаропрочных сталях и сплавах на основе никель — хром, кобальт — хром — никель и др. оказывается особенно ценным для области температур 700 — 800°C, так как при этом жаропрочность сплава повышается без существенного охрупчивания.

При применении сплавов с повышенным содержанием хрома для работы при высоких температурах в богатых азотом атмосферах или в чистом азоте высокого давления происходит поглощение азота поверхностным слоем. Такое поглощение азота при длительных выдержках может привести к настолько высокому содержанию его в поверхностном слое, что сталь станет хрупкой в результате образования волосных трещин (например, сталь с 18% Сr, 10% Ni и 2% Мо).

Большое химическое сродство азота к различным элементам, например алюминию, титану, цирконию и также ванадию, позволяет использовать частицы нитридов для измельчения структуры.

Азот улучшает сопротивляемость межкристаллитной коррозии коррозионно-стойких хромоникелевой и, особенно, хромомарганцовистой и ферритной хромистой сталей.

Таблица 2. Состав и механические свойства аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сталей с присадкой азота.

Подводя итог данным о применении азота в качестве легирующего элемента, в особенности в нержавеющих и жаростойких (окалиностойких) сталях, можно сказать следующее: в закаливающейся и улучшаемой хромистой стали примерно с 15 — 18% Сr азот повышает способность к улучшению и может в этом отношении заменить обычные присадки никеля в количестве 0,5 — 2%. В полуферритной и ферритной стали, содержащей свыше 18% Сr, азот приводит к образованию аустенита и к увеличению количества способной к превращению структурной составляющей, в связи с чем уменьшается склонность стали к грубозернистости. В аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сплавах азот повышает стабильность аустенита и частично может заменить никель; одновременно увеличиваются предел текучести и предел прочности, а также и механические свойства при нагревании. Азот совместно с другими легирующими элементами может измельчать зерно в литейных сплавах. Особенно заметным становится измельчение зерна под влиянием азота в сталях, чувствительных к перегреву.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309
Читайте также  Способы сварки нержавеющей стали

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Взаимодействие металла с азотом при сварке

Влияние азота на свойства металла

Растворимость азота в стали и его влияние на свойства стали. Растворимость азота в железе может быть описана уравнениями

  • 2 [N] = N2 (г);
  • KN = pN2/[N]2

Следовательно, и растворимость азота, в соответствии с правилом Сивертса, пропорциональна корню квадратному из величины его давления. Так как KN меняется с температурой и различно для разных фазовых состояний, растворимость азота зависит от температуры и скачкообразно изменяется при аллотропических превращениях и плавлении.

Результаты исследований, приведенные в виде изобары на рис. 1, показывают, что растворимость азота в стали резко уменьшается при кристаллизации и во время превращения у-железа в а-железо.

Другие элементы влияют на растворимость азота жидкой стали. Это влияние характеризуется параметрами взаимодействия. Их знак и величина показывают, что в порядке усиления влияния растворимость азота увеличивают молибден, сера, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан. Понижают растворимость азота Ni, Р, С.

Уменьшение растворимости азота в стали при кристаллизации и во время превращения у-железа в а-железо является основной причиной влияния азота на свойства стали.

При отсутствии в стали элементов (Ti, Al, Zr, V), образующих нитриды при высокой температуре, после образования а-железа начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения очень дисперсны. Порядок их размера 10-3 мкм.

Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. В результате этого падает ударная вязкость и уменьшаются относительные сужение и удлинение при одновременном повышении твердости и прочностных свойств.

Как и выделение нитридов железа, падение ударной вязкости увеличивается с течением времени хранения или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20—40 суток. Поэтому описываемое явление получило название старения.

Азот в стали вызывает старение, оно может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа.

В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в 4—6 раз. Поэтому склонность к старению является существенным пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием.

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в стали, в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. К числу таких элементов относятся: алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения у-железа в a-железо; ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации; титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко используемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях алюминия и азота в стали он образует нитриды в твердом металле. Но размеры включений этих нитридов, выделяющихся при более высокой температуре, на 2—3 порядка больше размеров включений нитридов железа. Поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, металл, раскисленный алюминием, имеет низкое содержание азота в стали, и она не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% Al), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по «границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия и оно свидетельствует об ухудшении свойств стали.

Источник [4] → список литературы.


Влияние азота на свойства стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при высокой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования α-Fe начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кристаллографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дислокаций, вызывают охрупчивание металла. Результатом этого является снижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном повышении твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, снижение ударной вязкости усиливается при длительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума через 20—40 суток, поэтому описываемое явление получило название старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа. В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в четыре—шесть раз, поэтому склонность к старению является пороком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием [1].

Влияние азота на механические свойства стали показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Влияние азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению. Такими элементами являются следующие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения γ-Fe в α-Fe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко применяемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Но включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка большие размеры, чем включения нитридов железа, поэтому они не оказывают такого влияния на движение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вследствие выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно свидетельствует об ухудшении свойств металла.

Подводя итог всему вышесказанному избыточное содержание азота в стали приводит к понижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является основной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, производимой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Поскольку азот является трудноудалимой примесью, его отрицательное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь повышение вязких свойств сталей. Но для сведения вредного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием этого элемента меньше 0,004% [4] .

Источники газов

К основным источникам газов относятся :

1) шихтовые материалы ;

Читайте также  Труборез ручной для стальных труб своими руками

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух );

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки ;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большое количество газов вносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в значительной мере удаляются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005% N. Чугун содержит обычно 0,0055 N [5].

Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства, страница 7

При еще большем содержании, которое может быть достигнуто присадкой богатого азотом феррохрома, сталь при затвердевании обнаруживает склонность к выделению газообразного азота. Поэтому в отливках, полностью свободных от пузырей, содержание азота можно довести только до 0,1 — 0,15%. Эта присадка азота к полуферритной хромистой стали вызывает снижение, а при некоторых обстоятельствах и полное исчезновение фepритной структурной составляющей. Даже в ферритных сталях, содержащих около 30% Сr, можно вызвать при нагреве до соответствующей температуры частичное превращение α→γ. Следствием такого образования аустенита является снижение склонности к росту зерна при высоких температурах, что особенно существенно при сварке. Таким путем и фасонное литье из ферритной хромистой стали может быть получено с мелкозернистой структурой.

В закаливающихся и улучшаемых хромистых сталях с 15 — 18% Сr, например в стойкой против действия морской воды стали с 18% Сr и 0,5 — 2% Ni, можно добавкой 0,2% N2 заменить 2% Ni, добавляемого для сквозного улучшения.

Влияние азота как легирующего элемента хромистых сталей состоит, кроме воздействия на твердый раствор, также в извлечении хрома из основной массы вследствие образования нитридов хрома.

Азот расширяет γ-область и уменьшает критическую скорость охлаждения, поэтому его можно вводить в аустенитную сталь в качестве заменителя других ayстенито-образователей, например никеля. Так присадка азота к стали с 18% Сr и 8% Ni позволяет снизить содержание Ni примерно до 4%, если одновременно повысить содержание азота до 0,2 — 0,3%. Структура таких сплавов, как показано на рисунок 12, состоит почти полностью из аустенита. То же самое справедливо по отношению к введению азота в хромомарганцовистую или марганцовистую сталь и в соответствующие сплавы с хромом, марганцем и никелем.

5% Ni и 0,26°/о N2, закаленной в воде

Замечательной особенностью всех аустенитных сплавов с повышенным содержанием азота является повышение предела текучести, как это видно из таблицы 2. Увеличение предела текучести и предела прочности проявляется не только при комнатной температуре, но также и при повышенных температурах. Выделение нитридов в жаропрочных сталях и сплавах на основе никель — хром, кобальт — хром — никель и др. оказывается особенно ценным для области температур 700 — 800°C, так как при этом жаропрочность сплава повышается без существенного охрупчивания.

При применении сплавов с повышенным содержанием хрома для работы при высоких температурах в богатых азотом атмосферах или в чистом азоте высокого давления происходит поглощение азота поверхностным слоем. Такое поглощение азота при длительных выдержках может привести к настолько высокому содержанию его в поверхностном слое, что сталь станет хрупкой в результате образования волосных трещин (например, сталь с 18% Сr, 10% Ni и 2% Мо).

Большое химическое сродство азота к различным элементам, например алюминию, титану, цирконию и также ванадию, позволяет использовать частицы нитридов для измельчения структуры.

Азот улучшает сопротивляемость межкристаллитной коррозии коррозионно-стойких хромоникелевой и, особенно, хромомарганцовистой и ферритной хромистой сталей.

. Состав и механические свойства аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сталей с присадкой азота.

Подводя итог данным о применении азота в качестве легирующего элемента, в особенности в нержавеющих и жаростойких (окалиностойких) сталях, можно сказать следующее: в закаливающейся и улучшаемой хромистой стали примерно с 15 — 18% Сr азот повышает способность к улучшению и может в этом отношении заменить обычные присадки никеля в количестве 0,5 — 2%. В полуферритной и ферритной стали, содержащей свыше 18% Сr, азот приводит к образованию аустенита и к увеличению количества способной к превращению структурной составляющей, в связи с чем уменьшается склонность стали к грубозернистости. В аустенитных хромоникелевых и хромомарганцовистых сплавах азот повышает стабильность аустенита и частично может заменить никель; одновременно увеличиваются предел текучести и предел прочности, а также и механические свойства при нагревании. Азот совместно с другими легирующими элементами может измельчать зерно в литейных сплавах. Особенно заметным становится измельчение зерна под влиянием азота в сталях, чувствительных к перегреву.

Азот в стали, растворимость азота в железе, влияние азота на свойства стали, способы удаления азота из металла, легирование стали азотом

Резкое снижение растворимости азота при переходе стали из жидкого состояния в твердое и при полиморфных превращениях приводит к получению перенасыщенного азотом твердого раствора (раствора внедрения), из которого в процессе эксплуатации по границам зерен выделяются нитриды, повышающие твердость, увеличивающие хрупкость, снижающие пластичность и штампуемость («старение» металла). Азот ухудшает свариваемость стали. Высокое содержание азота (0,006-0,008%) недопустимо в стали для металлоконструкций, служащих при отрицательных температурах, в листовом металле для глубокой вытяжки, в котельных сталях и изделиях, работающих в повышенных температурах. В средне- и малоуглеродистых легированных сталях присутствие азота вызывает хрупкий (интеркристаллитный) излом. Интеркристаллитный излом связывают чаще всего с ослаблением границ зерен аустенита вследствие выделения лисперсных включений нитридов Fe4N и особенно AlN.

В жидкую сталь N поступает с шихтовыми материалами. Металлический лом, скрап, чугун содержат обычно 0,002 — 0,008 % N. Дополнительно N переходит в металл из печной атмосферы в области дуг при выплавке стали в дуговой электропечи. В зоне действия дуг молекулярныйNдиссоциирует на атомарный. Это интенсифицирует процесс насыщения стали N.РастворимостьN в стали по закону Сивертса: Выводы: 1.растворимостьN в Feα и Feδ увеличивается с увеличением температуры, а в Feγ снижается; снижение связано с уменьшением стойкости нитрида железа Fe4N;2.растворимость N при переходе из жидкого состояния в твердое и из одной фазы в другую изменяется скачкообразно

Максимальное количество нитридов алюминия выделяется при 800-1000 градусов. С выделением нитридов алюминия при этих температурах связывают пониженную пластичность и прочность корочки стали в зоне вторичного охлаждения при непрерывной разливке. Это приводит к возникновению внутренних трещин в заготовке. Для некоторых деформируемых сталей в присутствии нитридов алюминия наблюдается пониженная технологическая пластичность при температурах прокатки и ковки, что ведет к образованию внутренних и поверхностных разрывов и трещин. В связи с отрицательным влиянием азота для многих марок стали вводятся ограничения по содержанию этого элемента.

Растворимостью газа называется его количество, переходящее в раствор в металле при нормальном парциальном давлении газа. Предельная растворимость равна 0,46%.

По влиянию на растворимость азота в жидкой стали примеси металла можно разбить на две группы:

1) Нитридообразующие (ванадий, ниобий, лантан, церий, титан, алюминий). Эти элементы повышают растворимость азота в железе. Такие примеси, как хром, молибден, марганец, обычно нитридов не образуют, но они характеризуются большим сродством к азоту, чем к железу, поэтому тоже заметно увеличивают растворимость азота в железе.

2) Не образующие нитридов (углерод, никель, медь, фосфор) или образующие с азотом соединения менее прочные, чем с железом (кремний). Эти элементы заметно снижают растворимость азота в железе.

Получению металла с минимальным содержанием азота и водорода способствуют следующие мероприятия:

1) Использование чистых шихтовых материалов

2) Ведение плавки в атмосфере с минимальным содержанием водорода и азота

3) Организация по ходу плавки кипения ванны

4) Обработка металла вакуумом

5) Продувка металла инертными газами

6) Введение в металл нитридообразующих элементов

Имеются сорта стали (так называемые «азотистые») с карбонитридным упрочнением, в которых специально повышают концентрацию азота путем введения азотированных ферросплавов (феррохрома, ферромарганца, феррованадия) или продувки расплавленной стали газообразным азотом на агрегатах ковш-печь – рельсы повышенной износостойкости и контактной выносливости. Соотношение концентраций алюминия и азота (0,012% Al и 0,007% N) в электрохимической анизотропной стали позволяет при определенных температурах и условиях прокатки формировать в металле нитриды алюминия AlN, препятствующие росту зерна (нитридное ингибирование), и получать прокат с желаемой структурой и текстурой. Азот нашел широкое применение в машиностроении для азотирования поверхности деталей, работающих в условиях повышенного износа, а также для повышения их коррозионной стойкости.