Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства, страница 5

2. Азот в стали

2.1 Диффузия

Коэффициент диффузии азота в стали зависит от ее состава. Известно, что углерод, присутствующий в железе даже в небольших количествах, существенно понижает величину D_N. Имеются следующие данные для 550°С:

Эти значения, нуждающиеся в корректировке, качественно, вероятно, правильно отражают влияние углерода на диффузионную способность азота в стали.

В литературе отсутствуют достаточно надежные сведения, позволяющие количественно оценить влияние обычных компонентов стали на величину коэффициента диффузии азота в железе при повышенных температурах. Качественно оценить это влияние при низких температурах (до 100°С) можно, используя результаты многочисленных работ по внутреннему трению в сплавах железо - легирующий элемент - азот. Для чистого железа, содержащего растворенный азот, в присутствии кремния диффузионная способность азота понижается. Аналогичное действие оказывают ванадий и хром. В присутствии небольших количеств марганца (~ 0,2%) скорость диффузии азота в феррите (до 100°С) как будто не изменяется. В сплавах с 2,0% Мn диффузия азота облегчена.

2.2 Растворимость

Углерод понижает растворимость азота в железе. В области аустенитного состояния влияние углерода (до 0,8%) на растворимость азота возрастает с повышением температуры. В железоуглеродистых расплавах, отвечающих по составу Fe₃C (6,7%С), азот практически не растворяется.

До сих пор весьма малочисленны сведения о поведении азота в многокомпонентных сплавах и легированных сталях, что нередко приводит к тому, что при легировании их азотом задаваемые содержания последнего существенно превышают предел растворимости его в металлических сплавах. Это обстоятельство может послужить причиной получения слитков, пораженных газовыми пузырями, раковинами   и другими дефектами.

Упрочнение связи азота в металлическом расплаве при наличии нитридообразующих элементов приводит к повышению его концентрации в расплаве по сравнению с чистым жидким железом при одинаковых температуре и парциальном давлении азота в газовой фазе. В трехфазной системе газ - расплав - нитрид образование нитрида может происходить лишь в том случае, когда парциальное давление азота над расплавом превышает давление диссоциации нитрида.

Определение константы равновесия реакции  и соответствующих термодинамических функций связано со значением величин х и у. Нитриды алюминия и бора, например, не обнаруживают отклонений от стехиометрического состава, в то время как нитриды титана и ванадия характеризуются переменными значениями х и у. Знание коэффициентов активности нитридообразующих элементов позволяет вычислить изменение свободной энергии растворения этих элементов и изменение свободной энергии реакций взаимодействия их с растворенным в металле азотом. Величина коэффициента активности азота f_N в металлическом расплаве данного состава определяется с использованием параметров взаимодействия  по следующему уравнению:

Даже в таких процессах плавки, как вакуумный, плазменный, электрошлаковый и электронно-лучевой, степень удаления азота из переплавляемого металла значительно ниже, чем кислорода, водорода и серы.

Влияние элемента i на коэффициент активности, а, следовательно, и на его растворимость в бинарных расплавах выражается через параметр взаимодействия:

где  - коэффициент активности азота в расплаве; N_i - мольная доля  легирующего элемента.

Реальные стали и промышленные сплавы содержат легирующие элементы, которые оказывают существенное влияние на термодинамическое поведение азота. Присутствие нитридообразующих элементов значительно упрочняет силы связи с азотом и может привести к образованию нитридов в расплаве в виде самостоятельной фазы.

С точки зрения технологии производства все азотсодержащие стали подразделяются на два больших класса: стали с обычным содержанием азота, в которых концентрация азота не превышает уровня его растворимости в расплаве при атмосферном давлении и температуре плавки, и стали с повышенным содержанием азота.