Азот в стали. Влияние азота на свойства стали. Азот в стали в процессе ее производства, страница 3

Растворимость азота в жидких железе, никеле и кобальте при разных температурах и парциальном давление азота показана на рисунок 2.

Элементы, имеющие повышенное сродство к азоту (V, ,Nb, Cr, Мn, Мо, Та), повышают его растворимость в железе, а такие элементы, как С, Ni, Si, Co и Сu, понижают ее. Влияние легирующих элементов на растворимость азота в сплавах на основе железа показано на рисунок 3. По характеру влияния на растворимость азота элементы можно разделить на следующие группы:

1)  титан, цирконий, ванадий и другие, образующие с азотом прочные нитриды. С увеличением концентрации этих элементов растворимость азота в жидком железе возрастает;

2)  хром, марганец, молибден, характеризующиеся большим сродством к азоту, чем железу. При  = 98,066 кПа эти элементы в жидком железе  при концентрациях, встречающихся в стали, нитриды не образуют, однако заметно увеличивают растворимость азота в жидком  расплаве;

3)  углерод, фосфор, никель, медь, снижающие растворимость азота в сплавах с железом:

4)  кремний и алюминий, являющиеся нитридообразующими элементами. Первый снижает, а второй не изменяет растворимости   азота в железе.

Характер растворимости азота в некоторых элементах Периодической системы показан на рисунок 4.

1.4 Химическое взаимодействие

Азот растворяется в железе по типу внедрения. Общие закономерности взаимодействия азота с железом позволяют сделать вывод о катионной форме существования азота в железе, по-видимому, в виде иона N+. Геометрическое соответствие позволяет предполагать растворение азота в виде катионов с оставлением наружной сферической 2S²-оболочки. Расположение многозарядных N³+ катионов в междоузлиях приводит к поляризации и снижению эффективных зарядов. Явления электропереноса в большинстве случаев подтверждают положительный заряд азота в примесях внедрения.

С ростом концентрации примесных атомов увеличивается концентрация электронов в матрице сплава, а после достижения критической концентрации выделяется нитридная фаза, решетка которой отличается от решетки металла. Отсутствие непрерывного перехода от первичных растворов внедрения к химическому соединению, по-видимому, указывает на радикальное различие типов связи в обеих фазах. В чистом состоянии атомы неметаллов (азот, углерод, бор) имеют прочные ковалентные связи, и растворы металлов в них практически не образуются.

Азот с железом образует химические соединения Fe₂N, Fe₄N и Fe₁₆N₂ (Fe₈N) (рисунок 7). Высший нитрид железа Fe₂N (ξ-фаза) не является строго стехиометрическим соединением, и содержание азота в нем изменяется от 11,1 до 11,3%.

Чижевский получал нитрид Fe₂N, насыщая порошок чистого железа аммиаком при температуре около 450°С; примерно около 550°С в атмосфере чистого азота происходило его разложение. Джек указывает на быстрое распадение этого нитрида выше 450° С. Если длительно нагревать в струе аммиака не мелкодисперсный порошок, а массивные бруски электролитического железа, то на поверхности образуются ясно выраженные нитридные слои (рисунок 5).

Если же после азотирования ведут медленное охлаждение, то в азотированной при 680° поверхностной кромке ясно различаются две структурные зоны, одна из которых соответствует составу Fe₂N, другая отвечает составу Fe₄N. Характеризующая эти зоны микрофотография структуры показана на рисунок 6, где буквой а отмечен нитрид Fe₂N, а буквой б — нитрид Fe₄N.