7.5 Влияние водорода при выплавке и обработке стали

Ванна расплавленной стали может поглощать значительные коли­чества водорода, тем большие, чем выше парциальное давление водо­рода (ионизированного) над расплавом и чем ниже парциальное дав­ление других газов внутри ванны.

После расплавления в ванне всегда имеется некоторое количество водорода, который попадает из влаги печных газов, шихты и шлака. В период окисления водород может вместе с окисью углерода улетучиваться из ванны. Однако для этого требуется определенная скорость фришевания: в кислых мартеновских печах 0,3% С в час, в основных 0,5%.

Удаление водорода из ванны может быть достигнуто также продуванием других газов, например ар­гона или сухого воздуха. Продувка чистым кислородом во время фри­шевания в основной дуговой электропечи, как это в настоящее время часто делается, также приводит к существенному снижению содержания водорода.

8. Азот в стали

8.1 Общие сведения

Роль азота в промышленных железе и стали можно рассматривать с трех точек зрения:

1.Азот, неизбежно поглощаемый при плавке стали вследствие кон­такта жидкой ванны с воздухом, вызывает определенное изменение свойств, что проявляется в характерном различии между конвертерной сталью и сталью, изготовляемой на поду (мартеновская, электросталь).

2.Влияние азота как легирующего элемента сравнимо с влиянием углерода. Азот относится к тем элементам, которые расширяют -область и оказывают гораздо большее по сравнению с углеродом влияние в смысле стабилизации аустенита.

3.В связи с тем, что азот сравнительно легко и в большом количе­стве может диффундировать в железо и его сплавы, азотирование все более широко применяют для повыше­ния поверхностной твердости. Этот процесс имеет существенные преиму­щества по сравнению с цементацией. При цементации азот в ряде случаев может, хотя и в меньшей степени, диф­фундировать совместно с углеродом (цианирование).

8.2 Система железо - азот

В жидком состоянии при атмос­ферном давлении железо поглощает азот сравнительно слабо и, кроме то­го, поглощенный азот при затвердева­нии железа частично выделяется. Поэ­тому изучать систему железо — азот обычным путем на сплавах, выплавленных с различным содержанием послед­него, затруднительно; более успешно это было сделано путем использо­вания диффузии в твердом состоянии, в частности в исследованиях Фри, которые легли в основу построения первой диаграммы состояния.

Если длительно нагревать в струе аммиака не порошок, а компакт­ное железо, то на поверхности образуются ясно выраженные нитридные слои.

Если же после азотирования ведут медленное охлаждение, то в азо­тированной при 680°С поверхностной кромке ясно различаются две зоны, одна из которых соответствует составу Fe₂N, другая отвечает составу Fe₄N.

На рис. 23 представлена диаграмма состояния железо — азот, по­строенная по данным последних исследований. Фазы в системе железо – азот и их основные параметры приведены в таблице 7.

Процесс изотермического превраще­ния аустенита в сплавах железа с азотом аналогичен такому же процес­су в сплавах железа с углеродом однако пои всех температурах он идет медленнее, чем в сплавах с углеродом. Таким образом, азотистый аустенит существенно устойчивее по сравнению с углеродистым. Точный ход мартенситной линии в системе железо — азот еще не определен. Следует, однако, заметить, что при введении 0,6% N в эвтектоидные углеродистые стали мартенситная точка снижается с 205 до 150°С.

Наиболее известным структурным признаком содержащего азот железа являются иглы нитридов (рис. 22), в основном состоящие из '-фазы. Азот проникает преимущественно по границам зерен, на кото­рых наблюдаются скопления нитридов, в то время как внутри зерен на­блюдаются только мелкораспределенные иглы этой фазы.

Таблица 7 – Фазовые составляющие диаграммы состояния железо – азот и их основные параметры

Фазы	Структура	Периоды решетки, нм	Примечание
	ОЦК	=0,2860	Максимальная растворимость 0,1% N при 590°С
	ГЦК	=0,3571 При 1,46% N =0,3610 При 2,33% N =0,3646	Максимальная растворимость 2,80% N при 650°С
	ГЦК	=0,379	Максимальная ширина области гомогенности: от 5,30 до 5,75% N
	ГПУ	=0,2660-0,2764 =0,4344-0,4420	Очень широкая область гомогенности; 4,35-11,0% N
	Орторомбическая	=0,276 =0,483 =0,4425	Область гомогенности от 11,1% до 11,5% N при 450°С
	ОЦТ	=0,571 =0,629	Метастабильная фаза, наблюдаемая ниже 200°С при выделении азота из феррита и при отпуске азотистого мартенсита

Х1500 Х1000

Рис. 21. Иглы нитридов железа - электролитическое железо, азотированное 24ч в NH3 при 680°С

Рис. 22. Мягкая сталь с 0,025% N, выплавленная в электродуговой печи.

Рис. 23. Диаграмма состояния железо - азот

8.3 Сплавы железа с азотом

В присутствии азота в сплавах железа с углеродом происходит либо замещение атомов углерода атомами азота в цементите, либо внедрение атомов азота в его решетку рис. 24. Точка Кюри цементита при введении азота снижается, а разложение такого цементита начинается при бо­лее высокой температуре.

Рис. 24 Светло – желтые хорошо ограниченные участки структурной составляющей азотированного железа

Таким образом, азот повышает устойчи­вость карбида. В эвтектоидных углеродистых сталях в результате введения 0,6% азота латентный период промежуточного превращения значительно уве­личивается (почти в 1000 раз) и сам процесс превращения значительно замедляется. Дать точные указания о составе структурных составляю­щих в легированных, улучшаемых сталях еще труднее, чем в углеро­дистых.