La invención se refiere al campo de la metalurgia, en concreto a la aleación de aceros con nitrógeno. El método incluye fundir metal en una unidad de fabricación de acero, oxidar impurezas, refinar, desoxidar y alear, incl. nitrógeno en forma de ferrocromo nitrurado con un contenido de nitrógeno del 8-12%, una densidad de 4-6,5 g / cm 3 y un contenido de oxígeno no superior al 0,5%. El ferrocromo nitrurado se introduce en el horno 5-15 minutos antes de la producción de acero en una cantidad de 0,1-5 kg / t. EFECTO: el uso de la invención permite obtener la concentración requerida de nitrógeno en el acero con un consumo mínimo de ferroaleaciones nitrogenadas sin la introducción adicional de aluminio y titanio en la masa fundida. 3 C.p. f-ly, 1 pestaña.
La invención se refiere a la metalurgia, en particular a la producción de aceros y aleaciones que contienen nitrógeno, y específicamente se refiere a un método para fundir acero aleado con nitrógeno.
El nitrógeno, con su amplia disponibilidad y bajo costo, es un fuerte elemento formador de austenita y se utiliza eficazmente en la producción de aceros aleados económicamente para diversos fines. Los aceros endurecidos con nitruro de baja aleación suelen contener de 0,010 a 0,040% de nitrógeno, mientras que los metales de alta aleación pueden contener más del 1% de nitrógeno.
Para el dopado con nitrógeno, se puede utilizar cualquier material que contenga nitrógeno en cantidad suficiente y que pueda disolverse en el metal líquido. En vista del bajo coste y la simplicidad, se conocen métodos de aleación con nitrógeno basados en soplar la masa fundida con gas nitrógeno.
Por ejemplo, en la patente del Reino Unido GB1282161 "Un método para fabricar un acero con alto contenido de nitrógeno", publicada el 03.07.1969, se propone durante el tratamiento fuera del horno inyectar nitrógeno en el metal a través de tapones porosos instalados en el fondo de el cucharón.
Este método permite de 5 a 8 minutos de soplado para aumentar el contenido de nitrógeno en el acero en un 0,001-0,002%, sin embargo, no permite lograr una asimilación estable de nitrógeno y requiere costos de energía adicionales para mantener la temperatura requerida en la cuchara durante el soplado prolongado.
En el método conocido para fundir acero que contiene nitrógeno (certificado de autor de la URSS No. 2818485 / 22-02), el metal se satura con nitrógeno durante el refinado oxidativo en un horno soplando una mezcla de nitrógeno y oxígeno con una concentración de nitrógeno de hasta 10 -30% durante 10 minutos. Como resultado, la masa fundida contiene 0,015% -0,017% de nitrógeno y el grado de asimilación es 0,6-0,7%. Las desventajas de esta tecnología son la baja productividad y el uso ineficaz de nitrógeno gaseoso. Además, con la inyección conjunta de nitrógeno y oxígeno en el metal líquido, los óxidos de nitrógeno N x O y se liberan inevitablemente a la atmósfera, lo que tiene un impacto negativo en el medio ambiente y la salud humana.
Los métodos (Certificado de inventor de la URSS 367156, Certificado de inventor de la URSS 899664) que utilizan diversos productos químicos, como nitrato de amonio, cianamida de calcio, etc., no han encontrado una amplia aplicación en la producción de aceros que contienen nitrógeno. .
En la actualidad, los métodos más extendidos de fundición de aceros nitrurados con el uso de ferroaleaciones que contienen nitrógeno. En el método conocido (certificado de autor de la URSS 1047965), se utiliza ferrocromo nitrurado fundido con un contenido de nitrógeno del 1-2% para la aleación con nitrógeno. La aplicación de este método permite mejorar la calidad de las piezas fundidas y reducir los rechazos de piezas fundidas. Sin embargo, esto se logra debido a la introducción de costosos metales de tierras raras en el acero y un mayor consumo de una aleación que contiene nitrógeno: 10 kg / t.
El más cercano en esencia técnica es un método para la producción de acero en matriz (certificado de autor de la URSS 1261964), que incluye fusión de la carga, oxidación de impurezas, refinado por difusión, desoxidación en cuchara con aluminio y / o silicocalcio, aleación en un horno con ferrocromo nitrurado fundido con un contenido de nitrógeno del 1-2% c, la introducción de ferrovanadio en el metal y la modificación del acero con ferrotitanio. El método prototipo permite saturar la masa fundida con nitrógeno hasta 0.024% con el consumo de aleación nitrurada 5-10 kg / t. Debido a la asimilación casi completa de nitrógeno de la ferroaleación fundida, es posible predecir con alta precisión la concentración de nitrógeno resultante en el acero. Sin embargo, se consigue un alto grado de asimilación en este método sujeto a la introducción de una cantidad significativa de elementos formadores de nitruros: aluminio, vanadio y titanio. Con esta tecnología, el acero se contamina inevitablemente con una gran cantidad de grandes inclusiones no metálicas en forma de nitruros de aluminio y nitruros de titanio, que empeoran el efecto de endurecimiento del nitruro de vanadio y provocan una disminución de sus propiedades mecánicas.
La experiencia en la producción de aceros aleados con nitrógeno muestra que para los mejores parámetros tecnológicos, el consumo de aditivos que contienen nitrógeno debe ser mínimo. Sin embargo, esto no se consigue en el método del prototipo, ya que se utiliza una ferroaleación nitrurada con baja concentración de nitrógeno: 1-2%.
Así, la invención propuesta resuelve el problema de una tecnología eficaz para alear acero con nitrógeno con la capacidad de obtener la concentración de nitrógeno requerida con un consumo mínimo de ferroaleaciones que contienen nitrógeno sin la introducción adicional de aluminio y titanio en la masa fundida.
El problema se resuelve por el hecho de que en el método conocido, que incluye fundir la carga en una unidad de fabricación de acero, oxidar las impurezas, refinar y alear con una aleación que contiene nitrógeno, ferrocromo nitrurado con un contenido de nitrógeno del 8-12% y que no contiene más de 0,5% se utiliza como oxígeno aditivo que contiene nitrógeno.
Resolver el problema mediante el uso directo en el método del prototipo de una aleación que contiene nitrógeno con un mayor contenido de nitrógeno no dio resultados. Debido al alto contenido de oxígeno en las ferroaleaciones fundidas que contienen nitrógeno, el metal hirvió intensamente y se eliminó una cantidad significativa de nitrógeno del acero a la fase gaseosa.
Las investigaciones de las leyes que gobiernan la disolución del nitrógeno en el acero utilizando varias ferroaleaciones que contienen nitrógeno han dado lugar a un resultado muy inesperado. Resultó que cuando se usa una ferroaleación nitrurada con una alta concentración de nitrógeno para excluir la formación de burbujas (nitrógeno molecular) y asegurar un alto grado de asimilación de nitrógeno por parte del metal, su composición debe contener un contenido mínimo de oxígeno. Este enfoque hizo posible reducir significativamente el consumo de aditivos que contienen nitrógeno y rechazar la adición adicional de aluminio y titanio al acero. Otro punto positivo fue que una disminución en la porción de ferroaleaciones que contienen nitrógeno introducidas permitió reducir la duración de la aleación del acero y reducir el consumo de desoxidantes.
Se sabe que durante la aleación de nitrógeno, el compuesto que contiene nitrógeno introducido en la masa fundida se disocia y el nitrógeno liberado se distribuye en el volumen del baño líquido. Sin embargo, cuando se introduce una gran parte de nitrógeno en el metal o en el caso de un cambio en la solubilidad del nitrógeno en el acero, existe el riesgo de que se formen grandes burbujas, nitrógeno molecular, que flotan rápidamente hacia la superficie. Como resultado, se pierde una parte importante de nitrógeno y su distribución en el volumen del metal resulta ser desigual.
Por lo tanto, no es nada obvio que cuando se usa una ferroaleación con alto contenido de nitrógeno, el grado de asimilación de nitrógeno por parte del metal no será menor que en el caso de usar un material de aleación con bajo contenido de nitrógeno.
Como resultado de numerosos experimentos sobre el estudio de la asimilación de nitrógeno en el metal, fue posible resolver el problema planteado en la invención. El problema se resuelve mediante:
Selección de la composición de la ferroaleación nitrurada;
Selección del tamaño óptimo de los grumos de la ferroaleación nitrurada introducida;
Selección de condiciones óptimas para la introducción de ferroaleaciones nitruradas.
Como ferroaleación que contiene nitrógeno en la presente invención, se usa ferrocromo nitrurado. Los nitruros de cromo CrN y Cr 2 N, que forman parte de este material, son compuestos químicos estables y se disocian a la temperatura óptima: 1100-1600 ° C. Los estudios realizados han demostrado que, a diferencia de otras ligaduras, la disolución del ferrocromo nitrurado en el metal fundido se produce de forma gradual y el nitrógeno entrante se distribuye uniformemente en el volumen del baño líquido. Además, un aspecto positivo es que esta ferroaleación es la más versátil para la fundición de la mayoría de los grados de aceros que contienen nitrógeno, ya que el cromo es un elemento de aleación eficaz que aumenta la solubilidad del nitrógeno en el acero.
El principal factor que afecta la asimilación de nitrógeno en el acero es el contenido de oxígeno en el metal, por lo que en la invención propuesta se lleva a cabo una desoxidación profunda del acero antes de la aleación de nitrógeno. Al mismo tiempo, las propias ferroaleaciones que contienen nitrógeno pueden introducir una cantidad suficiente de oxígeno en la masa fundida. Los estudios han demostrado que el contenido de oxígeno en las ligaduras que contienen nitrógeno puede alcanzar el 5%. Esto se debe a la larga duración de la saturación de nitrógeno en fase líquida de las ferroaleaciones en los hornos eléctricos. Dado que el equipo utilizado no proporciona suficiente estanqueidad, en 4-16 horas de procesamiento, el material resultante se oxida fuertemente. En ferroaleaciones de nitruración en fase sólida, también es posible un alto contenido de oxígeno, ya que en la tecnología de producción, se utilizan polvos finos, que se oxidan en gran medida con más fuerza, y también tienden a adsorber la humedad durante el almacenamiento abierto (Gasik M.I., Ignatiev BC, Kablukovsky A.F. y otros. Gases e impurezas en ferroaleaciones. - M.: Metalurgia, 1970 .-- 152 p.).
Para introducir una cantidad mínima de oxígeno en el metal, el método propuesto utiliza ferrocromo nitrurado, que es menos propenso a la oxidación. Los estudios han demostrado que el contenido límite de oxígeno en este material es del 0,5%. Cuando se supera este indicador, la presión parcial en las burbujas de nitrógeno aumenta significativamente y contribuye a su rápido ascenso a la superficie. Por tanto, el metal "hierve" y se reduce el grado de uso eficiente del nitrógeno de la ferroaleación.
Se sabe que varios elementos, como manganeso, cromo, molibdeno, vanadio, etc., disueltos en hierro, aumentan la solubilidad del nitrógeno en él. Por lo tanto, su contenido antes de la aleación de nitrógeno debe ser máximo dentro de los límites de las regulaciones de la marca. Partiendo de esto, es aconsejable introducir ferrocromo nitrurado en el horno en el período de fusión final, después del refinado, descarburación, desoxidación profunda y la introducción de aditivos de aleación que aumentan la solubilidad del nitrógeno. Con base en los resultados de los calores experimentales, se determinó que es más efectivo introducir ferrocromo nitrurado de 5 a 15 minutos antes de golpear el metal. Mantener la masa fundida en el horno durante más de 15 minutos conduce a su sobreoxidación, y menos de 5 minutos no asegura la disolución completa de la aleación que contiene nitrógeno.
Los estudios han demostrado que para lograr los mejores resultados, es recomendable utilizar una aleación que contenga nitrógeno con una densidad óptima en el rango de 4.5-6.5 g / cm 3. A baja densidad de la aleación maestra, menos de 4.5 g / cm 3, su disolución ocurre en la superficie del metal, como resultado de lo cual una parte significativa del nitrógeno pasa a la escoria y no es asimilado por la masa fundida. Cuando se utiliza una aleación con una densidad alta de más de 6,5 g / cm 3, el tiempo de fusión aumenta debido a la ralentización de su disolución en el metal.
El grado de asimilación de nitrógeno está influenciado por su tasa de ingesta de ferroaleaciones nitruradas. Los estudios realizados revelaron la dependencia de la tasa de desprendimiento de nitrógeno de la aleación de su tamaño. Cuando se utilizan piezas de menos de 20 mm de tamaño, la intensidad del desprendimiento de nitrógeno es alta y hay una sobresaturación local del metal con nitrógeno en el punto de introducción de la aleación maestra. Como resultado, el grado de absorción de nitrógeno disminuye. Al mismo tiempo, las piezas de ferrocromo nitrurado de más de 99 mm no se disuelven en el metal durante mucho tiempo. Por lo tanto, como muestran las masas fundidas experimentales, el tamaño óptimo de las piezas de ferroaleación nitrurada está en el rango de 20 a 99 mm.
Para obtener una concentración de nitrógeno en el acero dentro de un rango estrecho de ± 0,001%, a veces es necesario ajustar su composición. Es recomendable realizar esta operación tecnológica introduciendo una ferroaleación nitrurada en la cuchara, ya que durante el refinamiento de la masa fundida en el horno a una temperatura predeterminada, así como durante el roscado del acero, existe la posibilidad de saturación adicional del metal. con nitrógeno de la atmósfera. Durante los calores experimentales, se determinó el consumo máximo del aditivo corrector: 0,5 kg. Para disolver una mayor cantidad de aleación que contiene nitrógeno, se requiere un calentamiento adicional del metal en la cuchara, lo que requiere un consumo de energía significativo. La introducción de una aleación maestra que contiene nitrógeno en una cantidad inferior a 0,1 kg / t no proporciona la corrección necesaria para el contenido de nitrógeno en el acero.
Al fundir acero que contiene nitrógeno, incluso sin el uso de aluminio y titanio en la tecnología, existe el riesgo de que se contamine con grandes inclusiones no metálicas de oxinitruro y carbonitruro. La presencia de tales impurezas en la estructura del acero es la razón de la disminución de sus propiedades mecánicas. Al mismo tiempo, cuando los nitruros de vanadio finamente dispersos, que desempeñan el papel de centros de cristalización adicionales, se precipitan en el volumen del metal, el tamaño de grano disminuye significativamente. Como resultado, aumentan los indicadores de las propiedades mecánicas del acero. Por lo tanto, para una distribución uniforme en el volumen de un baño líquido de nitrógeno, vanadio y otras sustancias de aleación, así como para la eliminación de inclusiones no metálicas, en algunos casos, es aconsejable tratar el acero con un gas inerte (argón y / o nitrógeno) en una cuchara. Los estudios han demostrado que la duración óptima del soplado de acero con un gas inerte con un caudal de 0,5-1 m 3 / t es de 3-5 minutos. La purga durante menos de tres minutos no proporciona un grado suficiente de eliminación de inclusiones no metálicas y durante más de 5 minutos se produce una oxidación no deseada y un subenfriamiento de la masa fundida.
Usando el ejemplo de obtención de acero estructural que contiene nitrógeno grado 35X2AF, consideremos con más detalle el método propuesto para fundir acero aleado con nitrógeno. De acuerdo con las especificaciones técnicas, el contenido de nitrógeno y otros elementos de aleación debe estar dentro de los siguientes rangos: 0.030-0.035% N, 0.32-0.37% C, 0.22-0.37% Si, 0.15-0.30% Mn, 1.4-1.8% Cr, 0.12-0.018% V, el resto es hierro e impurezas inevitables.
El acero se fundió en un horno de acero de arco con capacidad de 80 Tn. Después de refinar y desoxidar la masa fundida, se realizó una aleación preliminar con cromo hasta su contenido = 1,4% y aleación con vanadio hasta su contenido [V] = 0,16. Luego, se introdujo al horno ferrocromo nitrurado en una cantidad de 2 kg / t en forma de terrones, de 50-150 mm de tamaño, con una densidad de 4,2 g / cm 3 y con un contenido de nitrógeno y oxígeno, respectivamente: 11,8 % y 0,20%. Este consumo de ferroaleaciones que contienen nitrógeno aseguró un aumento en la concentración de nitrógeno en el acero fundido de 0.010% N a 0.032% N. Después de mantener el metal en el horno durante 5 minutos y calentarlo a una temperatura predeterminada, se introdujo el acero en la cuchara. Por lo tanto, el método propuesto para fundir acero estructural, aleado con nitrógeno, le permite obtener un contenido de nitrógeno de marca. Al mismo tiempo, en comparación con el método del prototipo, el consumo del material de aleación se redujo 5 veces y, para la asimilación estable de nitrógeno, no fue necesario introducir aluminio y titanio.
Además, utilizando el método propuesto, se llevó a cabo la fusión de acero para rieles E83F, acero para matrices 5KhNMAF y acero austenítico 8Kh20G6AN6F. Los resultados de los calores experimentales en comparación con el método existente se presentan en la tabla.
AFIRMAR
1. Un método para fundir acero que contiene nitrógeno, que incluye fundir una carga en un horno de fabricación de acero, oxidar las impurezas, refinar, desoxidar y alear con nitrógeno en forma de una aleación nitrurada, caracterizado porque el ferrocromo nitrurado se utiliza como nitrurado. Aleación con un contenido de nitrógeno del 8-12%, una densidad de 4-6,5 g / cm 3 y con un contenido de oxígeno de no más del 0,5%, que se introduce en el horno 5-15 minutos antes de su liberación en una cantidad de 0,1 -5 kg / t.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el ferrocromo nitrurado se utiliza en forma de grumos de 20-99 mm de tamaño.
3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la composición del acero se ajusta introduciendo adicionalmente ferrocromo nitrurado en la cuchara en una cantidad de 0,1-0,5 kg / t.
4. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el soplado homogéneo del metal en la cuchara con argón y / o nitrógeno se realiza durante 3-5 minutos con un consumo específico de gas de 0,5-1 m 3 / t.
El efecto nocivo del nitrógeno (N) radica en el hecho de que las inclusiones no metálicas bastante grandes y frágiles (nitruros) formadas por él empeoran las propiedades del acero. Una propiedad positiva del nitrógeno es que puede expandir la región austenítica del diagrama de fase de los aceros. El nitrógeno estabiliza la estructura austenítica y reemplaza parcialmente al níquel en los aceros austeníticos. Los elementos formadores de nitruros vanadio, niobio y titanio se añaden a los aceros de baja aleación. Cuando se controla el trabajo en caliente y el enfriamiento, forman finos nitruros y carbonitruros, que aumentan significativamente la resistencia del acero.
Cr: mejora las propiedades mecánicas, aumenta la resistencia al calor, la resistencia al calor, la resistencia a la corrosión, la dureza.
Ni resistencia al frío, aumenta la plasticidad y tenacidad, resistencia eléctrica
Manganeso: aumenta el límite elástico.
Si- (hasta 2%) aumenta el límite elástico
Tungsteno y molibdeno: aumentan la dureza y la resistencia.
23. Características de las principales clases estructurales de aceros. Las principales formas de mejorar la calidad del acero.
Clase estructural:
Ferrítico El Fe2O3 (estructura de ferrita) se forma con un bajo contenido de carbono y una gran cantidad de un elemento de aleación. Elementos formadores de ferrita Cr, Si, Mo, V, W, Zr. es una solución sólida de la introducción de carbono alfa hierro
Usado para detalles irrelevantes
Perlita(estructura de perlita) - mezcla mecánica de placas de ferrita y cementita
Austenítico(estructura de austenita) es una solución sólida de la introducción de hierro gamma de carbono
Martensítico(estructura de martensita) - observado en aleaciones endurecidas, solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa
Carburo o ledeburita(la estructura consta de varios carburos de Me) - una mezcla eutéctica de austenita y cementita, en el rango 727-1147s
La calidad del metal se puede mejorar reduciendo las impurezas, los gases y las inclusiones no metálicas nocivos en él. Para mejorar la calidad del metal, se utiliza el procesamiento con escoria sintética, la desgasificación al vacío del metal, la refundición por electroescoria, la refundición por arco al vacío, la refundición del metal en hornos de arco electrónico y de plasma.
La desgasificación al vacío se realiza para reducir el contenido de gases en el metal debido a una disminución de su solubilidad en acero líquido a presión reducida e inclusiones no metálicas.
24. Refusión de electroescoria y refusión por arco al vacío
Refusión de electroescoria (ESR) utilizado para la fundición de aceros para rodamientos de alta calidad, aceros resistentes al calor. El metal fundido en un horno de arco y enrollado en una barra se somete a refusión. La fuente de calor es un baño de escoria calentado por corriente eléctrica. Se suministra corriente eléctrica al electrodo refundido 1 sumergido en un baño de escoria 2 , y al palet 9 instalado en un cristalizador ligeramente cónico refrigerado por agua 7 en el que se encuentra la semilla 8 ... El calor generado calienta el baño. 2 hasta temperaturas superiores a 1700 ºC y hace que la punta del electrodo se derrita. Gotas de metal líquido 3 pasar a través de la escoria y formar un baño de metal debajo de la capa de escoria 4 ... La transferencia de gotitas de metal a través de la escoria principal ayuda a eliminar el azufre, las inclusiones no metálicas y los gases del metal. El baño de metal se rellena fundiendo el electrodo y, bajo la influencia del molde, se forma gradualmente en el lingote 6. A medida que se forma el lingote, se baja la bandeja o se levanta el electrodo. El contenido de oxígeno disminuye 1.5 ... 2 veces, azufre - 2 ... 3 veces. El lingote se distingue por su densidad, uniformidad, buena calidad superficial, altas propiedades mecánicas y operativas. Los lingotes están hechos de secciones redondas, cuadradas y rectangulares con una masa de hasta 110 toneladas.
Refusión por arco al vacío (VAR) utilizado para eliminar gases e inclusiones no metálicas del metal.
El proceso se realiza en hornos de arco al vacío con electrodo consumible. El cátodo se fabrica mecanizando un lingote fundido en hornos eléctricos o instalaciones ESR.
Electrodo consumible 3 fijado en una varilla refrigerada por agua 2 y se coloca en el cuerpo del horno 1 y luego en un molde de cobre enfriado por agua 6 ... El aire se evacua del cuerpo del horno a una presión residual de 0,00133 kPa. Cuando se aplica voltaje entre el electrodo consumible 3 (cátodo) y semilla 8 (ánodo) se produce un arco. El calor generado derrite el extremo del electrodo. Gotas de metal líquido 4 pasando por la zona de descarga del arco, se desgasifican, llenan el molde y solidifican, formando un lingote 7 ... El arco se quema entre el electrodo y el metal líquido. 5 en la parte superior del lingote durante toda la masa fundida. El enfriamiento del lingote y el calentamiento del metal líquido crean las condiciones para la solidificación direccional del lingote. En consecuencia, las inclusiones no metálicas se concentran en la parte superior del lingote y la cavidad de contracción es pequeña. El lingote se caracteriza por una alta uniformidad de composición química y propiedades mecánicas mejoradas. Se utiliza para la fabricación de piezas para turbinas, motores, estructuras de aeronaves. El peso de los lingotes alcanza las 50 toneladas.
Nitrógeno atómico y se disuelve y forma compuestos químicos en acero.
Mayor solubilidad poseer nitrógeno disociado.
Formado compuestos químicos - nitruros... En los aceros, el nitrógeno forma nitruros tanto con el hierro como con la mayoría de las impurezas.
Con el hierro, el nitrógeno da dos tipos de nitruros (compuestos químicos): Fe 4 N contiene 5,88% N 2, Fe 2 N - 11,1% N 2. Los nitruros iónicos se obtienen por la interacción de metales con nitrógeno a temperaturas de 700-1200 ° C. Los nitruros se forman en plasma en arco., plasmatrones de alta y ultra alta frecuencia. En el último caso, los nitruros se forman como polvos ultrafinos con un tamaño de partícula de 10-100 nm.
El nitrógeno también forma nitruros con elementos de aleación de acero. suelen ser mucho más persistentes que los nitruros de hierro. Particularmente resistentes a las altas temperaturas son nitruros de silicio y titanio.
Para la soldadura, el Fe 4 N es de mayor importancia. Ultrafino refractario nitruros con un tamaño de partícula de 10-100 nm congelarse en el baño de soldadura más rápido que el hierro, por lo tanto, a una mayor velocidad de enfriamiento del metal, es posible que los nitruros de hierro no tengan tiempo para desprenderse de la solución de ά-Fe, y este último estará sobresaturado nitrógeno.
El calentamiento de la soldadura introduce desviaciones del estado de equilibrio de solubilidad del N en Fe. La cantidad total de nitrógeno disuelto en el metal debido al calentamiento del metal puede ser aumentado.
La solubilidad del nitrógeno en el hierro depende en gran medida de la temperatura.(figura 113). A medida que aumenta la temperatura, la solubilidad del nitrógeno aumenta, sufriendo cambios bruscos en los momentos de transformaciones polimórficas del hierro y durante su transición de un estado sólido a un líquido. Los cambios discontinuos en la solubilidad conducen a la formación de burbujas de gas..
Investigar el proceso de saturación del metal con nitrógeno mostró que posible tales caminos de su curso:
1) nitrógeno disociado directamente se disuelve en gotitas de metal líquido... Tras el subsiguiente enfriamiento del metal a las temperaturas adecuadas se forman nitruros de hierro;
2) nitrógeno disociado se forma a altas temperaturas nitruros persistentes, cuales, disolviéndose en gotitas de metal líquido, saturarlo con nitrógeno.
3) formas de nitrógeno disociadas en la zona de alta temperatura óxido nítrico NO, que se disuelve en gotitas. A temperaturas del metal por debajo de 1000 ° C, el óxido nítrico precipita de la solución sólida y se disocia; en este caso, el nitrógeno atómico forma nitruros de hierro y el oxígeno forma óxidos.
Entonces: durante la soldadura, el nitrógeno se disuelve simultáneamente en el metal y forma compuestos químicos (nitruros de hierro) y finalmente satura el hierro con nitrógeno y sus compuestos químicos.
Al estar en un metal en un estado u otro, el nitrógeno tiene un efecto muy fuerte sobre sus propiedades. De la fig. 114 muestra que con un aumento en el contenido de nitrógeno aumenta la resistencia última y el límite elástico del metal.
Al mismo tiempo Las propiedades plásticas disminuyen y, especialmente, la resistencia al impacto del acero.... Junto con esto, hay una tendencia a que el metal envejezca, la tendencia a la fragilidad en frío y la fragilidad azul aumenta, la capacidad de templar aumenta y disminuye.
permeabilidad magnética, aumenta la resistencia eléctrica del metal.
Por tanto, en el caso general, el nitrógeno es una impureza indeseable en el metal de soldadura, especialmente cuando se aplica una carga dinámica a dicho metal.
pero en las condiciones de soldadura de aceros de alta aleación de la clase austenítica, el nitrógeno aumenta la estabilidad de la austenita y actúa como una adición de aleación capaz de reemplazar una cierta cantidad de níquel.
4.1. Oxígeno en acero
4.2. Hidrógeno en acero
4. 3. Nitrógeno en acero
4.4. Inclusiones no metálicas
Cualquier acero contiene gases en algunas cantidades: oxígeno, hidrógeno, nitrógeno. Los gases están contenidos en metales en forma de burbujas de gas, compuestos (óxidos, hidruros, nitruros) y soluciones líquidas o sólidas, es decir. en forma de átomos o iones distribuidos entre los átomos e iones del metal líquido o incrustados en la red cristalina del metal. Los gases (incluso con su contenido en centésimas y milésimas de porcentaje) tienen un efecto significativo en las propiedades del metal, por lo que siempre se presta especial atención a la eliminación de gases del metal.
La solubilidad de los gases en el acero depende en gran medida de la temperatura (Fig. 4.1).
Arroz. 4.1. Cambio en la solubilidad del oxígeno (a), hidrógeno en acero (6) y nitrógeno (en)
4.1. Oxígeno en acero
Atmósfera de las plantas siderúrgicas - oxidativo... En este caso, siempre pasa una cierta cantidad de oxígeno de la fase gaseosa al metal. Los materiales complementarios que contienen óxidos de hierro (por ejemplo, óxido en la superficie de la chatarra) también pueden ser una fuente de oxígeno.
La solubilidad del oxígeno en el hierro debajo de la escoria aumenta al aumentar la temperatura. Pero si el metal contiene impurezas, cuya afinidad por el oxígeno es mayor que la del hierro, entonces se produce la oxidación de estas impurezas y la concentración de oxígeno en el metal disminuye. Si estas impurezas se introducen en el baño específicamente para reducir el contenido de oxígeno, se denominan desoxidantes. Como tales elementos desoxidantes, se utilizan manganeso, silicio, aluminio, calcio, elementos de tierras raras .
El carbono también es un desoxidante (Fig. 4.2). El oxígeno disuelto en el metal reacciona con el carbono y, como resultado de la reacción, el metal hierve. 
Si se reduce la presión (por ejemplo, al colocar un cucharón con metal líquido en una cámara de vacío), entonces el equilibrio de esta reacción se desplazará hacia la derecha, el metal que contiene carbono hervirá y el contenido de oxígeno disminuirá.
Arroz. 4.2. Efecto del carbono sobre el contenido de oxígeno disuelto en el acero:
I - curva de equilibrio [C] [O]; ІІ - rango de concentración realmente observado durante la ebullición del metal
4.2. Hidrógeno en acero
La atmósfera de casi cualquier unidad de fabricación de acero contiene cierta cantidad de hidrógeno o vapor de H 2 O. Puede entrar algo de humedad junto con la carga y materiales adicionales. Desde la atmósfera de la unidad, el hidrógeno pasa al metal por la reacción
La solubilidad del hidrógeno en un metal sólido para diferentes modificaciones del hierro es diferente (Fig. 4.1, B). Un cambio abrupto en la solubilidad durante la transición de un metal de un estado alotrópico a otro causa una liberación intensiva de hidrógeno, la continuidad del metal se interrumpe, tales defectos se forman, por ejemplo, como flockens (burbujas de gas de un especial forma). El hidrógeno que queda en la solución sólida distorsiona la red cristalina del metal, como resultado de lo cual aumenta su fragilidad, disminuye su ductilidad y se deteriora la calidad del metal. Para reducir el contenido de hidrógeno en el metal y debilitar su efecto nocivo sobre la calidad, se utilizan los siguientes métodos:
Procesamiento de metales al vacío . Cuando se coloca un metal en una cámara de vacío, la presión de hidrógeno en la fase gaseosa disminuye y comienza a eliminarse del metal. El vacío es un medio muy eficaz para reducir el contenido de hidrógeno de un metal.
Organización del baño de ebullición. El monóxido de carbono se forma en el curso de las reacciones de oxidación del carbono. Las burbujas de CO que pasan a través del baño crean un efecto de ebullición. La presión parcial del hidrógeno en una burbuja, que consiste en CO, es igual a cero, por lo tanto, las burbujas de CO en relación con el hidrógeno (y también con el nitrógeno) son como pequeñas cámaras de vacío, y estos gases dejan el metal en burbujas de CO y salen del baño junto con él. Por lo tanto, durante la ebullición, el metal se limpia de los gases disueltos en él.
Purga con gases inertes. Al purgar el metal con gases inertes (generalmente para este propósito, se usa el gas inerte más barato y accesible, el argón), la presión parcial de hidrógeno en las burbujas es cero, por lo que purifican el metal del hidrógeno. Simultáneamente con la remoción de gases, la purga con argón asegura la mezcla del metal, igualación de su composición, temperatura, etc.
Exposición de megalito cristalizado a temperaturas elevadas . Las dimensiones de los átomos de hidrógeno son muy pequeñas, se difunden libremente a través de la red cristalina del acero cristalizado, especialmente a temperaturas elevadas. A partir de muestras de sección transversal relativamente pequeña, enfriadas lentamente en un horno o al aire, el hidrógeno disuelto a altas temperaturas se elimina casi por completo. Se acepta que el contenido de hidrógeno en el metal se expresa en centímetros cúbicos por 100 g de masa de muestra. Habitualmente, el contenido de hidrógeno en el acero líquido, según el método de funcionamiento, oscila entre 4 y 10 cm 3 por 100 g de metal. Cuanto mayor sea la masa del producto, más difícil será organizar la eliminación de hidrógeno del metal solidificado. Por lo tanto, todos los lingotes de metal de alta calidad (o palanquillas de ellos) se mantienen durante mucho tiempo a temperaturas relativamente altas, para las cuales hay tramos especiales en las tiendas. Para lingotes muy grandes (30 toneladas), este método ya no da el efecto deseado y dichos lingotes se cuelan al vacío.
Aditivos de elementos formadores de hidruros. Algunos metales (por ejemplo, las tierras raras) son capaces de interactuar con el hidrógeno, formando hidruros. Cuando estos elementos se introducen en el metal, disminuye el desarrollo de defectos como flóculos.
Superposición de un campo eléctrico. El hidrógeno disuelto en un metal líquido se encuentra en forma de catión en la escoria, en la forma 
Cuando se aplica un campo eléctrico suficientemente fuerte, se libera hidrógeno atómico en el cátodo. 
cuyos átomos se asocian en moléculas 
Los vapores se liberan de la escoria en el ánodo 
y En condiciones industriales, este método de eliminación de hidrógeno no ha encontrado aplicación.
El nitrógeno es uno de los elementos más comunes: su contenido en la atmósfera inferior es del 78,11% y en la corteza terrestre, del 0,04%. En condiciones normales (T = 20 ° C y P = 1 atm) el nitrógeno es un gas 2-atómico. Número atómico - 7, peso atómico - 14.008, densidad molecular del nitrógeno - 1.649 × 10-3 g / cm3. El punto de fusión es 209,9 ° C y el punto de ebullición es 195,7 ° C.
A lo largo del siglo XX se han realizado investigaciones sobre la interacción del nitrógeno con el acero. Fueron iniciados por N.P. Chizhevsky e I.I. Zhukov. Sin embargo, recién después de los años 40 se empezó a plantearse la posibilidad de utilizar nitrógeno como elemento de aleación. Se ha prestado mucha atención a la influencia del nitrógeno en las propiedades de los aceros, su solubilidad y comportamiento en el metal, tanto en nuestro país como en el exterior. Actualmente, la industria utiliza más de 200 grados de acero aleado con nitrógeno.
Los aceros aleados con nitrógeno se suelen dividir en dos categorías:
Los primeros se obtienen en condiciones de fusión y cristalización a presión atmosférica de nitrógeno. El segundo es el aumento de la presión de nitrógeno, que permite conservar un mayor contenido de nitrógeno en el metal que en la fundición abierta.
En los últimos años, se han observado aceros prometedores con diferentes niveles de aleación de nitrógeno para una variedad de aplicaciones. [ 10] :
Aceros de endurecimiento por dispersión aleados con vanadio, niobio y titanio;
Aceros austeníticos de alta resistencia a la corrosión;
Acero con estructura de ferrita nitrogenada y martensita.
La aleación con nitrógeno de los aceros endurecidos por precipitación conduce a la formación de nitruros finamente dispersos a lo largo de los límites de los granos, lo que impide su crecimiento y permite aumentar el límite elástico y la resistencia al impacto del metal. [ 8] .
La aleación de aceros inoxidables con nitrógeno permite reducir el contenido de níquel y manganeso en ellos de una y media a dos veces y, en algunos casos, excluir estos elementos por completo. Los aceros inoxidables aleados con nitrógeno son superiores en resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables tradicionales.
Los aceros sin níquel aleados con nitrógeno utilizados en medicina para la fabricación de instrumentos quirúrgicos e implantes tienen una mayor resistencia, resistencia al desgaste y no provocan fenómenos negativos ni reacciones alérgicas en el cuerpo humano.
Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos aleados con nitrógeno, con tratamiento térmico y termoplástico adecuado, tienen mayor resistencia, resistencia a la corrosión y mejor plasticidad tecnológica a altas y bajas temperaturas.
Generalización analítica detallada de datos sobre la estructura y propiedades de los aceros inoxidables aleados con nitrógeno; solubilidad del nitrógeno en ellos; termodinámica de estas soluciones, incluyendo, dependiendo de la concentración de impurezas y elementos de aleación; sobre las temperaturas y presiones de las reacciones que tienen lugar en el metal líquido; parámetros de difusión y otros factores asociados a las características de la fundición, a partir de los años 60 fue realizada por M.V. Pridantsev, N.P. Talov y F.L. Levin.
A partir del análisis de numerosas publicaciones, se ha demostrado que el nitrógeno:
Forma soluciones sólidas intersticiales en austenita y ferrita;
Aumenta la cantidad de austenita y estabiliza la austenita con respecto a las transformaciones γ → α y γ → ε durante el enfriamiento y la deformación plástica;
Cambia la solubilidad limitante de los elementos de aleación en γ y α - soluciones sólidas y afecta la distribución de cromo, níquel y otros elementos de aleación entre austenita y ferrita;
Cambia la cinética de formación de carburo y otras fases en exceso durante el tratamiento térmico;
Reduce la energía de las fallas de apilamiento y, por tanto, aumenta la capacidad de deformación de la austenita.
La introducción de nitrógeno en las aleaciones permite:
Reducir el contenido de níquel, manganeso y otros elementos formadores de austenita en las aleaciones mientras se mantiene una estructura austenítica u otra determinada y, en consecuencia, el nivel de aleación ferromagnética;
Incrementar el contenido de elementos formadores de ferrita en las aleaciones, que tienen un efecto positivo sobre las características mecánicas y de corrosión de las aleaciones;
Mejorar las características de plasticidad tecnológica como resultado de ampliar el intervalo de existencia de austenita en la región de alta temperatura;
Aumentar la estabilidad térmica de la austenita y reducir la probabilidad de su descomposición al calentarla con la formación de nitruros y otras fases;
Aumentar la resistencia a la corrosión (resistencia a picaduras y corrosión por cuchillas, agrietamiento por corrosión bajo tensión, corrosión intercristalina);
Aumente la resistencia de las aleaciones mediante el endurecimiento por trabajo durante el endurecimiento por trabajo. [ 1] .
La solubilidad del nitrógeno en el hierro obedece a la ley de Sieverts (ley de la raíz cuadrada):
1 / 2N 2 =; = K N (1,1)
donde es la solubilidad del nitrógeno en el hierro a una presión parcial dada P N 2;
K N es una constante de reacción, cuyo valor numérico depende de la temperatura y de la forma en que se expresa la concentración.
El cumplimiento de la ley de Sieverts indica la idealidad de la solución resultante.
log = (-850 / T) - 0.905 +0.5 log P N 2 (1.2)
De lo cual se sigue que en T = 1873 ° K y P N 2 = 1 atm = 0.044%.
El análisis de los resultados de muchos estudios llevados a cabo por varios autores mediante el método de muestreo mostró una buena consistencia de los datos, cuyo nivel de desviación del valor calculado es 0.002%.
La figura 1.1 muestra la dependencia de la temperatura de la solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido. El diagrama de estado del sistema hierro-nitrógeno se muestra en la Fig. 1.2.
Arroz. 1. 1. Dependencia de la temperatura de la solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido
Figura 1.2. Diagrama de estado de Fe-N
La concentración de nitrógeno en equilibrio con nitrógeno gaseoso aumenta al aumentar la temperatura. En el punto de la transición α → γ (906 ° С), cambia abruptamente; con un aumento adicional de temperatura hasta la transición γ → δ (1402 ° С), disminuye.
El nitrógeno puede estar formado por hierro, dos compuestos Fe 4 N (9,9% N) y Fe 2 N (11,5% N). Fe 2 N comienza a descomponerse a una temperatura ~ 550 ° C. Con un aumento adicional de temperatura, el Fe 4 N también comienza a disociarse.
La entalpía de disolución de nitrógeno en hierro líquido ΔH N es la diferencia entre dos cantidades de signo opuesto: la entalpía de disociación del nitrógeno molecular en átomos (ΔH dis) y la entalpía de disolución del nitrógeno atómico en hierro líquido (ΔH P). El primer proceso es endotérmico y el segundo es exotérmico. Dado que ΔH dis> ΔH P, el proceso descrito por la ecuación (1) procede con la absorción de calor. Si bien los datos sobre la solubilidad del nitrógeno muestran un buen acuerdo entre diferentes investigadores, los datos sobre la entalpía tienen una dispersión significativa.
Los resultados del procesamiento estadístico de una gran variedad de datos experimentales permitieron a los autores del trabajo describir la solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido mediante dos ecuaciones:
en T< 1973K :lg = -560/T - 1,06 (1.3)
en T> 1973 K: log = -1100 / T - 0,79 (1,4)
Así, la entalpía de disolución de nitrógeno en hierro líquido hasta 1973 ° K es 10700 J / mol, y por encima de 1973 ° K - 21000 J / mol.
SOY. Samarin, quien fue el primero en llamar la atención sobre esto, asoció el cambio en ΔH con un cambio en la temperatura con transformaciones estructurales. Se sabe que tras la disolución del oxígeno, la fase de óxido aparece a una presión parcial de oxígeno muy baja en la fase gaseosa (P O 2 = 10 -8 atm). Por el contrario, tras la disolución del nitrógeno, incluso a P N 2> 1 atm, no se forma una fase de nitruro independiente. La formación de nitruros como Fe 2 N y Fe 4 N se observó solo en un metal sólido en el rango de temperatura de existencia de austenita.
El efecto de la presión parcial sobre la masa fundida de hierro sobre su solubilidad dependiendo del tiempo de mantenimiento a T = 1560 ° C se muestra en la Fig. 1.3.
Los datos sobre la cinética de la nitruración indican que se necesitan unos 40 minutos para alcanzar una concentración estacionaria en hierro puro, y el tiempo es prácticamente independiente de la eliminación de nitrógeno de la masa fundida.
Arroz. 1.3. Cambio en la solubilidad del nitrógeno en hierro, dependiendo de su presión y tiempo de exposición a una temperatura de 1560 ° C.
Figura 1.4. Dependencia de la solubilidad del nitrógeno en el hierro líquido a una temperatura de 1560 ° C de la presión parcial del nitrógeno sobre la masa fundida.
La presencia de impurezas afecta la velocidad de disolución del nitrógeno en el metal. Entonces, con un aumento en la concentración de oxígeno en el metal de 0.067 a 0.144%, el tiempo para alcanzar la concentración de equilibrio aumenta de 1.5 a 3.0 horas. Se observó un efecto similar del azufre: a sus concentraciones de 0,49 y 0,87% y una presión de nitrógeno de 0,1 MPa, el tiempo para alcanzar la concentración de equilibrio aumenta a 3,0 y 6,0 horas, respectivamente.
El artículo presenta datos que caracterizan el cambio en la solubilidad del nitrógeno en hierro líquido a una temperatura de 1560 ° C, dependiendo de la presión (hasta 4 atm.).
Lista de literatura usada
1. Kostina M.V. Desarrollo de los principios de aleación de aceros Cr-N y creación de aceros resistentes a la corrosión de nueva generación con estructura de martensita y austenita nitrogenada para productos altamente cargados de tecnología moderna. - Dis. ... Dr. Tech. ciencias. - M .: IMET RAN, 2003. - 231 p.
2. Samarin A.M. Sustitución de níquel por nitrógeno en acero refractario. // Noticias de la Academia de Ciencias de la URSS. OTN - 1944.- No. 1-2.
3. Prosvirin V.I., Agapova N.P. Influencia del nitrógeno en las propiedades del acero con alto contenido de cromo. Senté. obras / TSNIITMASH "Nitrógeno en acero" -M.: Mashgiz, No. 1950.- No. 29.
4. Rashev Ts.V. Aceros con alto contenido de nitrógeno. Metalurgia bajo presión - Sofia: - Editorial de la Academia de Ciencias de Bulgaria "Prof. Marine Drinov", 1995. -218s.
5. Poschitz I.N., Kolesov V.A. Uso de acero no magnético con alto contenido de nitrógeno para la producción de conductores de acero y aluminio. 5º Int. Conf. Aceros con alto contenido de nitrógeno. Espoo - Finlandia. 27-28 de mayo. 1998 (en adelante HNS-98). Libro de resúmenes. -R. 19.
6. Bannykh O.A. Blinov V.M. Kostina M.V., Lyakishev N.P., Rigina L.G., Gorynin I.V., Rybin V.V., Malyshevsky V.A., Kalinin G.Yu., Yampolsky V.D., Butsky E V.V., Rimkevich V.S., Sidorina T.N. "Acero soldable no magnético resistente a la corrosión de alta resistencia". Patente RF No. 2205889, 2002.
7. Bannykh O.A. Blinov V.M. Kostina M.V., Malyshevsky V.A., Rashev Ts.V., Rigina L.G., Dymov A.V., Ustinovshchikov Yu.I. "Acero no magnético de alta resistencia a la corrosión y al desgaste". Patente RF No. 2158319, 2000.
8. Chizhevsky N.P. Hierro y nitrógeno. Tomsk. -1914.
9. Bannykh O.A., Blinov V.M. Aceros que contienen vanadio no magnéticos endurecidos por dispersión. -M.: Ciencia. 1980.-192s.
10. Berns H. Desarrollo y procesamiento de aleaciones. En t. Conf. Aceros con alto contenido de nitrógeno. HNS-2004. Libro de resúmenes. -PAG. 271-281.
11. Gavrilyuk V.G., Efimenko S.P. Influencia del nitrógeno en la estructura y propiedades del hierro y y direcciones prometedoras para el desarrollo de aceros con alto contenido de nitrógeno. Actas de la 1ª Conferencia de toda la Unión "Aceros con alto contenido de nitrógeno". Kiev 18-20 de abril de 1990. -S. 5-26.
12. Efimenko S.P., Panovko V.M., Leshchinskaya E.M., Sokol I.Ya., Rigina L.G., Mishina E.G., Gavrilyuk V.G., Markov B.P. "Acero resistente a la corrosión no magnético resistente al desgaste". Patente RF No. 2116374, 1996.
13. Pridantsev M.V., Talov N.P., Levin F.M. Aceros austeníticos de alta resistencia. -M.: Metalurgia, 1969.- 247s.
14. Rashev Ts. Producción de acero aleado. -M.: Metalurgia, 1981.- 246 p.
15. Kostina M.V., Bannykh O.A., Blinov V.M. Características del acero aleado con nitrógeno. // Metalurgia y tratamiento térmico.- 2000. - No. 12. - P. 3-6.
16. Nakamura N., Tsuchiyma T., Takaki S. Efecto de los factores estructurales de las propiedades mecánicas de los aceros austeníticos con alto contenido de nitrógeno. HNS-98. Libro de resúmenes. -PAG. 209-214.
17. Blinov V.M., Elistratov A.V., Kolesnikov A.G. et al. Efecto del tratamiento térmico sobre las transformaciones estructurales y las propiedades de los aceros con alto contenido de nitrógeno. // Metalurgia y tratamiento térmico.- 2000. - No. 6. -S. 19-24.
18. Grigoryan V.A., Belyanchikov L.N., Stomakhin A.Ya. Fundamentos teóricos de los procesos de hornos de arco eléctrico. -M.: Metalurgia, -1987.-136s.
19. Svyazin A.G., Chursin G.M., Vishkarev A.F., Yavoisky V.I. // Metales.- 1974.- No. 5.- P.23-35.
20. Averin V.V., Revyakin A.V., Fedorchenko V.I., Kozina L.N. Nitrógeno en metales. -M.: Metalurgia, - 1976.- 221s.
21. Martin E. // Arhiv Eisenhuttenw. -1929 / 30.- Bd. 3. -S.314.
22. Sieverts A. // Z. Phys. Chem. -1938.- Bd. A 155.- S. 229.
23. Sieverts A., Zapf G. // Z. Phys. Chem. 1938 Bd. 178.-S. 314.
24. Pelke R.D., Elliot I.F. La solubilina del nitrógeno en las aleaciones líquidas de hierro. // Tansacción de la Sociedad Metalúrgica de AIME. -1963.- V. 227. -No. 5. -P.849-855.
25. Morozov A.I. Hidrógeno y nitrógeno en acero.- M .: Metallurgizdat, 1968.-280s.
26. Hansen M., Anderko K. Constitución de aleaciones binarias. -1959.- P. 539-541.
27. Yurin V.V., Kotelnikov G.I., Stomakhin A.Ya., Grigoryan V.A. Dependencia de la temperatura de la solubilidad del nitrógeno en hierro líquido. // Izvestiya vuzov. Metalurgia ferrosa. -1986.- No. 11. -C.40-45.
28. Shenck H., Frohberg M., Heineman H. Untersuchungen zur stickstoff aufnahme in flussigen Druckbericht lis zu vier Atmosfiran. // Eisenlegirungen en Archiv fur Eisenhuttenw. 1962.-B.33. No. 9. S. 503-602.
