Invenţia se referă la domeniul metalurgiei, şi anume la alierea oţelurilor cu azot. Metoda include topirea metalului într-o unitate de fabricare a oțelului, oxidarea impurităților, rafinarea, dezoxidarea și alierea, inclusiv. azot sub formă de ferocrom nitrurat cu un conținut de azot de 8-12%, o densitate de 4-6,5 g / cm 3 și un conținut de oxigen de cel mult 0,5%. Ferocromul nitrurat este introdus în cuptor cu 5-15 minute înainte de producerea oțelului într-o cantitate de 0,1-5 kg / t. EFECT: utilizarea invenției face posibilă obținerea concentrației necesare de azot în oțel cu un consum minim de feroaliaje care conțin azot fără introducerea suplimentară de aluminiu și titan în topitură. 3 C.p. f-ly, 1 filă.
Invenţia se referă la metalurgie, în special la producţia de oţeluri şi aliaje care conţin azot, şi se referă în mod specific la o metodă de topire a oţelului aliat cu azot.
Azotul, cu disponibilitatea sa pe scară largă și costul scăzut, este un element puternic de formare a austenitei și este utilizat eficient în producția de oțeluri aliate economic în diverse scopuri. Oțelurile întărite cu nitrură slab aliate conțin de obicei de la 0,010 la 0,040% azot, în timp ce metalul înalt aliat poate conține mai mult de 1% azot.
Pentru dopajul cu azot se poate folosi orice material care contine azot in cantitate suficienta si capabil sa se dizolve in metalul lichid. Având în vedere costul redus și simplitatea, sunt cunoscute metode de aliere cu azot bazate pe suflarea topiturii cu azot gazos.
De exemplu, în brevetul britanic GB1282161 „A method of making a high nitrogen steel”, publicat la 03.07.1969, se propune, în timpul tratamentului în afara cuptorului, injectarea de azot în metal prin dopuri poroase instalate în partea inferioară a oala.
Această metodă permite 5-8 minute de suflare pentru a crește conținutul de azot din oțel cu 0,001-0,002%, cu toate acestea, nu permite realizarea unei asimilari stabile a azotului și necesită costuri suplimentare de energie pentru a menține temperatura necesară în oală în timpul suflarii prelungite. .
În metoda cunoscută pentru topirea oțelului care conține azot (certificatul autorului URSS nr. 2818485 / 22-02), metalul este saturat cu azot în timpul rafinării oxidative într-un cuptor prin suflarea unui amestec de azot-oxigen cu o concentrație de azot de până la 10 -30% timp de 10 minute. Ca urmare, topitura conține 0,015% -0,017% azot, iar gradul de asimilare a acestuia este de 0,6-0,7%. Dezavantajele acestei tehnologii sunt productivitatea scăzută și utilizarea ineficientă a azotului gazos. În plus, odată cu injectarea comună de azot și oxigen în metalul lichid, oxizii de azot N x O y sunt inevitabil eliberați în atmosferă, care au un impact negativ asupra mediului și sănătății umane.
Metodele (Certificatul inventorului URSS 367156, Certificatul inventatorului URSS 899664) care utilizează diverse substanțe chimice precum azotat de amoniu, cianamidă de calciu etc. nu au găsit o aplicație largă în producția de oțeluri care conțin azot. o unitate de fabricare a oțelului cu eliberare de substanțe toxice .
În prezent, cele mai răspândite metode de topire a oțelurilor nitrurate cu utilizarea feroaliajelor care conțin azot. În metoda cunoscută (certificatul autorului URSS 1047965), ferocromul nitrurat turnat cu un conținut de azot de 1-2% este utilizat pentru alierea cu azot. Aplicarea acestei metode permite îmbunătățirea calității turnării și reducerea rebuturilor de turnare. Cu toate acestea, acest lucru se realizează datorită introducerii în oțel a unor metale scumpe din pământuri rare și a unui consum crescut de aliaj care conține azot: 10 kg / t.
Cea mai apropiată în esență tehnică este o metodă de producere a oțelului de matriță (certificat de autor URSS 1261964), inclusiv topirea încărcăturii, impurități oxidante, rafinare prin difuzie, dezoxidare în oală cu aluminiu și/sau silicocalciu, aliere în cuptor cu ferocrom nitrurat turnat cu un conținut de azot de 1-2% c, introducerea ferovanadiului în metal și modificarea oțelului cu ferotitan. Metoda prototipului permite saturarea topiturii cu azot până la 0,024% cu un consum de aliaj nitrurat 5-10 kg / t. Datorită asimilării aproape complete a azotului din feroaliajul turnat, este posibil să se prezică cu mare precizie concentrația de azot rezultată în oțel. Cu toate acestea, un grad ridicat de asimilare în această metodă este atins sub rezerva introducerii unei cantități semnificative de elemente formatoare de nitruri: aluminiu, vanadiu și titan. Cu această tehnologie, oțelul este inevitabil contaminat cu un număr mare de incluziuni nemetalice mari sub formă de nitruri de aluminiu și nitruri de titan, care agravează efectul de întărire a nitrurii de vanadiu și duc la scăderea proprietăților sale mecanice.
Experiența în producția de oțeluri aliate cu azot arată că pentru cei mai buni parametri tehnologici, consumul de aditivi care conțin azot ar trebui să fie minim. Cu toate acestea, acest lucru nu se realizează în metoda prototipului, deoarece se utilizează un feroaliaj nitrurat cu o concentrație scăzută de azot: 1-2%.
Astfel, invenția propusă rezolvă problema unei tehnologii eficiente de aliare a oțelului cu azot cu capacitatea de a obține concentrația necesară de azot cu un consum minim de feroaliaje care conțin azot fără introducerea suplimentară de aluminiu și titan în topitură.
Problema este rezolvată prin faptul că în metoda cunoscută, inclusiv topirea încărcăturii într-o unitate de fabricare a oțelului, oxidarea impurităților, rafinarea și aliarea cu un aliaj care conține azot, ferocrom nitrurat cu un conținut de azot de 8-12% și care nu conține mai mult. mai mult de 0,5% este utilizat ca aditiv cu azot oxigen.
Rezolvarea problemei prin utilizarea directă în metoda prototipului a unui aliaj care conține azot cu un conținut crescut de azot nu a dat rezultate. Datorită conținutului ridicat de oxigen din feroaliaje turnate care conțin azot, metalul a fiert intens și o cantitate semnificativă de azot a fost îndepărtată din oțel în fază gazoasă.
Investigațiile legilor care guvernează dizolvarea azotului în oțel folosind diferite feroaliaje care conțin azot au condus la un rezultat foarte neașteptat. S-a dovedit că atunci când se folosește un feroaliaj nitrurat cu o concentrație mare de azot, pentru a exclude formarea de bule (azot molecular) și pentru a asigura un grad ridicat de asimilare a azotului de către metal, compoziția acestuia trebuie să conțină un conținut minim de oxigen. Această abordare a făcut posibilă reducerea semnificativă a consumului de aditivi care conțin azot și refuzul adăugării suplimentare de aluminiu și titan în oțel. Un alt punct pozitiv a fost că o scădere a cantității de feroaliaje introduse care conțin azot a făcut posibilă reducerea duratei de aliere a oțelului și reducerea consumului de deoxidanți.
Se știe că în timpul alierei cu azot, compusul care conține azot introdus în topitură se disociază, iar azotul eliberat este distribuit în volumul băii de lichid. Cu toate acestea, atunci când o mare parte de azot este introdusă în metal sau în cazul unei modificări a solubilității azotului în oțel, există riscul formării de bule mari - azot molecular, care plutesc rapid la suprafață. Ca urmare, o parte semnificativă a azotului se pierde, iar distribuția sa în volumul metalului se dovedește a fi neuniformă.
Prin urmare, nu este deloc evident că la utilizarea unui feroaliaj cu conținut ridicat de azot, gradul de asimilare a azotului de către metal nu va fi mai mic decât în cazul utilizării unui material de aliere cu conținut scăzut de azot.
Ca urmare a numeroaselor experimente privind studiul asimilării azotului în metal, a fost posibilă rezolvarea problemei puse în invenție. Problema se rezolva prin:
Alegerea compoziției feroaliajului nitrurat;
Selectarea dimensiunii optime a bulgărilor feroaliajului nitrurat introdus;
Selectarea condițiilor optime pentru introducerea feroaliajului nitrurat.
Ca feroaliaj care conține azot în prezenta invenție, este utilizat ferocromul nitrurat. Nitrururile de crom CrN și Cr 2 N, care fac parte din acest material, sunt compuși chimici stabili și se disociază la temperatura optimă: 1100-1600 ° C. Studiile efectuate au arătat că, spre deosebire de alte ligaturi, dizolvarea ferocromului nitrurat în topitura metalului are loc treptat, iar azotul de intrare este distribuit uniform în volumul băii de lichid. De asemenea, un aspect pozitiv este că acest feroaliaj este cel mai versatil pentru topirea majorității claselor de oțeluri care conțin azot, deoarece cromul este un element de aliere eficient care crește solubilitatea azotului în oțel.
Principalul factor care afectează asimilarea azotului în oțel este conținutul de oxigen din metal, prin urmare, în invenția propusă, dezoxidarea profundă a oțelului este efectuată înainte de alierea cu azot. În același timp, feroaliajele care conțin azot pot introduce o cantitate suficientă de oxigen în topitură. Studiile au arătat că conținutul de oxigen din ligaturile turnate care conțin azot poate ajunge la 5%. Acest lucru se datorează duratei lungi de saturație cu azot în fază lichidă a feroaliajelor în cuptoarele electrice. Deoarece echipamentele folosite nu asigură suficientă etanșeitate, în 4-16 ore de prelucrare, materialul rezultat este puternic oxidat. În feroaliaje de nitrurare în fază solidă, este posibil și un conținut ridicat de oxigen, deoarece în tehnologia de producție, se folosesc pulberi fine, care sunt în mare parte oxidate mai puternic și, de asemenea, au tendința de a absorbi umezeala în timpul depozitării deschise (Gasik M.I., Ignatiev BC, Kablukovsky A.F. și alții. Gaze și impurități în feroaliaje. - M .: Metalurgie, 1970 .-- 152 p.).
Pentru a introduce o cantitate minimă de oxigen în metal, metoda propusă folosește ferocrom nitrurat, care este mai puțin predispus la oxidare. Studiile au arătat că conținutul limitator de oxigen din acest material este de 0,5%. Când acest indicator este depășit, presiunea parțială din bulele de azot crește semnificativ și contribuie la ascensiunea rapidă a acestora la suprafață. Astfel, metalul „fierbe”, iar gradul de utilizare eficientă a azotului din feroaliaj este redus.
Se știe că o serie de elemente, cum ar fi manganul, cromul, molibdenul, vanadiul etc., dizolvate în fier, cresc solubilitatea azotului din acesta. Prin urmare, conținutul lor înainte de alierea cu azot ar trebui să fie maxim în limitele reglementărilor mărcii. Pe această bază, se recomandă introducerea în cuptor a ferocromului nitrurat în perioada finală de topire, după rafinare, decarburare, dezoxidare profundă și introducerea de aditivi de aliere care cresc solubilitatea azotului. Pe baza rezultatelor căldurilor experimentale, s-a stabilit că este cel mai eficient să se introducă ferocrom nitrurat cu 5-15 minute înainte de atingerea metalului. Menținerea topiturii în cuptor mai mult de 15 minute duce la supraoxidarea acesteia, iar mai puțin de 5 minute nu asigură dizolvarea completă a aliajului care conține azot.
Studiile au arătat că pentru a obține cele mai bune rezultate, este recomandabil să se folosească un aliaj care conține azot cu o densitate optimă în intervalul 4,5-6,5 g/cm3. La o densitate scăzută a aliajului principal - mai puțin de 4,5 g / cm 3 - dizolvarea acestuia are loc pe suprafața metalului, drept urmare o parte semnificativă a azotului trece în zgură și nu este absorbită de topitură. Când se utilizează un aliaj cu o densitate mare de peste 6,5 g/cm 3, timpul de topire crește datorită încetinirii dizolvării acestuia în metal.
Gradul de asimilare a azotului este influențat de rata de aport al acestuia din feroaliaje nitrurate. Studiile efectuate au relevat dependența ratei de degajare a azotului din aliaj de mărimea acestuia. La utilizarea pieselor cu dimensiuni mai mici de 20 mm, intensitatea degajării de azot este mare și există o suprasaturare locală a metalului cu azot la punctul de introducere a aliajului principal. Ca urmare, gradul de absorbție a azotului scade. În același timp, bucățile de ferocrom nitrurat mai mari de 99 mm nu se dizolvă în metal mult timp. Prin urmare, așa cum arată topiturile experimentale, dimensiunea optimă a pieselor de feroaliaj nitrurat este în intervalul 20-99 mm.
Pentru a obține o concentrație de azot în oțel într-un interval restrâns de ± 0,001%, uneori devine necesară ajustarea compoziției acestuia. Este recomandabil să se efectueze această operațiune tehnologică prin introducerea unui feroaliaj nitrurat în oală, deoarece în timpul rafinării topiturii în cuptor la o temperatură predeterminată, precum și în timpul prelucrării oțelului, există posibilitatea de saturare suplimentară a metalului. cu azot din atmosferă. În timpul căldurilor experimentale s-a determinat consumul maxim de aditiv corector - 0,5 kg. Pentru a dizolva o cantitate mai mare de aliaj care conține azot, este necesară încălzirea suplimentară a metalului în oală, ceea ce necesită un consum semnificativ de energie. Introducerea unui aliaj principal care conține azot în cantitate mai mică de 0,1 kg / t nu asigură corecția necesară pentru conținutul de azot din oțel.
La topirea oțelului care conține azot, chiar și fără utilizarea aluminiului și titanului în tehnologie, există riscul contaminării acestuia cu incluziuni nemetalice mari de oxinitrură și carbonitrură. Prezența unor astfel de impurități în structura oțelului este motivul scăderii proprietăților sale mecanice. În același timp, atunci când nitrururile de vanadiu fin dispersate, care joacă rolul unor centri adiționali de cristalizare, sunt precipitate în volumul metalului, dimensiunea granulelor scade semnificativ. Ca urmare, indicatorii proprietăților mecanice ale oțelului cresc. Prin urmare, pentru distribuția uniformă în volumul unei băi lichide de azot, vanadiu și alte substanțe de aliere, precum și pentru îndepărtarea incluziunilor nemetalice, în unele cazuri, este recomandabil să se trateze oțelul cu un gaz inert (argon și / sau azot) într-un oală. Studiile au arătat că durata optimă de suflare a oțelului cu un gaz inert cu un debit de 0,5-1 m 3 / t este de 3-5 minute. Purificarea timp de mai puțin de trei minute nu asigură o îndepărtare suficientă a incluziunilor nemetalice și pentru mai mult de 5 minute are loc oxidarea nedorită și suprarăcirea topiturii.
Folosind exemplul de obținere a oțelului structural cu conținut de azot de calitate 35X2AF, să luăm în considerare mai detaliat metoda propusă pentru topirea oțelului aliat cu azot. În conformitate cu specificațiile tehnice, conținutul de azot și alte elemente de aliere trebuie să se încadreze în următoarele intervale: 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, restul este fier și impurități inevitabile.
Oțelul a fost topit într-un cuptor de oțel cu arc cu o capacitate de 80 de tone.După rafinarea și dezoxidarea topiturii s-a efectuat alierea preliminară cu crom până la conținutul său = 1,4% și aliarea cu vanadiu până la conținutul său [V] = 0,16. Apoi, ferocromul nitrurat a fost introdus în cuptor în cantitate de 2 kg/t sub formă de bulgări, de 50-150 mm, cu o densitate de 4,2 g/cm 3 și cu un conținut de azot și respectiv oxigen: 11,8 % și 0,20%. Acest consum de feroaliaje care conțin azot a asigurat o creștere a concentrației de azot în topitura de oțel de la 0,010% N la 0,032% N. După ce a ținut metalul în cuptor timp de 5 minute și l-a încălzit la o temperatură predeterminată, oțelul a fost băgat în oală. Astfel, metoda propusă pentru topirea oțelului de structură, aliat cu azot, vă permite să obțineți un conținut de azot de marcă. În același timp, în comparație cu metoda prototipului, consumul de material de aliere a scăzut de 5 ori, iar pentru asimilarea stabilă a azotului nu a fost necesară introducerea aluminiului și titanului.
De asemenea, folosind metoda propusă, s-a realizat topirea oțelului șinelor E83F, a oțelului pentru matriță 5KhNMAF și a oțelului austenitic 8Kh20G6AN6F. Rezultatele căldurilor experimentale în comparație cu metoda existentă sunt prezentate în tabel.
REVENDICARE
1. O metodă de topire a oțelului care conține azot, inclusiv topirea unei încărcături într-un cuptor de fabricare a oțelului, oxidarea impurităților, rafinarea, dezoxidarea și alierea cu azot sub formă de aliaj nitrurat, caracterizată prin aceea că ferocrom nitrurat cu un conținut de azot de 8-12%, densitate 4-6,5 g / cm 3 și cu un conținut de oxigen de cel mult 0,5%, care este introdus în cuptor cu 5-15 minute înainte de eliberare într-o cantitate de 0,1-5 kg / t.
2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că ferocromul nitrurat este utilizat sub formă de bulgări de dimensiunea 20-99 mm.
3. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că compoziţia oţelului este ajustată prin introducerea suplimentară de ferocrom nitrurat în oală în cantitate de 0,1-0,5 kg/t.
4. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că suflarea omogenă a metalului în oală cu argon şi/sau azot se efectuează timp de 3-5 minute cu un consum specific de gaz de 0,5-1 m3/t.
Efectul nociv al azotului (N) constă în faptul că incluziunile nemetalice destul de mari, fragile - nitruri - formate de acesta, înrăutățesc proprietățile oțelului. O proprietate pozitivă a azotului este că este capabil să extindă regiunea austenitică a diagramei de fază a oțelurilor. Azotul stabilizează structura austenitică și înlocuiește parțial nichelul în oțelurile austenitice. Elementele care formează nitrură de vanadiu, niobiu și titan sunt adăugate oțelurilor slab aliate. Când se controlează lucrul la cald și răcirea, ele formează nitruri și carbonitruri fine, care măresc semnificativ rezistența oțelului.
Cr - îmbunătățește proprietățile mecanice, crește rezistența la căldură, rezistența la căldură, rezistența la coroziune, duritatea.
Ni rezistență la rece, crește plasticitatea și duritatea, rezistența electrică
Mangan - crește puterea de curgere
Si- (până la 2%) mărește limita de curgere
Tungsten și molibden - cresc duritatea și rezistența
23. Caracteristicile principalelor clase structurale de oteluri. Principalele modalități de îmbunătățire a calității oțelului
Clasa structurala:
feritic Fe2O3 (structură de ferită) se formează cu un conținut scăzut de carbon și o cantitate mare de element de aliere. Elemente formatoare de ferită Cr, Si, Mo, V, W, Zr. este o soluție solidă de introducere a fierului carbon alfa
Folosit pentru detalii irelevante
Perlit(structură perlită) - amestec mecanic de plăci de ferită și cementită
Austenitic(structură austenită) este o soluție solidă de introducere a fierului gamma carbon
martensitic(structură martensită) - observată în aliaje întărite, soluție solidă suprasaturată de carbon în fier alfa
Carbid sau Ledeburit(structura constă din diferite carburi Me) - un amestec eutectic de austenită și cementită, în intervalul 727-1147s
Calitatea metalului poate fi îmbunătățită prin reducerea impurităților dăunătoare, a gazelor și a incluziunilor nemetalice din acesta. Pentru îmbunătățirea calității metalului se utilizează prelucrarea cu zgură sintetică, degazarea în vid a metalului, retopirea electrozgură, topirea în vid cu arc, topirea metalului în cuptoare cu arc electronic și cu plasmă.
Degazarea în vid este efectuată pentru a reduce conținutul de gaze din metal datorită scăderii solubilității acestora în oțel lichid la presiune redusă și incluziuni nemetalice.
24. Retopirea zgurii electromagnetice si Topirea cu arc de vid
Retopirea zgurii electrice (ESR) folosit pentru topirea oțelurilor pentru rulmenți de înaltă calitate, oțelurilor rezistente la căldură. Metalul topit într-un cuptor cu arc și rulat într-o bară este supus retopirii. Sursa de căldură este o baie de zgură încălzită cu curent electric. Curentul electric este furnizat electrodului retopit 1 scufundat într-o baie de zgură 2 , și la palet 9 instalat într-un cristalizator ușor conic răcit cu apă 7 în care se află sămânța 8 ... Căldura generată încălzește baia 2 până la temperaturi care depășesc 1700 ºC și provoacă topirea vârfului electrodului. Picături de metal lichid 3 se trece prin zgura si se formeaza o baie metalica sub stratul de zgura 4 ... Transferul picăturilor de metal prin zgura principală ajută la îndepărtarea sulfului, a incluziunilor nemetalice și a gazelor din metal. Baia de metal este completată prin topirea electrodului, iar sub influența matriței, se formează treptat în lingoul 6. Pe măsură ce lingoul se formează, fie tava este coborâtă, fie electrodul este ridicat. Conținutul de oxigen scade de 1,5 ... 2 ori, sulf - de 2 ... 3 ori. Lingoul se distinge prin densitate, uniformitate, calitate bună a suprafeței, proprietăți mecanice și operaționale ridicate. Lingourile sunt fabricate din secțiuni rotunde, pătrate și dreptunghiulare cu o masă de până la 110 tone.
Retopirea cu arc de vid (VAR) folosit pentru a îndepărta gazele și incluziunile nemetalice din metal.
Procesul se desfășoară în cuptoare cu arc cu vid cu un electrod consumabil. Catodul se realizeaza prin prelucrarea unui lingot topit in cuptoare electrice sau instalatii ESR.
Electrod consumabil 3 fixat pe o tijă răcită cu apă 2 și plasate în corpul cuptorului 1 și mai departe într-o matriță de cupru răcită cu apă 6 ... Aerul este evacuat din corpul cuptorului la o presiune reziduală de 0,00133 kPa. Când se aplică tensiune între electrodul consumabil 3 (catod) și sămânță 8 (anod) apare un arc. Căldura generată topește capătul electrodului. Picături de metal lichid 4 trecând prin zona de descărcare a arcului, se degazează, umplu matrița și se solidifică, formând un lingot 7 ... Arcul arde între electrod și metalul lichid 5 în partea de sus a lingoului pe toată durata topiturii. Răcirea lingoului și încălzirea metalului lichid creează condiții pentru solidificarea direcțională a lingoului. În consecință, incluziunile nemetalice sunt concentrate în partea superioară a lingoului, iar cavitatea de contracție este mică. Lingoul se caracterizează prin uniformitate ridicată a compoziției chimice și proprietăți mecanice îmbunătățite. Este folosit pentru fabricarea de piese pentru turbine, motoare, structuri de aeronave. Greutatea lingourilor ajunge la 50 de tone.
Azotul atomic şi se dizolvă,și formează compuși chimici in otel.
Solubilitate crescută poseda azot disociat.
Format compuși chimici – nitruri... În oțeluri, azotul formează nitruri atât cu fierul, cât și cu majoritatea impurităților.
Cu fier, azotul dă două tipuri de nitruri (compuși chimici): Fe 4 N conține 5,88% N 2, Fe 2 N - 11,1% N 2. Nitrururile ionice sunt obținute prin interacțiunea metalelor cu azotul la temperaturi de 700-1200 ° C. Nitrururile se formează în plasmă în arc, plasmatroni de înaltă frecvență și ultra-înaltă frecvență. În acest din urmă caz, nitrururile se formează ca pulberi ultrafine cu o dimensiune a particulelor de 10-100 nm.
Azotul formează, de asemenea, nitruri cu elemente de aliere ale oțelului. sunt adesea semnificativ mai persistente decât nitrururile de fier. Deosebit de rezistente la temperaturi ridicate sunt nitruri de siliciu si titan.
Pentru sudare are o importanță mai mare Fe 4 N. Ultrafin refractar nitruri cu o dimensiune a particulei de 10-100 nmîngheață în bazinul de sudură mai repede decât fierul, prin urmare, la o viteză crescută de răcire a metalului, nitrururile de fier pot să nu aibă timp să cadă din soluția ά-Fe, iar cea din urmă va fi suprasaturat azot.
Încălzirea prin sudare introduce abateri de la starea de echilibru de solubilitate a N în Fe. Cantitatea totală de azot dizolvată în metal datorită încălzirii metalului poate fi a crescut.
Solubilitatea azotului în fier este foarte dependentă de temperatură.(fig. 113). Pe măsură ce temperatura crește, solubilitatea azotului crește, suferind modificări bruște în momentele transformărilor polimorfe ale fierului și în timpul trecerii acestuia de la starea solidă la starea lichidă. Modificările discontinue ale solubilității duc la formarea de bule de gaz.
Cercetare procesul de saturare a metalului cu azot a arătat că este posibil astfel de căi ale cursului său:
1) azot disociat direct se dizolvă în picături de metal lichid... La răcirea ulterioară a metalului la temperaturi corespunzătoare se formează nitruri de fier;
2) azot disociat se formează la temperaturi ridicate nitruri persistente, care, dizolvarea în picături de metal lichid, saturați-l cu azot.
3) forme de azot disociateîn zona cu temperaturi ridicate oxid nitric NO, care se dizolvă în picături. La temperaturi ale metalelor sub 1000 ° C, oxidul de azot precipită din soluția solidă și se disociază; în acest caz, azotul atomic formează nitruri de fier, iar oxigenul formează oxizi.
Deci: în timpul sudării, azotul se dizolvă simultan în metal și formează compuși chimici (nitruri de fier) și în cele din urmă saturează fierul cu azot și compușii săi chimici.
Fiind într-un metal într-o stare sau alta, azotul are un efect foarte puternic asupra proprietăților sale. Din fig. 114 arată că cu o creștere a conținutului de azot crește rezistența finală și limita de curgere a metalului.
În același timp proprietățile plastice scad și mai ales brusc - rezistența la impact a oțelului... Odată cu aceasta, există o tendință a metalului de a îmbătrâni, tendința de fragilitate la rece și fragilitatea albastră crește, capacitatea de a stinge crește și scade.
permeabilitatea magnetică, rezistența electrică a metalului crește.
Astfel, în cazul general, azotul este o impuritate nedorită în metalul de sudură, în special atunci când unui astfel de metal este aplicată o sarcină dinamică.
dar în condițiile sudării oțelurilor înalt aliate din clasa austenitică, azotul crește stabilitatea austeniteiși acționează ca un aditiv de aliere capabil să înlocuiască o anumită cantitate de nichel.
4.1. Oxigen în oțel
4.2. Hidrogen în oțel
4. 3. Azotul din oțel
4.4. Incluziuni nemetalice
Orice oțel conține gaze în anumite cantități: oxigen, hidrogen, azot. Gazele sunt conținute în metale sub formă de bule de gaz, compuși (oxizi, hidruri, nitruri) și soluții lichide sau solide, de ex. sub formă de atomi sau ioni repartizați între atomii și ionii metalului lichid sau încorporați în rețeaua cristalină a metalului. Gazele (chiar și cu conținutul lor în sutimi și miimi de procente) au un efect semnificativ asupra proprietăților metalului, prin urmare, se acordă întotdeauna o atenție deosebită eliminării gazelor din metal.
Solubilitatea gazelor în oțel este foarte dependentă de temperatură (Fig. 4.1).
Orez. 4.1. Modificarea solubilității oxigenului (a), hidrogen în oțel (6) și azot (in)
4.1. Oxigen în oțel
Atmosfera fabricilor de oțel - oxidativ... În acest caz, o anumită cantitate de oxigen trece întotdeauna din faza gazoasă în metal. Materialele suplimentare care conțin oxizi de fier (de exemplu, rugina de pe suprafața fierului vechi) pot fi, de asemenea, o sursă de oxigen.
Solubilitatea oxigenului în fier sub zgură crește odată cu creșterea temperaturii. Dar dacă metalul conține impurități, a căror afinitate pentru oxigen este mai mare decât cea a fierului, atunci are loc oxidarea acestor impurități și concentrația de oxigen din metal scade. Dacă aceste impurități sunt introduse în baie special pentru a reduce conținutul de oxigen, atunci se numesc dezoxidanți. Ca astfel de elemente dezoxidante, se folosește mangan, siliciu, aluminiu, calciu, elemente de pământuri rare .
Carbonul este, de asemenea, un dezoxidant (Fig. 4.2). Oxigenul dizolvat în metal reacționează cu carbonul și, ca urmare a reacției, metalul fierbe 
Dacă presiunea este redusă (de exemplu, atunci când plasați o oală cu metal lichid într-o cameră cu vid), atunci echilibrul acestei reacții se va deplasa spre dreapta, metalul care conține carbon va fierbe, conținutul de oxigen va scădea.
Orez. 4.2. Efectul carbonului asupra conținutului de oxigen dizolvat în oțel:
eu - curba de echilibru [C] [O]; ІІ - intervalul de concentrație observat efectiv în timpul fierberii metalului
4.2. Hidrogen în oțel
Atmosfera aproape oricărei unități de fabricare a oțelului conține o anumită cantitate de hidrogen sau vapori de H 2 O. O parte de umiditate poate pătrunde împreună cu încărcătura și materiale suplimentare. Din atmosfera unității, hidrogenul trece în metal prin reacție
Solubilitatea hidrogenului într-un metal solid pentru diferite modificări ale fierului este diferită (Fig. 4.1, b). O schimbare bruscă a solubilității în timpul tranziției unui metal de la o stare alotropă la alta determină o eliberare intensivă de hidrogen din acesta, continuitatea metalului este întreruptă, astfel de defecte se formează, de exemplu, ca flockens (bule de gaz de o specială). formă). Hidrogenul rămas în soluția solidă distorsionează rețeaua cristalină a metalului, drept urmare fragilitatea acestuia crește, iar ductilitatea acestuia scade, iar calitatea metalului se deteriorează. Pentru a reduce conținutul de hidrogen din metal și a slăbi efectul dăunător al acestuia asupra calității, se folosesc următoarele metode:
Prelucrarea metalelor în vid . Când un metal este plasat într-o cameră cu vid, presiunea hidrogenului în faza gazoasă scade și acesta începe să fie îndepărtat din metal. Vidul este un mijloc foarte eficient de reducere a conținutului de hidrogen al unui metal.
Organizarea băii de fierbere. Când apar reacții de oxidare a carbonului, se formează monoxid de carbon. Bulele de CO care trec prin baie creează un efect de fierbere. Presiunea parțială a hidrogenului într-o bule, constând din CO, este egală cu zero; prin urmare, bulele de CO în raport cu hidrogenul (și, de asemenea, cu azotul) sunt ca niște camere mici de vid, iar aceste gaze lasă metalul în bule de CO și părăsesc baie împreună cu el. Astfel, în timpul fierberii, metalul este curățat de gazele dizolvate în el.
Purjare cu gaze inerte. La purjarea metalului cu gaze inerte (de obicei, în acest scop, se folosește cel mai ieftin și mai accesibil gaz inert, argonul), presiunea parțială a hidrogenului în bule este zero, astfel încât acestea purifică metalul de hidrogen. Concomitent cu îndepărtarea gazelor, purjarea cu argon asigură amestecarea metalului, egalizarea compoziției, temperaturii, etc.
Expunerea megalitului cristalizat la temperaturi ridicate . Dimensiunile atomilor de hidrogen sunt foarte mici, difuzează liber prin rețeaua cristalină a oțelului cristalizat, mai ales la temperaturi ridicate. Din mostre de secțiune transversală relativ mică, răcite lent într-un cuptor sau în aer, hidrogenul dizolvat la temperaturi ridicate este îndepărtat aproape complet. Se acceptă că conținutul de hidrogen din metal este exprimat în centimetri cubi la 100 g de masă de probă. De obicei, conținutul de hidrogen din oțelul lichid, în funcție de metoda de funcționare, variază de la 4 la 10 cm 3 la 100 g de metal. Cu cât este mai mare masa produsului, cu atât este mai dificil să se organizeze îndepărtarea hidrogenului din metalul solidificat. Prin urmare, toate lingourile de metal de înaltă calitate (sau țaglele din acestea) sunt păstrate pentru o lungă perioadă de timp la temperaturi relativ ridicate, pentru care există intervale speciale în magazine. Pentru lingourile foarte mari (30 de tone), această metodă nu mai dă efectul dorit, iar astfel de lingouri sunt turnate sub vid.
Aditivi ai elementelor formatoare de hidrură. Unele metale (de exemplu, pământurile rare) sunt capabile să interacționeze cu hidrogenul, formând hidruri. Atunci când aceste elemente sunt introduse în metal, dezvoltarea defectelor precum flocurile scade.
Suprapunerea unui câmp electric. Hidrogenul dizolvat în metal lichid este acolo sub formă de cation în zgură, sub formă 
Când se aplică un câmp electric suficient de puternic, hidrogenul atomic este eliberat la catod. 
ai căror atomi se asociază în molecule 
Vaporii sunt eliberați din zgură la anod 
și În condiții industriale, această metodă de îndepărtare a hidrogenului nu și-a găsit aplicație.
Azotul este unul dintre cele mai comune elemente: conținutul său în atmosfera inferioară este de 78,11% și în scoarța terestră - 0,04%. În condiții normale (T = 20 ° C și P = 1 atm) azotul este un gaz 2-atomic. Număr atomic - 7, greutate atomică - 14,008, densitate moleculară a azotului - 1,649 × 10 -3 g/cm 3. Punctul de topire este de 209,9 ° C, iar punctul de fierbere este de 195,7 ° C.
Cercetările privind interacțiunea azotului cu oțelul au fost efectuate de-a lungul secolului al XX-lea. Au fost începute de N.P. Chizhevsky și I.I. Jukov. Cu toate acestea, abia după anii 40 a început să se ia în considerare posibilitatea utilizării azotului ca element de aliere. S-a acordat multă atenție influenței azotului asupra proprietăților oțelurilor, solubilității și comportamentului acestuia în metal, atât în țara noastră, cât și în străinătate. În prezent, industria folosește mai mult de 200 de grade de oțel aliat cu azot.
Oțelurile aliate cu azot sunt de obicei împărțite în două categorii:
Primele se obțin în condiții de topire și cristalizare la presiunea atmosferică a azotului. A doua este presiunea crescută a azotului, care face posibilă păstrarea unui conținut mai mare de azot în metal decât în topirea deschisă.
În ultimii ani, s-au remarcat oțeluri promițătoare cu diferite niveluri de aliere de azot pentru o varietate de aplicații [ 10] :
Oțeluri de călire prin dispersie aliate cu vanadiu, niobiu și titan;
Oțeluri austenitice, rezistente la coroziune de înaltă rezistență;
Oțel cu o structură de ferită azotată și martensită.
Aliarea cu azot a oțelurilor de întărire prin precipitare duce la formarea de nitruri fin dispersate de-a lungul limitelor de cereale, care împiedică creșterea acestora, face posibilă creșterea limitei de curgere și rezistenței la impact a metalului. [ 8] .
Aliarea oțelurilor inoxidabile cu azot face posibilă reducerea conținutului de nichel și mangan din ele de o dată și jumătate până la două ori și, în unele cazuri, excluderea totală a acestor elemente. Oțelurile inoxidabile aliate cu azot sunt superioare ca rezistență, duritate și rezistență la coroziune față de oțelurile inoxidabile tradiționale.
Oțelurile fără nichel aliate cu azot utilizate în medicină pentru fabricarea instrumentelor și implanturilor chirurgicale au rezistență sporită, rezistență la uzură și nu provoacă fenomene negative și reacții alergice în corpul uman.
Oțelul inoxidabil martensitic și feritic aliat cu azot, cu tratament termic și termoplastic corespunzător, au rezistență sporită, rezistență la coroziune și plasticitate tehnologică îmbunătățită la temperaturi ridicate și scăzute.
Generalizare analitică detaliată a datelor privind structura și proprietățile oțelurilor inoxidabile aliate cu azot; solubilitatea azotului în ele; termodinamica acestor soluții, inclusiv, în funcție de concentrația de impurități și elemente de aliere; asupra temperaturilor și presiunilor reacțiilor care au loc în metalul lichid; parametrii de difuzie și alți factori asociați cu caracteristicile topirii, începând cu anii 60 a fost realizat de M.V. Pridantsev, N.P. Talov și F.L. Levin.
Pe baza analizei a numeroase publicații, s-a demonstrat că azotul:
Formează soluții solide interstițiale în austenită și ferită;
Crește cantitatea de austenită și stabilizează austenita în raport cu transformările γ → α și γ → ε în timpul răcirii și deformării plastice;
Modifică solubilitatea limitativă a elementelor de aliere în γ și α - soluții solide și afectează distribuția cromului, nichelului și a altor elemente de aliere între austenită și ferită;
Modifică cinetica de formare a carburilor și a altor faze în exces în timpul tratamentului termic;
Reduce energia defectelor de stivuire și, prin urmare, crește capacitatea de deformare a austenitei.
Introducerea azotului în aliaje permite:
Reducerea conținutului de nichel, mangan și alte elemente care formează austenită în aliaje, menținând în același timp o anumită structură austenitică sau altă structură și, în consecință, nivelul de feromagnetism al aliajului;
Creșterea conținutului de elemente formatoare de ferită din aliaje, care au un efect pozitiv asupra caracteristicilor mecanice și de coroziune ale aliajelor;
Îmbunătățirea caracteristicilor plasticității tehnologice ca urmare a extinderii intervalului de existență a austenitei în regiunea de temperatură înaltă;
Creșteți stabilitatea termică a austenitei și reduceți probabilitatea de descompunere a acesteia la încălzire cu formarea de nitruri și alte faze;
Creșterea rezistenței la coroziune (rezistența la coroziune cu sâmburi și cuțit, fisurare prin coroziune sub tensiune, coroziune intercristalină);
Creșteți rezistența aliajelor prin utilizarea călirii prin lucru în timpul călirii prin lucru [ 1] .
Solubilitatea azotului în fier respectă legea lui Sieverts (legea rădăcinii pătrate):
1/2N2 =; = K N (1,1)
unde este solubilitatea azotului în fier la o presiune parțială dată P N 2;
K N este o constantă de reacție, a cărei valoare numerică depinde de temperatură și de modul în care este exprimată concentrația.
Îndeplinirea legii lui Sieverts indică idealitatea soluției rezultate.
log = (-850 / T) - 0,905 +0,5 log P N 2 (1,2)
Din care rezultă că la T = 1873 ° K și P N 2 = 1 atm = 0,044%.
Analiza rezultatelor multor studii efectuate de diverși autori prin metoda de eșantionare a arătat o bună consistență a datelor, al căror nivel de abatere de la valoarea calculată este de 0,002%.
Figura 1.1 arată dependența de temperatură a solubilității azotului în fier lichid. Diagrama de stare a sistemului fier-azot este prezentată în Fig. 1.2.
Orez. 1. 1. Dependența de temperatură a solubilității azotului în fier lichid
Figura 1.2. Diagrama de stare Fe-N
Concentrația de azot în echilibru cu azotul gazos crește odată cu creșterea temperaturii. În punctul tranziției α → γ (906 ° С), se modifică brusc; cu o creștere suplimentară a temperaturii până la tranziția γ → δ (1402 ° С), scade.
Azotul poate fi format din fier, doi compuși Fe 4 N (9,9% N) și Fe 2 N (11,5% N). Fe 2 N începe să se descompună la o temperatură ~ 550°C. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, Fe 4 N începe și el să se disocieze.
Entalpia de dizolvare a azotului în fier lichid ΔH N este diferența dintre două cantități opuse în semn: entalpia de disociere a azotului molecular în atomi (ΔH dis) și entalpia de dizolvare a azotului atomic în fier lichid (ΔH P). Primul proces este endotermic, iar al doilea este exotermic. Deoarece ΔH dis> ΔH P, procesul descris de ecuația (1) continuă cu absorbția de căldură. În timp ce datele despre solubilitatea azotului arată un acord bun între diferiți cercetători, atunci datele despre entalpie au o împrăștiere semnificativă.
Rezultatele prelucrării statistice a unei game largi de date experimentale au permis autorilor lucrării să descrie solubilitatea azotului în fier lichid prin două ecuații:
la T< 1973K :lg = -560/T - 1,06 (1.3)
la T> 1973K: log = -1100 / T - 0,79 (1,4)
Astfel, entalpia de dizolvare a azotului în fier lichid până la 1973 ° K este de 10700 J / mol, iar peste 1973 ° K - 21000 J / mol.
A.M. Samarin, care a atras primul atenția asupra acestui lucru, a asociat modificarea ΔH cu o schimbare a temperaturii cu transformări structurale. Se știe că la dizolvarea oxigenului, faza de oxid apare la o presiune parțială foarte scăzută a oxigenului în faza gazoasă (P O 2 = 10 -8 atm). În schimb, la dizolvarea azotului, chiar și la P N2> 1 atm, nu se formează o fază independentă de nitrură. Formarea nitrururilor precum Fe 2 N și Fe 4 N a fost observată numai într-un metal solid în intervalul de temperatură al existenței austenitei.
Efectul presiunii parțiale asupra topiturii de fier asupra solubilității acesteia în funcție de timpul de menținere la T = 1560 ° C este prezentat în Fig. 1.3.
Datele privind cinetica nitrurării indică faptul că este nevoie de aproximativ 40 de minute pentru a ajunge la o concentrație staționară în fier pur, iar timpul este practic independent de îndepărtarea azotului din topitură.
Orez. 1.3. Modificarea solubilității azotului în fier, în funcție de presiunea acestuia și timpul de expunere la o temperatură de 1560 ° C.
Figura 1.4. Dependența solubilității azotului în fier lichid la o temperatură de 1560 ° C de presiunea parțială a azotului asupra topiturii
Prezența impurităților afectează viteza de dizolvare a azotului în metal. Deci, cu o creștere a concentrației de oxigen din metal de la 0,067 la 0,144%, timpul de atingere a concentrației de echilibru crește de la 1,5 la 3,0 ore. S-a observat un efect similar al sulfului: la concentrațiile sale de 0,49 și 0,87% și o presiune a azotului de 0,1 MPa, timpul de atingere a concentrației de echilibru crește la 3,0 și, respectiv, 6,0 ore.
Lucrarea prezintă date care caracterizează modificarea solubilității azotului în fierul lichid la o temperatură de 1560 ° C, în funcție de presiune (până la 4 atm.).
Lista literaturii folosite
1. Kostina M.V. Dezvoltarea principiilor de aliere a oțelurilor Cr-N și crearea de oțeluri rezistente la coroziune de o nouă generație cu structură de martensită și austenită azotată pentru produse cu încărcare mare de tehnologie modernă. - Dis. ... Dr. Tech. stiinte. - M .: IMET RAN, 2003. - 231 p.
2. Samarin A.M. Înlocuirea nichelului cu azot în oțel refractar. // Știri ale Academiei de Științe a URSS. OTN - 1944.- Nr 1-2.
3. Prosvirin V.I., Agapova N.P. Influența azotului asupra proprietăților oțelului cu conținut ridicat de crom. sat. lucrări / TSNIITMASH „Azotul din oțel” -M .: Mashgiz, nr. 1950.-nr. 29.
4. Rashev Ts.V. Oțeluri cu conținut ridicat de azot. Metalurgie sub presiune.- Sofia: - Editura Academiei Bulgare de Științe „Prof. Marine Drinov”, 1995. -218s.
5. Poschitz I.N., Kolesov V.A. Utilizarea oțelului nemagnetic cu conținut ridicat de azot pentru producția de conductor oțel-aluminiu. 5-a int. Conf. Oțeluri cu conținut ridicat de azot. Espoo - Finlanda. 27-28 mai. 1998 (denumită în continuare HNS-98). Cartea de rezumate. -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. „Oțel sudabil de înaltă rezistență, nemagnetic, rezistent la coroziune”. Brevet RF nr. 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. „Oțel nemagnetic rezistent la coroziune și la uzură.” Brevet RF nr. 2158319, 2000.
8. Chizhevsky N.P. Fier și azot. Tomsk. -1914.
9. Bannykh O.A., Blinov V.M. Oțeluri nemagnetice care conțin vanadiu întărite prin dispersie. -M .: Știință. 1980.-192s.
10. Berns H. Dezvoltarea și prelucrarea aliajelor. Int. Conf. Oțeluri cu conținut ridicat de azot. HNS-2004. Cartea de rezumate. -P. 271-281.
11. Gavrilyuk V.G., Efimenko S.P. Influența azotului asupra structurii și proprietăților fierului și și direcții promițătoare pentru dezvoltarea oțelurilor cu conținut ridicat de azot. Proceedings of the 1st All-Union Conference "High Nitrogen Steels". Kiev 18-20 aprilie 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. „Oțel nemagnetic rezistent la coroziune, rezistent la uzură”. Brevet RF nr. 2116374, 1996.
13. Pridantsev M.V., Talov N.P., Levin F.M. Oțeluri austenitice de înaltă rezistență. -M .: Metalurgie, 1969.- 247s.
14. Rashev Ts. Producția de oțel aliat. -M .: Metalurgie, 1981 .-- 246 p.
15. Kostina M.V., Bannykh O.A., Blinov V.M. Caracteristicile oțelului aliat cu azot. // Metalurgie şi tratament termic.- 2000. - Nr. 12. - P. 3-6.
16. Nakamura N., Tsuchiyma T., Takaki S. Efectul factorilor structurali ai proprietăților mecanice ale oțelurilor austenitice cu conținut ridicat de azot. HNS-98. Cartea de rezumate. -P. 209-214.
17. Blinov V.M., Elistratov A.V., Kolesnikov A.G. et al. Efectul tratamentului termic asupra transformărilor structurale și proprietăților oțelurilor cu conținut ridicat de azot. // Metalurgie si tratament termic.- 2000. - Nr 6. -S. 19-24.
18. Grigoryan V.A., Belyanchikov L.N., Stomakhin A.Ya. Fundamentele teoretice ale proceselor de cuptor cu arc electric. -M .: Metalurgie, -1987.-136s.
19. Svyazin A.G., Chursin G.M., Vishkarev A.F., Yavoisky V.I. // Metale.- 1974.- Nr 5.- P.23-35.
20. Averin V.V., Revyakin A.V., Fedorchenko V.I., Kozina L.N. Azotul din metale. -M .: Metalurgie, - 1976.- 221s.
21. Martin E. // Arhiv Eisenhuttenw. -1929 / 30.- Bd. 3. -S.314.
22. Sieverts A. // Z. Fiz. Chim. -1938.- Bd. A 155.- S. 229.
23. Sieverts A., Zapf G. // Z. Phys. Chim. 1938 Bd. 178.-S. 314.
24. Pelke R.D., Elliot I.F. Solubilinia azotului în aliaje lichide de fier. // Tansaction of the Metallurgical Society of AIME. -1963.- V. 227. -Nr 5. -P.849-855.
25. Morozov A.I. Hidrogen și azot în oțel.- M .: Metallurgizdat, 1968.-280s.
26. Hansen M., Anderko K. Constituția aliajelor binare. -1959.- P. 539-541.
27. Yurin V.V., Kotelnikov G.I., Stomakhin A.Ya., Grigoryan V.A. Dependența de temperatură a solubilității azotului în fier lichid. // Izvestiya vuzov. Metalurgia feroasă. -1986.- Nr 11. -C.40-45.
28. Shenck H., Frohberg M., Heineman H. Untersuchungen zur stickstoff aufnahme in flussigen Druckbericht lis zu vier Atmosfiran. // Eisenlegirungen in Archiv fur Eisenhuttenw. 1962.-B.33. nr. 9. S. 503-602.
