4.3. Азот в стали
Азот почти всегда присутствует в атмосфере сталеплавильного агрегата. При обычных температурах сталеплавильных процессов (1450—1600 °С) интенсивность перехода азота в металл из газовой фазы невелика. Однако при очень высоких температурах, превышающих 2500 °С (например, в зоне электрических дуг при выплавке стали в дуговых электропечах, в зоне контакта кислородной струи с металлом при продувке ванны кислородом), молекулы азота диссоциируют и скорость проникновения в металл атомов азота резко возрастает.
Примеси, образующие прочные нитриды (хром, марганец, ванадий, титан, алюминий, церий и другие редкоземельные металлы), повышают растворимость азота в стали; примеси, не образующие нитридов (углерод, фосфор) или образующие непрочные нитриды (кремний), но сами вступающие с железом в химическое взаимодействие, заметно снижают растворимость азота.
Растворимость азота в железе изменяется в зависимости от температуры и состава металла (рис. 4.1, в).
Резкое
снижение растворимости азота при
переходе из жидкого в твердое состояние
и при превращении
-Fe
в
-Fe
в случае быстрого охлаждения металла
приводит к получению перенасыщенного
азотом твердого раствора, из которого
в процессе эксплуатации по границам
зерен выделяются нитриды, повышающие
твердость, увеличивающие хрупкость и
снижающие пластичность ("старение"
металла).
Особенно вредно ухудшение свойств металла, в котором много азота, при эксплуатации в условиях низких температур.
Методы снижения концентрации азота в стали:
1) использование чистых по азоту шихтовых материалов;
2) организация кипения ванны (удаление с пузырьками СО) или продувка металла инертными газами;
3) предохранение металла от соприкосновения с азотсодержащей атмосферой в зоне очень высоких температур или искусственное охлаждение этой зоны;
4) использование для продувки кислорода, не содержащего примесей азота;
5) связывание азота в прочные нитриды при введении в сталь нитридообразующих элементов (например, алюминия при производстве низкоуглеродистой "нестареющей" стали);
6) обработка металла вакуумом.
4.4. Неметаллические включения
Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюминия, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле.
Неметаллические включения подразделяются на две группы:
1) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные1). Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки и кристаллизации слитка или отливки.
2) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные2). Экзогенные включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.
Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, однако какая-то часть остается. В литой стали включения присутствуют в виде кристаллов и глобулей. После обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки) они меняют форму и расположение и видны под микроскопом в виде нитей, строчек, цепочек, ориентированных преимущественно в направлении деформации. Включения в зависимости от химического состава принято делить на сульфиды (FeS, MnS и т.п.), оксиды (FeO, MnO, SiO2, А12О3 и т.п.) и нитриды (TiN, ZrN и т.п.). Кроме того, иногда выделяют также фосфиды и карбиды.
Очень часто включения представляют собой сложные соединения типа силикатов (nFeO·mMnO·pSiO2), алюмосиликатов (пМпО·mSiO2·рА12О3), шпинелей (FeO ·А12О3), оксисульфидов и т.д.
Эндогенные неметаллические включения образуются в результате взаимодействия растворенных в металле компонентов или уменьшения их растворимости при застывании стали. Размеры обычных включений колеблются в широких пределах (0,0001-1,0 мм). Чем меньше размеры включений, тем труднее они удаляются.
На скорость укрупнения и всплывания включений большое влияние оказывают процессы их коагуляции3 (слипания) и коалесценции4 (сливания с исчезновением поверхностей раздела).
Во многих случаях образовавшиеся включения очень мелки и двигаются вместе с перемешивающимся металлом. Задача металлурга заключается в том, чтобы обеспечить такую форму и расположение включений в готовом изделии, которые бы не ухудшали качества металла.
Радиус атома водорода 53 пм
Радиус атома кислорода 60 пм
Радиус атома азота 92 пм
Радиус атома железа 126 пм 286пм решетка
1 От греч. endo — внутри и genos — род, рождение.
2 От греч. ехо — вне и genos.
3 Ог лат. coagulatio — свертывание, сгущение
4 От лат. coalesce — срастаюсь, соединяюсь.