5.3 Методы изучения взаимодействия азота с металлами

С тех пор, как возникла проблема растворения азота в сталях и существенного влияния его на служебные свойства последних, изучение ее осуществлялось различными методами, наиболее распространенными из которых являются:

1. Контроль концентрации азота в промышленных образцах сталей различных составов и назначений, выплавленных различными методами;

2. Измерения растворимости и кинетики растворения азота в лабораторных условиях при заданных и строго контролируемых Р, t и т.д.

Лабораторные исследования чаще всего проводят путем плавления железа или его сплавов в контакте с атмосферой азота в тигельных печах сопротивления или индукционных печах. Плавку проводят с измерением поглощаемого металлом азота при постоянном парциальном давлении его и точно определяемой тем или иным методом температуре и объема азота. Этот метод прямого измерения объема азота, поглощаемого металлом, называется «методом Сивертса» и имеет сейчас наибольшее распространение. Иногда по тем или иным соображениям в процессе плавки измеряют не изменение объема газа при =const, а изменение его давления при =const, т.е. проводят процесс "изохорически". В этом случае, принимая во внимание справедливость закона квадратного корня для железа и для большинства его сплавов, легко рассчитывается растворимость азота - иначе говоря, объем азота, поглощаемый при данной температуре и при давлении = 0,1МПа. По техническим причинам использование "метода Сивертса" при температурах выше 1650I700 °С очень затруднено и связано с увеличением ошибок определений. Поэтому упомянутый метод редко применяется для измерения растворимости азота в сплавах железа, высоко перегретых над температурой ликвидус.

В этих случаях применяют метод "бестигельной плавки", где изучается взаимодействие газов (в частности, азота) с каплями расплавленного металла, висящими в высокочастотном электромагнитном поле. Капли металла висят в «неподвижной» атмосфере азота или в его потоке, характеризующимся определенными давлением () и скоростью ().Температура металла фиксируется с помощью пирометров. После заранее заданной выдержки металла в контакте с исследуемым газом, выключают, высокочастотный генератор и металлическая капля свободно падает и кристаллизуется в толстостенной медной изложнице. Зафиксированное в капле количество азота определяют экстрагированием его в газоанализаторе при температурах, значительно превышающих температуры диссоциации даже наиболее прочных нитридов, образуемых компонентами исследуемого сплава. В современных газоанализаторах в качестве экстрагирующего, «несущего» газа используют аргон или гелий, а для измерения количества извлеченного азота применяют физические методы химического анализа, включая и масспектрометрию.

Рассматриваемый метод оказался наиболее плодотворным при изучении кинетики взаимодействия азота с металлами (растворение или извлечение азота). Большую роль здесь сыграли поддающаяся точной математической оценке величина поверхности контакта металла и азота, и возможность оценки в критериальной форме интенсивности массопереноса азота к поверхности металла в зависимости от газодинамики среды, окружающей металлическую каплю. Наконец, возможно оценить и характеристики "внутреннего массопереноса", т.е. переноса азота внутри объема металлической капли в функции электрических параметров режима высокочастотного генератора. Метод "бестигельной плавки" или "плавки во взвешенном состоянии" позволил также измерять растворимость азота в железе и его сплавах почти до температуры кипения железа.

Из многочисленных данных о растворимости азота в железе авторы наиболее надежными считают те, которые описываются следующими уравнениями:

для  и  - модификации железа, т.е. для его объемно-центрированной решетки

lg[% N]= –1575/T–1.010 по [158];

для  - железа

lg[% N]=450/T–1.960 по [160];

для жидкого железа

lg[% N]= –1050/T–0.815 по [164].

При всех своих достоинствах метод «бестигельной плавки» имеет также и существенные недостатки, а именно:

1. Пониженная, даже с использованием современных оптических пирометров, точность измерения температуры металла по сравнению с Pt — Pt – Rh термопарой;

2. Некоторая потеря растворенного в капле азота (т.е. переход его в газовую фазу) при падении ее в газе и кристаллизации в изложнице;

3. Известные допущения и ошибки предусмотрены по паспортным данным и изготовителями аппаратуры, предназначенной для определения газов, в частности, азота в металлах;

4. Метод применим только при тех условиях, когда высокочастотный генератор обеспечивает не только заданную температуру, но и устойчивое подвешивание исследуемого металла, т.е. в ограниченном температурном диапазоне.