ТЕОРИЯ сварочных процессов

Влияние азота на свойства стали

Атомарный азот растворяется преимущественно в тех метал­лах, с которыми он может образовывать химические соединения - нитриды. При растворении в стали азот образует нитриды как с железом, так и с большинством примесей. С железом азот взаимо­действует по эндотермическим реакциям и образует два типа нит­ридов:

4Fe +0,5N2 <z± Fe4N (- 18,9 кДж/моль); Fe + 0,5N2 Fe2N (- 16,4 кДж/моль).

Нитрид БедЫ содержит 5,88 % N2, а нитрид Fe2N - 11,1 % N2. Для сварки большее значение имеет нитрид Fe4N, а для процессов, характеризующихся избытком азота, например для азотизации стали, - Fe2N.

В соответствии с равновесной диаграммой состояния «железо - азот» (рис. 9.10) при охлаждении сплава вначале из нитроаустенита

(твердого раствора азота в Fey) выпадает a-фаза, или нитроферрит

(твердый раствор азота в Fea). После достижения температуры

865 К, отвечающей точке А нитроферрит-эвтектоид распадается на механическую смесь феррита и нитрида железа. При дальней­шем уменьшении температуры в равновесных условиях предель­ная растворимость азота в нитроферрите снижается от 0,135 % при 865 К до 0,001 % при комнатной температуре. Это приводит к то­му, что избыточный азот в виде Fe4N выделяется из твердого рас­твора Fea по диффузионному механизму.

В неравновесных условиях свар­ки этот процесс практически не раз­вивается, и получают сталь, пересы­щенную азотом. При последующем нагреве или при вылеживании про­исходит медленное выделение нит­ридов железа. Это явление называют старением. Оно снижает пластич­ность стали. При нагревании выше 900 К сталей, содержащих нитриды железа, они диссоциируют.

Таким образом, в железе азот может находиться в твердом рас­творе Fea и в виде отдельных вклю­чений нитридов - главным образом Fe4N. В результате сварки и здесь имеют место существенные отклоне­ния от равновесной диаграммы состояния Fe - N2. Поэтому общее количество растворенного в металле азота вследствие перегрева металла может быть увеличенным. Кроме того, при повышенной скорости охлаждения металла может не закончиться процесс вы­падения нитридов железа из твердого раствора Fea, который оста­нется пересыщенным азотом.

С легирующими элементами стали азот также образует нитри­ды, часто значительно более стойкие, чем нитриды железа. Осо­бенно стойкими в области высоких температур являются нитриды кремния и титана.

' Равновесная растворимость азота в железе сильно зависит от температуры (см. рис. 9.6, б). По мере ее роста в интервале суще­ствования феррита растворимость азота увеличивается, а в интер­вале существования аустенита снижается вследствие снижения парциального давления азота в связи с образованием твердых нит­ридов по аналогии со снижением растворимости водорода в титане (см. рис. 9.7). В этом интервале кривые зависимости равновесной растворимости от температуры претерпевают скачкообразные изменения в моменты полиморфных превращений железа и при переходе его из твердого состояния в жидкое. При снижении тем­пературы растворимость азота изменяется по тем же законам. В период кристаллизации азот, выделяющийся из металла, может вызвать порообразование. Несмотря на малую степень диссоциа­ции азота в зоне столба дуги (см. рис. 8.9, а), а также ионизации (см. рис. 8.9, б), азот в металле шва присутствует в значительном
количестве, что объясняется большим содержанием его в атмо­сфере и спецификой его поведения в зоне сварки.

Исследования процесса насыщения металла азотом показали, что возможны следующие пути его протекания.

1. Диссоциированный азот непосредственно растворяется в жидком металле капель. При последующем охлаждении металла образуются нитриды железа. Роль этого процесса мала, так как степень диссоциации при сварке незначительна.

2. Диссоциированный азот образует в высокотемпературной области дугового разряда (см. рис. 9.1) окись азота N0, которая растворяется в каплях. При температурах металла ниже 3300 К окись азота диссоциирует на поверхности сварочной ванны, при этом атомарный азот, вступая во взаимодействие с железом, обра­зует нитриды железа, а кислород - оксиды железа. Термодинами­ческим расчетом и экспериментом (см. рис. 9.5) подтверждено, что последний вариант (с участием кислорода) наиболее вероятен.

3. Диссоциированный азот непосредственно образует с диссо­циированным кислородом в области высоких температур стойкие нитриды, которые, растворяясь согласно закону Сивертса в жидком металле капли, насыщают его азотом. В этом случае по мере охла­ждения металла сварочной ванны из раствора может выделиться атомарный азот, который, вступая во взаимодействие с железом, образует нитриды железа.

Содержащиеся в стали нитриды азота весьма сильно влияют на ее свойства. Из рис. 9.11 следует, что с увеличением содержания

азота N в металле повышаются преде­лы прочности (ав) и текучести (ат). Этим влияние азота на свойства стали принципиально отличается от влияния кислорода. Вместе с тем по аналогии с кислородом снижаются пластические свойства и особенно резко - ударная вязкость стали. Наряду с этим проис­ходят и другие нежелательные изме­нения: появляется склонность металла к старению и к хладноломкости (сине-

пи о ломкости); увеличивается склонность

Рис. 9.11. Влияние концен - п J

трации азота в углероди - к закалке; понижается магнитная про­стой стали на ее механичес - ницаемость; увеличивается электриче - кие свойства ское сопротивление металла.

Итак, для углеродистых и низколегированных сталей азот - нежелательная примесь в металле шва, особенно при действии на него динамической нагрузки. При сварке легированных сталей осуществляют микролегирование азотом с целью частичной заме­ны углерода и увеличения пластичности и прочности сталей. Азот, как и углерод, образует твердый раствор внедрения, т. е. является сильным упрочнителем, но в отличие от углерода не образует кар­бидов, которые при нагреве растворяются в стали. Нитриды желе­за более термостойки, чем РезС.

При сварке деталей из высоколегированных сталей аустенитного класса азот вводится специально, так как он повышает устойчивость аустенита и выступает как легирующая добавка, способная заменить некоторое количество углерода и никеля. В таких сталях азот устра­няет явление транскристаллизации и улучшает механические свой­ства, а также может вызвать и эффект упрочнения чугуна.

В условиях сварки деталей из меди азот применяют в качестве инертного защитного газа, не взаимодействующего с медью.