Взаимодействие чугуна с азотом

Растворение азота в жидком чугуне также происходит в атомарном состоянии и потому описывается следующей реакцией:

½ N₂ = [N] (3.7.7)

Из условия равновесия этой реакции следует:

lg [%N] = lg K_N + lg - lg , (3.7.8)

где [%N] – массовая доля азота, %;

K_N - константа равновесия реакции (3.7.7): lg K_N = - - 3,405 [3];

- парциальное давление азота, Па.

- коэффициент активности азота в чугуне, значение которого определяется выражением:

lg = lg + + +, (3.7.9)

где – коэффициент активности азота в жидком железе;

- параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна (j) первого порядка;

- параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна (j) второго порядка;

- перекрестные параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна (j и k).

Из (3.7.8) и (3.7.9) аналогично (3.7.5) следует:

lg [%N] = lg [%N]_Fe - - - , (3.7.10)

где [%N]_Fe – растворимость азота в жидком железе.

Значения параметров взаимодействия азота с компонентами чугуна для температуры 1873К (1600 ⁰С) приведены в табл. 3.7.1-3.7.3. Пересчет для других температур осуществляется по формуле [3]:

= [2440/T – 0,305] (3.7.11)

Таблица 3.7.1. Параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна первого порядка, х 10^-2 [3].

J	Al	C	Cr	Cu	Mn	Mo	N	Nb	Ni	P	S	Si	Ti	V
	- 2,8		- 4,7	0,9	- 2	-1,1		- 6		4,5	0,7	4,7	- 53	- 9,3

Таблица 3.7.2. Параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна второго порядка, х 10^-2 [5].

j - j	C-C	V-V	Si-Si	Cr-Cr	Ni-Ni	P-P	S-S	Co-Co	Cu-Cu	Mo-Mo	Mn-Mn
	1,00	0,26	0,08	0,06	0,01					- 0,06	- 0,04

Таблица 3.7.3. Перекрестные параметры взаимодействия азота с компонентами чугуна второго порядка, х 10^-2 [5].

j – k	C-Si	C-Mn	Cr-V	Ni-Mn	Mn-Cr	Ni-Mo	Cr-Ni	Si-Mo	Ni-V	Si-Mn	Si-Cr
	1,00	0,20	0,13	0,08	0,07	0,04	- 0,005	- 0,04	-0,04	-0,09	- 0,15

Влияние основных и легирующих компонентов чугуна на растворимость азота в жидком железе приведено на рис 3.7.5.

Элементы, образующие с азотом прочные нитриды (Zr, Ti, V, Nb и Cr), сильно увеличивают его растворимость в расплаве чугуна. Несколько слабее аналогичное воздействие оказывают такие нитридообразующие элементы как Mn и Mo. Элементы, имеющие низкое сродство к азоту (Cu, Co, Ni), оказывают слабое влияние на растворимость азота в чугуне. Азот образует с железом твердый раствор внедрения. Основные компоненты чугуна (C и Si) имеют с железом более сильные связи, чем с азотом, поэтому они снижают его растворимость в расплаве чугуна.

Содержание легирующего элемента, %

Рис. 3.7.5. Влияние легирующих элементов на растворимость азота в железе при 1873 К

Растворимость азота в чугуне в зависимости от температуры и состава составляет 0,007-0,008 %. Фактическое содержание азота в жидком чугуне близко к этому пределу (при плавке в вагранке и электродуговой печи) или ниже (при индукционной плавке чугуна). Поэтому обычно азот не образует в чугунных отливках дефектов газового происхождения. Однако, проблемы такого характера возникают в случае применения формовочных и стержневых смесей с азотсодержащими, в частности карбамидными, связующими материалами. В этом случае чугун насыщается азотом от формы и стержня. Причем, вследствие малой диффузионной подвижности, он накапливается в основном в поверхностных слоях отливки. Поэтому в них содержание азота может превысить равновесный уровень. Тогда избыточное его количество будет стремиться выделиться из расплава в молекулярном состоянии в виде газовых пузырьков.

Дата добавления: 2014-01-07