氮对金属的作用及机理分析

1.氮的溶解

图6-2　氮的溶解示意图

除少数金属如铜和镍外，氮能以原子的形式溶于大多数的金属中。但由于氮分子分解为原子时所需的温度很高（见图6-1（a）），因此即使在电弧焊的高温下（5 000～6 000K），它的分解度也很小。所以一般加工条件下气相中很少存在能直接溶于金属的原子态氮。此时，它的溶解过程较为复杂，包括如下4个阶段：首先是气相中的氮分子向金属表面移动，之后被金属表面吸附，被吸附的分子在金属表面分解为原子态的氮，最后原子穿过金属表面层向金属深处扩散即溶入液态金属中，如图6-2所示。因此，这是一种纯化学溶解的过程，符合化学平衡法则。

其反应式为

因此，一定温度和一定氮分压的条件下，氮在金属中达到平衡时的浓度即溶解度ω[N]为

式中，KN2——氮溶解反应的平衡常数；

　　pN2——气相中分子氮的分压。

式（6-12）就是一般双原子气体在金属中溶解度的平方根定律。它说明了平衡状态下，高温时双原子气体N2在液态金属中所达到的浓度与该气体分压的平方根成比例。

式（6-12）中的KN2与温度、金属的种类及其状态和结构有关。当金属为液态铁时，KN2与温度的关系为

将式（6-13）代入式（6-12）得：

图6-3　氮与氢在铁（Fe-1%Mn合金）中的溶解度（pH2·pN2=100kPa）

当pN2=100kPa时，氮在铁（含1%Mn）中的溶解度与温度的关系如图所6-3示。由图6-3可知，在液态铁中氮的溶解度随温度升高而增加，但当温度超过2 300℃以后溶解度反而急剧减少，直至铁的沸点（2 750℃）时减至零值。其原因是由于金属大量蒸发而引起pN2减小的结果。另外，从6-3图中还可以看到在凝固和冷却过程中由于相结构发生变化而引起溶解度的突变。此外，当气相中存在有原子和离子状态的氮时，其溶解度就要比仅为分子状态的氮时高得多。此时，氮在金属中的溶解量已不受平方根定律的限制。因此，在用高能量密度的热源（如激光束）加工金属时，熔化金属吸收的气体量比用上述平方根定律计算出来的溶解度高得多。

氮在金属中的溶解度除了与其分压和温度有关外，还与金属的种类和合金的成分有关。一般来说，在活性金属中氮的溶解度更大，在钢中加入不同合金元素时也会影响到它的溶解度（见图6-4）。(www.xing528.com)

2.氮的作用

（1）氮的有害作用。氮经常作为一种有害杂质存在于金属中，其有害作用主要是引起气孔和金属的脆化。

①形成氮气孔：氮是促使铸件或焊缝产生气孔的主要原因之一。液态金属在高温时可以溶解大量的氮，而在凝固时氮的溶解度突然下降，这时，过饱和的氮以气泡的形式从液态金属中逸出，当液态金属的结晶速度大于气泡的逸出速度时，就会形成气孔（如铁液中含氮量超过0.01%时，易导致铸件中形成气孔缺陷），并导致铸件或焊缝承载能力的下降，甚至由于应力集中而成为断裂的裂纹源。

图6-4　钢中合金元素对氮的溶解度的影响（1 600℃）

图6-5　氮对焊缝金属常温力学性能的影响

②引起金属脆化：氮引起金属脆化的主要原因是由于高温下溶入了大量的氮，在冷却过程中由金属内直接析出粗大的氮化物而引起脆化，如含氮量高的钢冷到590℃以下时，过饱和的氮会以针状Fe4N析出，分布于晶界和晶内，引起金属脆化，其脆化作用随含氮量的增加而增加（见图6-5），这对低温韧性的影响更为严重。此外，当氮以过饱和固溶体存在于钢中时，在随后的加工过程中会引起时效脆化（见图6-6）。例如，对含有过饱和氮的钢材（如含氮量高的沸腾钢）进行冷冲、滚圆和弯边等工序后再进行焊接时，会在焊接热的作用下引起钢材的时效脆化。这种情况下冷作引起的塑性变形和焊接引起的再次加热是促使氮的过饱和固溶体发生时效脆化的外界条件。

（2）氮的有益作用。在一些低合金高强正火钢如15MnVN钢中，氮可以与一些合金元素生成氮化物弥散质点，起沉淀强化作用和细化晶粒的作用。为满足大线能量焊接的需要，在一些大线能量焊接用钢中加入微量钛，形成微小的氮化钛质点，起阻止晶粒长大的作用。另外，在有些含镍量低的奥氏体钢中常采用氮来稳定奥氏体，如1Cr18Mn8Ni5N钢。

3.氮的控制

（1）加强保护：对氮的控制主要是加强对金属的保护，防止空气的侵入。因为氮一旦进入液态金属，脱氮就比较困难。在金属熔炼时，应根据不同的冶炼期配制不同组成和数量足够的熔渣，以加强对液态金属的保护。液态金属出炉后应在浇包的液面上用覆盖剂覆盖，以免液态金属与空气接触。

图6-6　应变时效前后低碳钢（0.11%～0.17%C）冲击韧性的变化（预拉形变量10%）

在焊接时，采用不同的焊接方法其保护效果不同，可以从焊缝的氮含量反映出来，如表6-5所示。保护效果主要与不同焊接方法所采用的保护方式（如气保护、渣保护或气渣联合保护）、焊条药皮的成分和数量等有关。

表6-5　用不同方法焊接低碳钢时焊缝的氮含量

（2）适当加入氮化物形成元素：若在液态金属中加入Ti，Al，Zr等能固定氮的元素，形成稳定的氮化物，则可显著降低气孔形成倾向和时效脆化倾向，如铝镇静钢的时效倾向小。

（3）控制加工工艺：以焊接为例，焊接工艺参数对焊缝的含氮量有明显的影响，如电弧电压增加，导致保护作用变差，使焊缝含氮量增加。焊接电流增加时，由于熔滴过渡频率的增加，导致氮与熔滴作用时间减小，使焊缝的氮含量减少。