Нитриды в стали являются одной из разновидностей неметаллических включений. По происхождению различают эндогенные и экзогенные неметаллические включения.
(Эндоге́нный - возникающий, действующий внутри чего-либо, вызываемый внутренними причинами. Экзогенный - (от греч. ехо – вне, снаружи и genos – род, происхождение) возникший под влиянием чего-то внешнего, вызванный внешней причиной.)
Эндогенные включения образуются в металле во время его производства. Они выделяются в результате гомогенных реакций. Наиболее часто источниками неметаллических включений являются кислород и сера. Азот и фосфор образуют соединения с металлами, свойства которых, подобно свойствам карбидов, близки к свойствам металлов. Эти соединения за исключением некоторых специальных нитридов, обычно считают структурными составляющими сплавов. Реакции, в результате которых образуются окислы и сульфиды, вызываются добавками, вводимыми в сталь, или происходят просто при изменении растворимости во время охлаждения и затвердевания металла. Способ и время образования эндогенных включений обусловливает их склонность к весьма однородному распределению, что вообще характерно для них.
Экзогенные включения возникают либо из огнеупоров и шлаков, либо из смеси этих веществ с продуктами раскисления, не успевшие всплыть на поверхность жидкого металла или раствориться. Эти включения трудно исследовать, так как условия их образования очень разнообразны. Однако их легко можно отличить от большинства эндогенных включений обычно благодаря большому размеру, спорадическому виду, преимущественному распределению в слитке или отливке, неправильной форме и сложной структуре.
Размеры неметаллических включений колеблются от нескольких мм до долей мкм.
Нитриды являются эндогенными неметаллическими включениями.
В соответствии с данными Википедии нитриды — это соединения азота с менее электроотрицательными элементами, например, с металлами (AlN;TiNx;Na3N;Ca3N2;Zn3N2; и т. д.) и с рядом неметаллов (NH3, BN, Si3N4).
Различают нитриды простые ( ZrN, TiN, AlN, CeN и др.) и сложные ( Nb(C, N), V(С, N) и др.), встречающиеся в легированных сталях, имеющих в своем составе сильные нитридообразующие элементы: титан, алюминий, ванадий, церий и др.
По ГОСТ 1778-70 «Металлографические методы определения неметаллических включений» к нитридам относятся:
• строчки и рассредоточенные по всему полю зрения желто-розовые кристаллы нитридов и карбонитридов титана, преимущественно правильной формы;
• строчки и рассредоточенные по всему полю зрения бледно-розовые включения нитридов и карбонитридов ниобия неправильной и округлой формы;
• темные кристаллы нитридов алюминия, в основном правильной формы, анизотропные.
Об отрицательном влиянии нитридов на свойства сталей в литературе сказано немало. Есть и информация в интернете. А вот иллюстративного материала, который давал бы структуру нитридов, в интернете практически нет.
В трехтомнике «Металлография железа» приведены фотографии нитридов хрома и алюминия.
На рис. 1 показана структура хромомарганцевой стали (0,7N, 0,03C, 15Mn, 21,5Cr). Термическая обработка: 1100оС 1 час, закалка в воле, повторный нагрев при 650оС 24 часа. Структура – нитрид хрома Cr2N, обедненный хромом аустенит, межзеренные выделения Cr23C6. Повторный нагрев вызвал ячеистое выделение нитрида хрома по границам зерен.
Рисунок 1. Выделения нитрида хрома; из книги «Металлография железа».
На рис.2 показаны выделения нитрида алюминия в стали Fe, 0,2Al, 0,045C. Термическая обработка: азотирование при 750оС 12 часов в аммиаке, разрушение ударом при -196оС. Зернистые выделения AlN (темная фаза).
Рисунок 2. Нитрид алюминия на изломе образца стали; из книги «Металлография железа».
На рис.3 показаны нитриды в литой стали. Структура: перлит, феррит, структурно-свободный цементит и нитриды различной величины (выглядят как темные черточки), распределенные неравномерно в феррите. Азот формирует сплошные полосы Fe3C возле перлита.
Рисунок 3. Структура литой стали; 200х.
На рис. 4 и 5 показаны нитриды в рельсовой стали. Состав рельсовой стали регламентирован ГОСТом Р 554 97-2013. Содержание легирующих элементов, % масс.:
- Углерод – 0,71 - 0,82;
- Марганец – 0,25 - 1,05;
- Кремний – 0,18 - 0,4;
- Ванадий – 0,012 - 0,08;
- Азот – 0,03 - 0,07;
- Сера – до 0,045;
- Фосфор – до 0,035.
Азот нейтрализует легирующий эффект. Из-за него в стали образуются нитриды, которые не поддаются термоупрочнению, а значит механические свойства готовых изделий снижаются.
Рисунок 4. Видманштеттова структура из ликвационной зоны бессемеровского рельса, устойчивая против термической обработки. Устойчивость обусловлена азотом. 100х
Рисунок 5. Фрагмент рис.4, 400х. Нитриды в ферритной фазе.