Атомарный азот и растворяется, и образует химические соединения в стали.
Повышенной растворимостью обладают диссоциированный азот.
Образуемые химические соединения — нитриды. В сталях азот образует нитриды как с железом, так и с большинством примесей.
С железом азот дает два типа нитридов (химические соединения): Fe4N содержит 5,88% N2, Fe2N — 11,1% N2. Нитриды ионного типа получаются при взаимодействии металлов с азотом при температурах 700—1200 °C. Нитриды образуются в плазме в дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных плазмотронах. В последнем случае нитриды образуются как ультрадисперсные порошки с размером частиц 10-100 нм.
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.
Для сварки большее значение имеет Fe4N. Ультрадисперсные тугоплавкие нитриды с размером частиц 10-100 нм застывают в сварочной ванне быстрее, чем железо, поэтому при повышенной скорости охлаждения металла нитриды железа могут не успеть выпасть из раствора ά-Fe, и последний окажется пересыщенным азотом.
Сварочный нагрев вносит отклонения от равновесного состояния растворимости N в Fe. Общее количество растворенного в металле азота из-за нагрева металла может быть увеличенным.
Растворимость азота в железе значительно зависит от температуры (рис. 113). По мере роста температуры растворимость азота увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты полиморфных превращений железа и при переходе его из твердого состояния в жидкое. Скачкообразные изменения растворимости ведут к образованию газовых пузырьков.
Исследования процесса насыщения металла азотом показали, что возможны такие пути его протекания:
1) диссоциированный азот непосредственно растворяется в жидком металле капель. При последующем охлажденииметалла в условиях соответствующих температур образуются нитриды железа;
2 ) диссоциированный азот образует в области высоких температур стойкие нитриды, которые, растворяясь в каплях жидкого металла, насыщают его азотом.
3) диссоциированный азот образует в высокотемпературной области окись азота NO, которая растворяется в каплях. При температурах металла ниже 1000 °С окись азота выпадает из твердого раствора и диссоциирует; при этом атомарный азот образует нитриды железа, а кислород — оксиды.
Итак: при сварке азот одновременно растворяется в металле и образует химические соединения (нитриды железа) и в конечном итоге насыщает железо азотом и его химическими соединениями.
Находясь в металле в том или ином состоянии, азот весьма сильно влияет на его свойства. Из рис. 114 видно, что с увеличением содержания азота увеличиваются пределы прочности и текучести металла.
Вместе с тем снижаются пластические свойства и особенно резко — ударная вязкость стали. Наряду с этим появляется склонность металла к старению, повышается склонность к хладноломкости и синеломкости, увеличивается способность к закалке, понижается
магнитная проницаемость, увеличивается электрическое сопротивление металла.
Таким образом, в общем случае азот — нежелательная примесь в металле шва, особенно при действии на такой металл динамической нагрузки.
Однако в условиях сварки высоколегированных сталей аустенитного класса азот повышает устойчивость аустенита и выступает как легирующая добавка, способная заменить некоторое количество никеля.