blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"blackmet-1081Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESАЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИЛадьяновВладимир Иванович

Зав. отделом структурно-фазовых превращений

las@ftiudm.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7783-8069ДорофеевГеннадий Алексеевич

Главный научный сотрудник

gadorofeev@mail.ruКузьминыхЕвгений Васильевичlas@ftiudm.ruКаревВладислав Александровичlas@ftiudm.ruЛубнинАлексей Николаевичqrcad@mail.ruФизико-технический институт УрО РАН, г. ИжевскRussian Federation2019060220196221081Copyright © Ладьянов В.И., Дорофеев Г.А., Кузьминых Е.В., Карев В.А., Лубнин А.Н., 20192019Ладьянов В.И., Дорофеев Г.А., Кузьминых Е.В., Карев В.А., Лубнин А.Н.Ладьянов В.И., Дорофеев Г.А., Кузьминых Е.В., Карев В.А., Лубнин А.Н.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1081

Высокоазотистые аустенитные стали являются перспективными материалами, обладающими сочетанием высоких свойств прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Однако для производства высокоазотистой стали традиционными методами металлургии под высоким давлением азота требуется энергоемкое и сложное металлургическое оборудование. С точки зрения энергосбережения альтернативным и более простым в исполнении методом получения высокоазотистых сталей может являться алюминотермия (восстановление оксидов металлов металлическим алюминием) под давлением азота. В данной работе проведено термодинамическое моделирование алюминотермических реакций в атмосфере азота; методом алюминотермии под давлением азота выплавлены высокоазотистые безникелевые Cr-N и Cr-Mn-N нержавеющие стали с содержанием азота около 1%; исследованы их структура (методами рентгеновской дифракции, металлографии и просвечивающей электронной микроскопии) и механические свойства. Термодинамический анализ показал, что алюминотермические реакции восстановления не идут до конца. Наиболее важным параметром синтеза является соотношение количеств Al и кислорода в шихте, правильным выбором которого обеспечивается компромисс между полнотой восстановления оксидов, содержанием алюминия и кислорода в стали (степенью раскисления) и загрязненностью ее нитридом алюминия. Слитки Cr-N стали в литом состоянии имели структуру азотистого перлита (феррито-нитридная смесь), а Cr-Mn-N стали – феррито-аустенитную структуру с признаками прерывистого распада аустенита с выделением нитрида Cr2N. Закалка приводила к полной аустенизации обеих сталей. Согласие полученного из дифрактограмм параметра решетки аустенита закаленной Cr-Mn-N стали с ожидаемым параметром по известной концентрационной зависимости для Cr-Mn-N сталей свидетельствовало о том, что все легирующие элементы (включая азот) растворены в аустените в результате выдержки при температуре закалки и зафиксированы в твердом растворе закалкой. Исследование механических свойств закаленной Cr-Mn-N стали показало сочетание высоких значений прочности и пластичности. Сделан вывод, что методом алюминотермии может быть получена высокоазотистая сталь, по механическим свойствам не уступающая промышленным сталям-аналогам, полученным электрошлаковым переплавом под давлением азота.

высокоазотистые сталиалюминотермия под давлением азотатермодинамикаструктурамеханические свойстваФизико-технический институт УрО РАН, г. ИжевскReferencesШпайдель М.О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. С. 9–14.Шпайдель М.О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. С. 9–14.Лякишев Н.П., Банных О.А. Новые конструкционные стали со сверхравновесным содержанием азота // Перспективные материалы. 1995. №1. С.73-82.Лякишев Н.П., Банных О.А. Новые конструкционные стали со сверхравновесным содержанием азота // Перспективные материалы. 1995. №1. С.73-82.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. - 378 p. Doi: 10.1007/978-3-662-03760-7Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. - 378 p. Doi: 10.1007/978-3-662-03760-7Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. - София: БАН, 1995. - 268 с.Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. - София: БАН, 1995. - 268 с.Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. Алюминотермия. - М.: Металлургия, 1978. - 424 с.Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. Алюминотермия. - М.: Металлургия, 1978. - 424 с.Yukhvid V.I. SHS-Metallurgy: Fundamental and applied research // Advanced Materials & Technologies. 2016. No. 4. P. 23-34. Doi: 10.17277/amt.2016.04.pp.023-034Yukhvid V.I. SHS-Metallurgy: Fundamental and applied research // Advanced Materials & Technologies. 2016. No. 4. P. 23-34. Doi: 10.17277/amt.2016.04.pp.023-034Merzhanov A.G. Problems of combustion in chemical technology and in metallurgy // Russ. Chem. Rev. 1976. Vol. 45. No. 5. P. 409-420. Doi: 10.1070/RC1976v045n05ABEH002645Merzhanov A.G. Problems of combustion in chemical technology and in metallurgy // Russ. Chem. Rev. 1976. Vol. 45. No. 5. P. 409-420. Doi: 10.1070/RC1976v045n05ABEH002645Yeh C.L., Liu E.W. Combustion synthesis of chromium nitrides by SHS of Cr powder compacts under nitrogen pressures // J. Alloys Compounds. 2006. Vol. 426. P. 131–135. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.082Yeh C.L., Liu E.W. Combustion synthesis of chromium nitrides by SHS of Cr powder compacts under nitrogen pressures // J. Alloys Compounds. 2006. Vol. 426. P. 131–135. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.082Дорофеев Г.А., Ладьянов В.И., Лубнин А.Н., Карев В.А., Пушкарев Б.Е., Мокрушина М.И. Влияние механоактивации на состав нитридов переходных металлов, полученных в процессе СВС под давлением азота // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12. № 1. С. 5-12.Дорофеев Г.А., Ладьянов В.И., Лубнин А.Н., Карев В.А., Пушкарев Б.Е., Мокрушина М.И. Влияние механоактивации на состав нитридов переходных металлов, полученных в процессе СВС под давлением азота // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12. № 1. С. 5-12.Mansurov Z.A., Fomenko S.M., Alipbaev A.N., Abdulkarimova R.G., Zarko V.E. Aluminothermic combustion of chromium oxide based systems under high nitrogen pressure // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2016. Vol. 52. No. 2. P. 184–192. Doi: 10.1134/S0010508216020088Mansurov Z.A., Fomenko S.M., Alipbaev A.N., Abdulkarimova R.G., Zarko V.E. Aluminothermic combustion of chromium oxide based systems under high nitrogen pressure // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2016. Vol. 52. No. 2. P. 184–192. Doi: 10.1134/S0010508216020088Feizabadi J., Khaki J.V., Sabzevar M.H., Sharifitabar M., Sani S.A. Fabrication of in situ Al2O3 reinforced nanostructure 304 stainless steel matrix composite by self-propagating high temperature synthesis process // Mater. Design. 2015. Vol. 84. P. 325–330. Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.138Feizabadi J., Khaki J.V., Sabzevar M.H., Sharifitabar M., Sani S.A. Fabrication of in situ Al2O3 reinforced nanostructure 304 stainless steel matrix composite by self-propagating high temperature synthesis process // Mater. Design. 2015. Vol. 84. P. 325–330. Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.138Moore J.J., Feng H.J. Combustion synthesis of advanced materials: Part I. Reaction parameters // Progress in Materials Science. 1995. Vol. 39. P. 243-273. Doi: 10.1016/0079-6425(94)00011-5Moore J.J., Feng H.J. Combustion synthesis of advanced materials: Part I. Reaction parameters // Progress in Materials Science. 1995. Vol. 39. P. 243-273. Doi: 10.1016/0079-6425(94)00011-5Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 68–92. Doi: 10.1007/s10853-011-5926-5Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 68–92. Doi: 10.1007/s10853-011-5926-5Balachandran G., Bhatia M.L., Ballal N.B., Krishna Rao P. Some theoretical aspects on designing nickel free high nitrogen austenitic stainless steels // ISIJ Intern. 2001. Vol. 41. No. 9. P. 1018 - 1027. Doi: http://doi.org/10.2355/isijinternational.41.1018Balachandran G., Bhatia M.L., Ballal N.B., Krishna Rao P. Some theoretical aspects on designing nickel free high nitrogen austenitic stainless steels // ISIJ Intern. 2001. Vol. 41. No. 9. P. 1018 - 1027. Doi: http://doi.org/10.2355/isijinternational.41.1018Дорофеев Г.А., Карев В.А., Кузьминых Е.В., Ладьянов В.И., Лубнин А.Н., Ваулин А.С. Мокрушина М.И. К вопросу получения высокоазотистой коррозионно-стойкой стали алюминотермическим методом в среде азота высокого давления // Металлы. 2013, № 1. С. 3-14.Дорофеев Г.А., Карев В.А., Кузьминых Е.В., Ладьянов В.И., Лубнин А.Н., Ваулин А.С. Мокрушина М.И. К вопросу получения высокоазотистой коррозионно-стойкой стали алюминотермическим методом в среде азота высокого давления // Металлы. 2013, № 1. С. 3-14.Кузьминых Е.В., Карев В.А., Дорофеев Г.А. и др. Способ выплавки стали, легированной азотом. // Патент РФ № 2446215 от 27.03.2012 г.Кузьминых Е.В., Карев В.А., Дорофеев Г.А. и др. Способ выплавки стали, легированной азотом. // Патент РФ № 2446215 от 27.03.2012 г.Фромм Е, Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах. - М.: Металлургия, 1980. - 711 c.Фромм Е, Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах. - М.: Металлургия, 1980. - 711 c.Вагнер К. Термодинамика сплавов.- М.: Металлургиздат, 1957. - 179 с.Вагнер К. Термодинамика сплавов.- М.: Металлургиздат, 1957. - 179 с.Temkin M. Mixtures of fused salts as ionic solutions // Acta Phys. Chim. U.R.S.S. 1945. Vol. 20. P. 411-420.Temkin M. Mixtures of fused salts as ionic solutions // Acta Phys. Chim. U.R.S.S. 1945. Vol. 20. P. 411-420.Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1969. - 252 с.Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1969. - 252 с.Srinivas N.C.S., Kutumbarao V.V. On the discontinuous precipitation of Cr2N in Cr-Mn-N austenitic stainless steels // Scr. Mater. 1997. Vol. 37. No. 3. P. 285-291. Doi: https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00112-7Srinivas N.C.S., Kutumbarao V.V. On the discontinuous precipitation of Cr2N in Cr-Mn-N austenitic stainless steels // Scr. Mater. 1997. Vol. 37. No. 3. P. 285-291. Doi: https://doi.org/10.1016/S1359-6462(97)00112-7Kallio M., Ruuskanen P., Maki J., Poylio E., Lahteenmaki S. Use of the aluminothermic reaction in the treatment of steel industry by-products // J. Mater. Synthes. Proc. 2000. Vol. 8. No. 2. P. 87-92. Doi: 10.1023/A:1026569903155Kallio M., Ruuskanen P., Maki J., Poylio E., Lahteenmaki S. Use of the aluminothermic reaction in the treatment of steel industry by-products // J. Mater. Synthes. Proc. 2000. Vol. 8. No. 2. P. 87-92. Doi: 10.1023/A:1026569903155Carvalho P.A., Machado I.F., Solorzano G., Padilha A.F. On Cr2N precipitation mechanisms in high-nitrogen austenite // Phil. Magaz. 2008. Vol. 88. No. 2. P. 229 – 242. Doi: 10.1080/14786430701805590Carvalho P.A., Machado I.F., Solorzano G., Padilha A.F. On Cr2N precipitation mechanisms in high-nitrogen austenite // Phil. Magaz. 2008. Vol. 88. No. 2. P. 229 – 242. Doi: 10.1080/14786430701805590http://www.energietechnik-essen.de/de/produkte/stickstoffstaehle/druckaufgestickte-austenite.html.http://www.energietechnik-essen.de/de/produkte/stickstoffstaehle/druckaufgestickte-austenite.html.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.