blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-2-154-162blackmet-1589Research ArticleВ ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИIN ORDER OF DISCUSSIONАЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИALUMINOBAROTHERMIC SYNTHESIS OF HIGH-NITROGEN STEELЛадьяновВ. И.Lad’yanovV. I.

д.ф.-м.н., заведующий отделом структурно-фазовых превращений

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of Department of Structural and Phase Transformations

las@ftiudm.ruДорофеевГ. А.DorofeevG. A.

д.ф.-м.н., главный научный сотрудник отдела структурно-фазовых превращений

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher of Department of Structural and Phase Transformations

gadorofeev@mail.ruКузьминыхЕ. В.Kuz’minykhE. V.

ведущий инженер-технолог

Senior Engineer-Technologist

КаревВ. А.KarevV. A.

ведущий инженер-технолог

Senior Engineer-Technologist

ЛубнинА. Н.LubninA. N.

к.ф.-м.н., научный сотрудник отдела структурно-фазовых превращений

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Research Associate of Department of Structural and Phase Transformations

qrcad@mail.ruУдмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАНРоссияUdmurt Federal Research Centre, Ural Branch of RAS, Izhevsk, Udmurtian RepublicRussian Federation201929032019622154162Copyright © 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.Lad’yanov V.I., Dorofeev G.A., Kuz’minykh E.V., Karev V.A., Lubnin A.N.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/1589

Высокоазотистые аустенитные стали являются перспективными материалами, обладающими высокими прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Однако для производства высокоазотистой стали традиционными методами (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 настоящей 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 алюминия и кислорода в шихте, правильным выбором которого обеспечивается компромисс между полнотой восстановления оксидов, содержанием алюминия и кислорода в стали (степенью раскисления), а также 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 Cr2 N. Закалка приводила к полной аустенитизации 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.

High-nitrogen austenitic steels are promising materials, combining high strength, plasticity and corrosion resistance properties. However, to produce high-nitrogen steel by conventional metallurgical methods under high nitrogen pressure, powerful and complex metallurgical equipment is required. From energy-saving viewpoint, an alternative and simpler method for producing high-nitrogen steels can be aluminothermy (reduction of metal oxides by metallic aluminum) under nitrogen pressure. Thermodynamic modeling of aluminothermic reactions in a nitrogen atmosphere was carried out by the authors. Aluminothermy under nitrogen pressure was used to produce high-nitrogen nickel-free Cr – N and Cr – Mn – N stainless steels with a nitrogen content of about 1  %. Microstructure (X-ray diffraction, metallography and transmission electron microscopy techniques) and mechanical properties were examined. Thermodynamic analysis has shown that the aluminothermic reduction reactions do not go to the end. The most important parameter of the synthesis is the ratio of Al and oxygen in the charge, the correct choice of which provides a compromise between completeness of oxides reduction, content of aluminum and oxygen in steel (the degree of deoxidation), and its contamination with aluminum nitride. Cr – N steel ingots in the cast state had the structure of nitrogen perlite (ferrite-nitride mixture), and Cr – Mn – N steel – ferrite-austenite structure with attributes of austenite discontinuous decomposition with Cr2 N precipitations. Quenching resulted in complete austenization of both steels. The compliance of the austenite lattice parameter obtained from the diffractograms for quenched Cr – Mn – N steel with the parameter predicted from the known concentration dependence for Cr – Mn – N austenitic steels indicated that all alloying elements (including nitrogen) were dissolved in austenite during aging at quenching temperature and fixed in the solid solution by quenching. Study of the mechanical properties of quenched Cr – Mn – N steel has shown a combination of high strength and ductility. It is concluded that by the aluminothermic method a high-nitrogen steel can be obtained, which, by mechanical properties, is not inferior to industrial steel  – analog manufacted by electroslag remelting under nitrogen pressure.

высокоазотистые сталиалюминотермия под давлением азотатермодинамикаструктурамеханические свойстваhigh-nitrogen steelsaluminothermy under nitrogen pressurethermodynamicsstructuremechanical propertiesReferencesШпайдель М.О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. С. 9 – 14.Speidel M.O. New nitrogen-bearing austenitic stainless steels with high strength and ductility. Metal Science and Heat Treatment, 2005, vol. 47, no. 11-12, pp. 489–493.Лякишев Н.П., Банных О.А. Новые конструкционные стали со сверхравновесным содержанием азота // Перспективные материалы. 1995. № 1. С. 73 – 82.Lyakishev N.P., Bannykh O.A. New structural steels with superequilibrium nitrogen content. Perspektivnye materialy. 1995, no. 1, pp. 73–82. (In Russ.).Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1999. – 378 p.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1999, 378 p.Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. – София: БАН, 1995. – 268 с.Rashev Ts.V. Vysokoazotistye stali, vyplavlyaemye pod davleniem [High-nitrogen steels, melted under pressure]. Sofia: BAN, 1995, 268 p. (In Russ.).Алюминотермия / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, Г.Ф. Игнатенко, С.И. Лаппо – М.: Металлургия, 1978. – 424 с.Lyakishev N.P., Pliner Yu.L., Ignatenko G.F., Lappo S.I. Alyuminotermiya [Aluminotermy]. Moscow: Metallurgiya, 1978, 424 p. (In Russ.).Yukhvid V.I. SHS-Metallurgy: Fundamental and applied research // Advanced Materials & Technologies. 2016. No. 4. P. 23 – 34.Yukhvid V.I. SHS-Metallurgy: Fundamental and applied research. Advanced Materials and Technologies. 2016, no. 4, pp. 23–34.Merzhanov A.G. Problems of combustion in chemical technology and in metallurgy // Russ. Chem. Rev. 1976. Vol. 45. No. 5. P. 409 – 420.Merzhanov A.G. Problems of combustion in chemical technology and in metallurgy. Russ. Chem. Rev. 1976, vol. 45, no. 5, pp. 409–420.Yeh 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.Yeh 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, pp. 131–135.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.Dorofeev G.A., Lad’yanov V.I., Lubnin A.N., Karev V.A., Pushkarev B.E., Mokrushina M.I. Effect of mechanoactivation on the composition of nitrides of transition metals obtained in the SHS process under nitrogen pressure. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya. 2010, vol. 12, no. 1, pp. 5–12. (In Russ.).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.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, pp. 184–192.Feizabadi 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.Feizabadi 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, pp. 325–330.Moore J.J., Feng H.J. Combustion synthesis of advanced materials: Part I. Reaction parameters // Progress in Materials Science. 1995. Vol. 39. P. 243 – 273.Moore J.J., Feng H.J. Combustion synthesis of advanced materials: Part I. Reaction parameters. Progress in Materials Science. 1995, vol. 39, pp. 243–273.Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 68 – 92.Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review. J. Mater. Sci. 2012, vol. 47, pp. 68–92.Balachandran 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.Balachandran 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, pp. 1018–1027.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.Dorofeev G.A., Karev V.A., Kuz’minykh E.V., Lad’yanov V.I., Lubnin A.N., Vaulin A.S. Mokrushina M.I. Manufacture of highnitrogen corrosion-resistant steel by an aluminothermic method in a high-pressure nitrogen atmosphere. Russian Metallurgy (Metally). 2013, no. 1, pp. 1–10.Пат. № 2446215 РФ. Способ выплавки стали, легированной азотом / Кузьминых Е.В., Карев В.А., Дорофеев Г.А. и др. Опубл. 27.03.2012 г. Бюл. № 9.Kuz’minykh E.V., Karev V.A., Dorofeev G.A. etc. Sposob vyplavki stali, legirovannoi azotom [Method for smelting of steel alloyed by nitrogen] Patent RF no. 2446215. Byulleten’ izobretenii. 2012, no. 9. (In Russ.).Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах / Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1980. – 711 c.Fromm E., Gebhardt E. Gase and kohlenstoff in metals. Berlin: Springer-Verlag, 1976, 712 p. (Russ.ed.: Fromm E., Gebkhard E. Gazy i uglerod v metallakh. Moscow: Metallurgiya, 1980, 712 p.).Вагнер К. Термодинамика сплавов. – М.: Металлургиздат, 1957. – 179 с.Wagner Carl. Thermodynamics of alloys. Cambridge, Addison-Wesley Press, 1952. (Russ.ed.: Wagner C. Termodinamika splavov. Moscow: Metallurgizdat, 1957, 179 p.).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, pp. 411–420.Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с.Elliott John F., Gleiser Molly, Ramakrishna V. Thermochemistry for Steelmaking. Addison – Wesley Inc., 1963. (Russ.ed.: Elliott J., Gleiser M., Ramakrishna V. Termokhimiya staleplavil’nykh protsessov. Moscow: Metallurgiya, 1969, 252 p.).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.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, pp. 285–291.Kallio M., Ruuskanen P., Maki J., Poylio E., Lahteenmaki S. Use of the aluminothermic reaction in the treatment of steel industry byproducts // J. Mater. Synthes. Proc. 2000. Vol. 8. No. 2. P. 87 – 92.Kallio M., Ruuskanen P., Maki J., Poylio E., Lahteenmaki S. Use of the aluminothermic reaction in the treatment of steel industry byproducts. J. Mater. Synthes. Proc. 2000, vol. 8, no. 2, pp. 87–92.Carvalho 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.Carvalho 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, pp. 229–242.Nitrogen-alloyed steels [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.energietechnik-essen.de/de-en/products-services/detail/ nitrogen-alloyed-steels-135/ (Дата обращения: 01.09.2018 г.).Nitrogen-alloyed steels. Electronic resource. Available at URL: https://www.energietechnik-essen.de/de-en/products-services/detail/nitrogen-alloyed-steels-135/ (Accessed: 01.09.2018).

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