blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-7-503-510blackmet-1675Research ArticleСТАЛИ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯSUPERDUTY STEELВысокоазотистые сталиHigh nitrogen steelsРашевЦ. В.RashevTs. V.

д.т.н., профессор, вице-президент

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Vice-President

ЕлисеевА. В.EliseevA. V.

генеральный директор

General Director

ЖековаЛ. Ц.ZhekovaL. Ts.

к.т.н., доцент

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor

kdlacky@yahoo.comБогевП. В.BogevP. V.

вице-президент

Vice-President

OOO «Исибичи»БолгарияLLC IsibichiBulgariaООО «Пульсар»РоссияLLC “Pul’sar”Russian FederationИнститут металловедения, сооружений и технологий Болгарской Академии НаукБолгарияInstitute of Metal Science, Equipment and Technologies, Bulgarian Academy of ScienceBulgariaООО «Павел Венков»БолгарияLLC “Pavel Venkov”Bulgaria201922082019627503510Copyright © Рашев Ц.В., Елисеев А.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В., 20192019Рашев Ц.В., Елисеев А.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В.Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V.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/1675

В данной статье представлен краткий обзор по свойствам и технологии производства высокоазотистых сталей (ВАС), отличающихся рядом преимуществ перед традиционными сталями. Основные из них: до четырех раз выше предел текучести при уникальном сохранении остальных характеристик; уменьшение расхода или 100 %-ное исключение применения некоторых дорогих легирующих элементов, таких как Ni, Mo, Co, Wи др.; эффективное легирование нетрадиционными элементами (Ca, Zn, Pb и др). Рассмотрены основы технологии ВАС, зависимости свойств от содержания азота в сталях, обсуждены технологии получения феррито-перлитной, мартенситной и аустенитной стали, их свойства и возможности применения. Показано, что для феррито-перлитной стали легирование азотом в связи с  его большей растворимостью по сравнению с углеродом требует более точного соблюдения химического состава для исключения получения нерастворимых при термической обработке нитридов. Особенности мартенситных сталей связаны с возможностью образования нитридов и карбонитридов при отпуске. Влияние азота в этих сталях может быть связано с уменьшением размера нитридных частиц по сравнению с карбидными. Повышенная температура устойчивости нитридов и карбонитридов обеспечивает повышение механических и  физических свойств. В аустенитных сталях азот, благодаря сильной γ-образующей эквивалентности никелю, заменяет его в соотношении 1  кг азота  ≈  6  ‒ 39 кг Ni. В аустенитно-мартенситных сталях основную роль играет термический мартенсит, стабильный аустенит получается в процессе его старения при рабочих температурах. Приведены примеры эффективного использования ВАС в ответственных деталях.

The article provides a brief overview of the properties and production technology of high-nitrogen steels (HNS), which have several advantages over traditional ones. The main advantages are: up to four times higher yield strength with unique preservation of the remaining characteristics; reduction in consumption or a 100  % elimination of the use of some expensive alloying elements, such as Ni, Mo, Co, W, and others; effective alloying with unconventional elements (Ca, Zn, Pb, etc.). The basics of HNS technology, dependence of the properties on nitrogen content in steels, producing technologies for ferritic-pearlitic, martensitic and austenitic steel, their properties and applicability are discussed. Alloying with nitrogen for ferritic-pearlitic steel requires more precise adherence to the chemical composition in order to prevent the formation of insoluble nitrides during heat treatment (due to its greater solubility compared to carbon). Features of martensitic steels are associated with the possibility of formation of nitrides and carbonitrides during tempering. The possible effect of nitrogen in these steels may be as a decrease in the size of nitride particles as compared with carbide ones. Increased stability temperature of nitrides and carbonitrides provides increased mechanical and physical properties. In austenitic steels, nitrogen, due to the strong γ-forming equivalence to nickel, replaces it in a ratio of 1  kg of nitrogen  ≈  6  –  39  kg  Ni. In austenitic-martensitic steels, the main role is played by thermal martensite. Stable austenite is obtained in the process of its aging at operating temperatures. Examples of effective use of HNS in important details are described.

высокоазотистые сталиметаллургия под давлениемазотистый аустенитазотистый мартенситметод большой сталеплавильной ванныметод компрессионного электрошлакового переплаваметод плазменно-дугового переплава под давлениемhigh-nitrogen steelsmetallurgy under pressurenitrogenous austenitenitrogenous martensitemethod of large steel-smelting bathcompression electroslagremelting methodmethod of plasmaarc remelting under pressureReferencesРашев Ц. Высокоазотистые стали. Металургия под давлением. – София: Изд-во Болгарской АН, 1995. – 268 c.Rashev Ts. High Nitrogen Steels. Metallurgy under Pressure: Monograph. Sofia: Bulg. Acad. Sci., 1995.Рашев Ц. Добиване на легирани стомани. – София: Изд-во Болгарской АН, 1978. – 246 c.Rashev Ts.V. Dobivane na legirani stomani: monografiya (Production of Alloyed Steel: Monograph). Sofia: Bulg. Acad. Sci., 1978. (In Bulg.).Рашев Ц.В., Рашева И., Димитров Л. П. и др. Инструментальные стали. – София: Техника, 1990. – 224 c.Rashev Ts.V., Rasheva I., Dimitrov L. P. etc. Instrumental’nye stali [Tool steels]. Sofiya: Tekhnika, 1990, 224 p. (In Bulg.).Рашев Ц. Производство легированной стали. – М.: Металлургия, 1981. – 258 c.Rashev Ts.V. Proizvodstvo legirovannoi stali [Production of alloyed steel]. Moscow: Metallurgiya, 1981, 246 p. (In Russ.).Mudali K., Baldev R. HNS and stainless steels: Int. Monograph. Narosa, New Delhi, India, 2004. Р. 266 – 269.Mudali K., Baldev R. HNS and stainless steels. In: Int. Monograph. Narosa, New Delhi, India, 2004, pp. 266–269.Рашев Ц.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В.О развитии металлургии под давлением // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. № 1. C. 60 – 66.Rashev Ts.V., Zhekova L.Ts., Bogev P.V. Development of metallurgy under pressure. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 1, pp. 60–66. (In Russ.).Лакомский В.И. Плазменно-дуговой переплав. – Киев: Техника, 1974. – 336 с.Lakomskii V.I. Plazmenno-dugovoi pereplav [Plasma-arc remelting]. Kiev: Tekhnika, 1974, 336 p. (In Russ.).Holzgruber W. Process technology for HNS. Austrian Patent No. 333 327, S12. 1974.Holzgruber W. Process technology for HNS. Austrian Patent no. 333 327, S12. 1974.Stein G., Menzel H., Dörr H. Industrial manufacture of massively nitrogen-alloyed steels // High Nitrogen Steels: Proceedings of HNS 88. The institute of metals. 1989. P. 32 – 38.Stein G., Menzel H., Dörr H. Industrial manufacture of massively nitrogen-alloyed steels. In: High Nitrogen Steels: Proceedings of HNS 88. The institute of metals. 1989, pp. 32–38.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steels: Monodraph. – Berlin: Springer, 1999. – 378 p.Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steels: Monograph. Berlin: Springer, 1999, 378 p.INCTECO Company. Available at URL: http://inteco.at/INCTECO Company. Available at URL: http://inteco.atAndreev C., Rashev Ts. Chromium-manganese stainless steels with nitrogen content up to 2.10 wt % // Materials Science Forum. 1999. Vols. 318 – 320. P. 255 – 258.Andreev C., Rashev Ts. Chromium-manganese stainless steels with nitrogen content up to 2.10 wt %. Materials Science Forum. 1999, vols. 318–320, pp. 255–258.Sieverts A.Z. Die absorption von stickstoff durch eisen // Zeitschr. Phys. Chem. 1931. Bd. A155. S. 299 – 313.Sieverts A.Z. Die Absorption von Stickstoff durch Eisen. Zeitschr. Phys. Chem. 1931, Bd. A155, S. 299–313. (In Germ.).Rašev Z., Ivanov R. Die Stickstofflöslichkeit in Eisen‐Chrom‐ Mangan‐Schmelzen bei 1600°C und Gasdrücken bis zu 25 bar // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1979. Vol. 50. No. 9. P. 369 – 371.Rašev Z., Ivanov R. Die Stickstofflöslichkeit in Eisen‐Chrom‐Mangan‐Schmelzen bei 1600 °C und Gasdrücken bis zu 25 bar. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1979, vol. 50, no. 9, pp. 369–371. (In Germ.).Рашев Ц.В., Иванов Р.И., Саръиванов Л. Установка для определения растворимости азота в жидких металлах под давлением методом взвешенной капли // Заводская лаборатория. 1978. № 7. С. 28 – 29.Rashev Ts.V., Ivanov R.I., Sar”ivanov L. Installation for determining the nitrogen solubility in liquid metals under pressure by the method of suspended droplet. Zavodskaya laboratoriya. 1978, no. 7, pp. 28–29. (In Russ.).Рашев Ц.В., Иванов Р.И., Саръиванов Л. И. др. Исследование разтворимости азота в нержавеющих безникилевых сталях в условиях метода БСВ // Материалознание и технология. 1978. № 6. С. 3 – 8.Rashev Ts.V., Ivanov R.I., Sar”ivanov L., Andreev Ch., Andreev N. Investigation of nitrogen solubility in stainless non-nickel steels by the of large steel-smelting bath. Materialoznanie i tekhnologiya. 1978, no. 6, pp. 3–8. (In Russ.).Rashev Z., Rasheva I., Saraiwanov L. Phisikalisch-chemische Untersuchungsmethode zur Erforschung des Systems “Metall-Schlacke-Gas” unter erhöhtem Gasdruck // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1982. Vol. 5. No. 1. P. 1 – 4.Rashev Z., Rasheva I., Saraiwanov L. Phisikalisch-chemische Untersuchungsmethode zur Erforschung des Systems “Metall-Schlacke-Gas” unter erhöhtem Gasdruck. Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1982, vol. 5, no. 1, pp. 1–4. (In Germ.).HNS‘88, Proceeding of the 1st Int. Conference, Lille, France. Foct J., Henry H. eds. Institute of Metal, 1988.HNS’88, Proceeding of the 1st Int. Conference, Lille, France. Foct J., Henry H. eds. Institute of Metal, 1988.HNS’89, Proceeding of the 2nd Int. Conference, Sofia, Bulgaria. Rashev Ts., Andreev Ch. eds. 1990. Vols. I, II.HNS’ 89, Proceeding of the 2nd Int. Conference, Sofia, Bulgaria. Rashev Ts., Andreev Ch. eds., 1990, vols. I, II.HNS’90, Proceeding of the 3rd Int. Conference, Germany. Stahl und Eissen. 1990.HNS’90, Proceeding of the 3rd Int. Conference, Germany. Stahl und Eissen. 1990.HNS’93, Proceeding of the 4th Int. Conference, Kiev, Ukraine. Gavriljuk V.G. ed. 1993.HNS’93, Proceeding of the 4th Int. Conference, Kiev, Ukraine. Gavriljuk V.G. ed., 1993.Special Issue on High Nitrogen Steels, HNS‘95 // ISIJ International Iron and Steel Institute of Japan.1996. Vol. 36. No. 7.Special Issue on High Nitrogen Steels, HNS’95. ISIJ International Iron and Steel Institute of Japan. 1996, vol. 36, no. 7.HNS’98, Proceeding of the 5th Int. Conference, Held in Espoo, Finland, may 27 – 28, 1998, Stocholm, Sweeden, may 27 – 28, 1998. Hanninen H. ed. Trans Tech. Publication LTD., 1998.HNS’98, Proceeding of the 5th Int. Conference, Espoo, Finland, may 27-28, 1998, Stocholm, Sweeden, may 27-28, 1998. Hanninen H. ed. Trans Tech. Publication LTD., 1998.HNS’2002, Proceeding of the 6th Int. Conference, Madras, India. Trans. Indian Institute Met., Part A, B. 2002. Vol. 55. No. 4.HNS’2002, Proceeding of the 6th Int. Conference, Madras, India. Trans. Indian Institute Met., Part A, B, vol. 55, no. 4, 2002.HNS’2003, Proceeding of the Conference, Zurich, Swissland. Speidel M.O. ed. Institute of Metallurgy, ETH, 2003.HNS’2003, Proceeding of the Conference, Zurich, Swissland. Speidel M.O. ed. Institute of Metallurgy, ETH, 2003.HNS’2004, Proceeding of the 7th Int. Conference, Ostend, Belgium. Akdut N., Foct J. eds. GRIPS media, 2004.HNS’2004, Proceeding of the 7th Int. Conference, Ostend, Belgium. Akdut N., Foct J. eds. GRIPS media, 2004.HNS’2006, Proceeding of the Conference, Beijing, China. Dong H., Speidel M.O. eds. Beijing, Metallurgical Industries Press, 2006.HNS’2006, Proceeding of the Conference, Beijing, China. Dong H., Speidel M.O. eds. Beijing, Metallurgical Industries Press, 2006.HNS’2009, Proceeding of the 8th Int. Conference, Moscow, Russia. Swiazyn A.G. ed. Moscow, 2009.HNS’2009, Proceeding of the 8th Int. Conference, Moscow, Russia. Swiazyn A.G. ed. Moscow, 2009.HNS’2012, Proceeding of the Conference, Madras, India. Mudali K., Baldev R. eds., 2012.HNS’2012, Proceeding of the Conference, Madras, India. Mudali K., Baldev R. eds., 2012.HNS’2014, Proceeding of the Int. Conference, Germany. 2014.HNS’2014, Proceeding of the Int. Conference, Germany. 2014.Parshorov I., Stojchev T. In: HNS’89, Varna, Bulgaria. 1989. Vol. I. P. 109 – 114.Parshorov I., Stojchev T. In: HNS’89, Varna, Bulgaria. 1989, vol. I, pp. 109–114.Sumin V.V., Chimid G., Rashev Ts., Saryivanov L.The neotronspectrocopy of the strong CrN-N interactions in Nitrogen Stainless Steels // Materials Science Forum. 1999. Vol. 318 – 320. P. 31 – 40. Trans. Tech. Publication, Switzerland.Sumin V.V., Chimid G., Rashev Ts., Saryivanov L.The neotronspectrocopy of the strong CrN-N interactions in Nitrogen Stainless Steels. Materials Science Forum. 1999, vol. 318–320, pp. 31–40. Trans. Tech. Publication, Switzerland.Каменова Ц., Банов Р. Структура азотистого аустенита // Болгарский журнал физика.1982. Т. 9. № 1. С. 17.Kamenova Ts., Banov R. Structure of nitrous austenite. Bolg. zhurnal fizika. 1982, vol. 9, no. 1, p. 17. (In Bulg.).Gavriljuk V.G. In: HNS’89, Varna, Bulgaria. 1989. Vol. 1. P. 36 – 40.Gavriljuk V.G. In: HNS’89,Varna, Bulgaria. 1989, vol. 1, pp. 36–40.Nickel-free corrosion steel. Certificate of authorship no. 78777 Bulgaria; publ. 06.03.1987.Nickel-free corrosion steel. Certificate of authorship no. 78777 Bulgaria; publ. 06.03.1987. (In Bulg.).А. с. 29204 Болгария. Рашев Ц., Андреев Ч., Манчев М. Неръждаема стомана; опубл. 05.03.1979.Rashev Ts., Andreev Ch., Manchev M. Ner”zhdaema stomana [Stainless steel]. Certificate of authorship no. 29204 Bolgariya; publ. 05.03.1979. (In Bulg.).А. с. 82366 Болгария. Быстрорежущая сталь / Ц. Рашев, И. Рашева, Л. Благоев и др.; опубл. 25.12.1987.Rashev Ts., Rasheva I., Blagoev L. etc. Bystrorezhushchaya stal’ [Rapid steel]. Certificate of authorship no. 82366 Bolgariya; publ. 25.12.1987. (In Bulg.).Рашев Ц., Каменова Ц. и др. Анализ неметаллических включений в Cr-Mn сталях с повышенным содержанием азота // Техническа мисъл.1978. Т.15. С. 103 – 110.Rashev Ts., Kamenova Ts. etc. Analysis of nonmetallic inclusions in Cr-Mn steels with high nitrogen content. Tekhnicheska mis”l. 1978, vol. 15, pp. 103–110. (In Bulg.).Банов Р., Пършоров П., Каменова Ц. Модель релаксации в аустенитных сталях, легированных азотом // Известия АН СССР. Сер. Металлы. 1978. № 3. С. 178 – 182.Banov R., P”rshorov P., Kamenova Ts. Model of relaxation in austenitic steels alloyed by nitrogen. Izvestiya AN SSSR. Ser. Metally. 1978, no. 3, pp. 178–182. (In Russ.).А. с. 18721 Болгария. Корозионноустойчивая сталь / И. Димов, Ц. Рашев, Р. Иванов, Ч. Андреев; опубл. 11.04.1973.Dimov I., Rashev Ts., Ivanov R., Andreev Ch. Korozionnoustoichivaya stal’ [Corrosion resistant steel]. Certificate of authorship no. 18721 Bolgariya; publ. 11.04.1973. (In Bulg.).Pat. 411930 Bulgaria. Dimov I., Rashev Tz. Corrosion resistant steel; publ. 11.04.1973.Dimov I., Rashev Tz. Corrosion resistant steel. Patent no. 411930 Bulgaria; publ. 11.04.1973. (In Bulg.).Speidel M.O. Properties of high nitrogen steels // HNS’ 90, Germany. Stahl und Eisen.1990. Р. 128 – 131.Speidel M.O. Properties of high nitrogen steels. In: HNS’ 90, Germany. Stahl und Eisen, 1990, pp. 128–131.Uggowitzer P.J., Speidel M.O. Ultrahigh-strength austenitic steels // HNS’ 90, Germany. Stahl und Eisen. 1990. P. 156 – 160.Uggowitzer P.J., Speidel M.O. Ultrahigh-strength austenitic steels. In: HNS’ 90 Germany. Stahl und Eisen, 1990, pp. 156–160.Menzel J., Dahlmann P., Stein G. Manufacturing of N-alloyed Steels in a 20t PESR Furnace // HNS 88, Lille, France. 1988.Menzel J., Dahlmann P., Stein G. Manufacturing of N-alloyed Steels in a 20t PESR Furnace. In: HNS 88, Lille, France. 1988.Немировский Ю.Р., Хадыев М.С., Филиппов М.А. и др. Структура стали Х21Al3 и процессы фазовых превращений при неполной закалке высокоазотистых Fe-Cr сталей // Физика Металлов и Металловедение. 2002. Т. 93. № 5. С. 484 – 488.Nemirovskii Yu.R., Khadyev M.S., Filippov M.A., Belozerova T.A., Blinov V.M., Kostina M.V., Dymov A.V. Structure of the Kh21A13 steel and phase transformations upon incomplete quenching of high-nitrogen Fe-Cr steels. Physics of Metals and Metallography. 2002, vol. 93, no. 5, pp. 484–488.Han Dong, Yuping Lang. The recent progress of product technologies of HNS in China // HNS 2006, Beijing, China. Metall Burgycal Industries Press, 2006. P. 21 – 23.Han Dong, Yuping Lang. The recent progress of product technologies of HNS in China: HNS 2006, Beijing, China. Metall Burgycal Industries Press, 2006, pp. 21–23.Пат. 1627584 СССР. Сталь / З.Н. Петропавловская, А.В. Рабинович, Я.М. Васильев и др.; опубл. 15.02.1991.Petropavlovskaya Z.N., Rabinovich A.V., Vasil’ev Ya.M. etc. Stal’. Patent USSR no. 1627584 SSSR: publ. 15.02.1991. (In Russ.).Борисов В.П., Петропавловская З.Н., Харина И.Л. и др. Влияние азота на структуру и свойства стали для лопаток // “HNS 89”, 1 – 3 окт., 1989, Варна, България. Vol. 1. P. 154 – 156.Borisov V.P., Petropavlovskaya Z.N., Kharina I.L. etc. Influence of nitrogen on structure and properties of steel for blades. In: HNS 89, Varna, Bulgaria. 1989, vol. 1, pp. 154–156. (In Russ.).А. с. 1872 Болгария. Рашев Ц. Высокоазотистая сталь; опубл. 11.04.1973.Rashev Ts. Vysokoazotistaya stal’ [High-nitrogen steel]. Certificate of authorship Bolgariya no. 1872; publ. 11.04.1973. (In Bulg.).Pat. 4116683 USA. Dimov I., Rashev Tz. Nikel-freeaustenitic corrosion-resistant steel; publ. 26.09.1978.Dimov I., Rashev Tz. Nikel-free austenitic corrosion-resistant steel. Patent no. 4116683 USA; publ. 26.09.1978. (In Bulg.).Dimov I., Rashev Ts., Ivanov R., Andreev Ch. Nickel-free chromium-manganese stainless steels // Proc. of Symp. on Cast Counter Pressure, Varna, 1973. Р. 90 –102.Dimov I., Rashev Ts., Ivanov R., Andreev Ch. Nickel-free chromium-manganese stainless steels. Proc. of Symp. on Cast Counter Pressure, Varna, 1973, pp. 90–102. (In Bulg.).Приданцев М.В., Талов Н.П., Левин Ф.Л.Высокопрочные аустенитные стали. – М.: Металлургия, 1969. – 248 с.Pridantsev M.V., Talov N.P., Levin F.L.Vysokoprochnye austenitnye stali [High-strength austenitic steels]. Moscow: Metallurgiya, 1969, 248 p. (In Russ.).Пат. 2573283 РФ. Рашев Ц.В., Елисеев А.В. Способ производства металлургических заготовок, фасонного литья и устройство для его осуществления; опубл. 01.20. 2016.Rashev Ts.V., Eliseev A.V. Sposob proizvodstva metallurgicheskikh zagotovok, fasonnogo lit’ya i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Method for the production of metallurgical billets, shaped casting and unit for its implementation]. Patent no. 2573283 RF; publ. 01.20.2016. (In Russ.).Пат. 2605720 РФ. Елисеев А.В., Рашев Ц.В. Способ производства металлургических заготовок с пористой структурой и устройство для его осуществления; опубл. 27. 07.2017.Eliseev A.V., Rashev Ts.V. Sposob proizvodstva metallurgicheskikh zagotovok s poristoi strukturoi i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Method for the production of metallurgical billets with a porous structure and unit for its implementation]. Patent no. 2605720 RF; publ. 27. 07.2017. (In Russ.).

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