АЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИ
Геннадий Алексеевич Дорофеев,
Евгений Васильевич Кузьминых,
Владислав Александрович Карев,
Алексей Николаевич Лубнин Аннотация
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.
Ключевые слова
Об авторах
Владимир Иванович ЛадьяновФизико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск
Россия
Зав. отделом структурно-фазовых превращений
Геннадий Алексеевич Дорофеев
Евгений Васильевич Кузьминых
Владислав Александрович Карев
Алексей Николаевич Лубнин
Список литературы
1. Шпайдель М.О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. С. 9–14.
2. Лякишев Н.П., Банных О.А. Новые конструкционные стали со сверхравновесным содержанием азота // Перспективные материалы. 1995. №1. С.73-82.
3. Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steel: structure, properties, manufacture, applications. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. - 378 p. Doi: 10.1007/978-3-662-03760-7
4. Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. - София: БАН, 1995. - 268 с.
5. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. Алюминотермия. - М.: Металлургия, 1978. - 424 с.
6. 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.023-034
7. Merzhanov 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/RC1976v045n05ABEH002645
8. 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. Doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.082
9. 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.
10. 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/S0010508216020088
11. 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. Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.138
12. 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. Doi: 10.1016/0079-6425(94)00011-5
13. Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 68–92. Doi: 10.1007/s10853-011-5926-5
14. 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. Doi: http://doi.org/10.2355/isijinternational.41.1018
15. 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.
16. Кузьминых Е.В., Карев В.А., Дорофеев Г.А. и др. Способ выплавки стали, легированной азотом. // Патент РФ № 2446215 от 27.03.2012 г.
17. Фромм Е, Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах. - М.: Металлургия, 1980. - 711 c.
18. Вагнер К. Термодинамика сплавов.- М.: Металлургиздат, 1957. - 179 с.
19. Temkin M. Mixtures of fused salts as ionic solutions // Acta Phys. Chim. U.R.S.S. 1945. Vol. 20. P. 411-420.
20. Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1969. - 252 с.
21. 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)00112-7
22. Kallio 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:1026569903155
23. 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. Doi: 10.1080/14786430701805590
24. http://www.energietechnik-essen.de/de/produkte/stickstoffstaehle/druckaufgestickte-austenite.html.
Дополнительные файлы
|
1. Письмо | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(70KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
2. Экспертное заключение | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(2MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
3. Договор о передаче авт. прав | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(424KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
4. Лиценз. договор | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(673KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
5. Рис. 1 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(3MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
6. Рис. 2 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(5MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
7. Рис. 3 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Посмотреть
(515KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
8. Рис. 4 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(7MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
9. Рис. 5 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Посмотреть
(1MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
10. Рис. 6 | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Посмотреть
(491KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
11. Таблицы | |
| Тема | ||
| Тип | Исследовательские инструменты | |
Скачать
(32KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
12. АЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИ | |
| Тема | Исправленный на соответствие требованиям журнала вариант статьи | |
| Тип | Исправленный на соответствие требованиям журнала вариант статьи | |
Скачать
(2MB)
|
Метаданные ▾ | |
Рецензия
Для цитирования:
Ладьянов В.И., Дорофеев Г.А., Кузьминых Е.В., Карев В.А., Лубнин А.Н. АЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИ. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2019;62(2).
Послать статью по эл. почте 