АЛЮМИНОБАРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИ

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.

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. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1999. – 378 p.

4. Рашев Ц.В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. – София: БАН, 1995. – 268 с.

5. Алюминотермия / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, Г.Ф. Игнатенко, С.И. Лаппо – М.: Металлургия, 1978. – 424 с.

6. Yukhvid V.I. SHS-Metallurgy: Fundamental and applied research // Advanced Materials & Technologies. 2016. No. 4. P. 23 – 34.

7. Merzhanov A.G. Problems of combustion in chemical technology and in metallurgy // Russ. Chem. Rev. 1976. Vol. 45. No. 5. P. 409 – 420.

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.

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.

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.

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.

13. Morsi K. The diversity of combustion synthesis processing: a review // J. Mater. Sci. 2012. Vol. 47. P. 68 – 92.

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.

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. 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.

17. Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах / Пер. с нем. – 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.

22. 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.

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.

24. 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.).