Preview

Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

Азотосодержащие стали и способы их производства

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены системы легирования Fe – Cr – N, Fe – Cr – Mn – N, Fe – Cr – Ni – Mn – N, Fe – Cr – Ni – N и уделено внимание к ям разработанных, либо уже применяющихся сталей. Рассмотрены механические, эксплуатационные и иные свойства ряда современных легированных азотом сталей с равновесной и сверхравновесной концентрацией азота. Приведены оптимальные интервалы легирования их азотом и оценен вклад азота в формирование структурно-фазового состояния и комплекса их свойств. Например, в системе Fe – Cr – N практический интерес представляют аустенитные стали Fe – (21 – 22)Cr – (1,1 – 1,3)N, закаленные на твердый раствор, технологически пластичные, с пределом текучести 800 МПа и высокой коррозионной стойкостью. Востребованы коррозионностойкие высокопрочные аустенитные стали системы Fe – Cr – Mn – N типа Fe – (18 – 21)Mn – (14 – 22)Cr – (0,4 – >0,6)N, в которых марганец и азот полностью или частично заменяют никель как элементы-аустенитообразователи. Приведены примеры сталей системы Fe – Cr – Mn – Ni – N с высоким уровнем служебных свойств. Поскольку при легировании сталей азотом необходима оценка максимально возможного уровня его содержания (растворимости) в металле, а также создание условий для введения азота в жидкий металл и его сохранения в твердом металле, в работе уделено внимание расчетам растворимости азота, учитывающим влияние на нее химического состава стали, температуры и давления, при которых происходит легирование, а также понятию композиционно устойчивого содержания азота и коэффициенту композиционной устойчивости. Рассмотрены основные способы производства азотированных сталей. Сопоставлено качество металла открытой выплавки и после рафинирующего электрошлакового переплава. Последний позволяет сохранить азот в процессе переплава азотированных сталей, обеспечить равномерное его распределение по высоте и сечению слитка, получить слитки с хорошей поверхностью и плотной структурой с радиально-осевой направленностью и без дефектов усадочного характера. Отмечены преимущества способа электрошлакового переплава под давлением – возможность получить высококачественный металл с содержанием азота выше равновесного (при стандартных условиях) и обеспечить практически идеальную экологию производства.

Об авторах

М. В. Костина
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Россия

д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник, зав. лабораторией физикохимии и механики металлических материалов

119334, Москва, Ленинский пр., 49



Л. Г. Ригина
Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения, ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»
Россия

к.т.н., ведущий научный сотрудник

115088, Москва, Шарикоподшипниковская ул., 4



Список литературы

1. Рашев Ц. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. – София: Изд-во Болгарской АН «Проф. Марин Дринов», 1995. – 268 с.

2. Gavriljuk V.G., Berns H. High Nitrogen Steels: Structure, Properties, Manufacture, Applications. – Berlin; Heidelberg; New York: Springer – Verlag, 1999. – 379 p.

3. Stein G., Hucklenbroich I. Manufacturing and applications of high nitrogen steels // Journal Materials and Manufacturing Processes. 2004. Vol. 19. No. 1. P. 7 – 17.

4. High Nitrogen Steels and Stainless Steels. Manufacturing, Properties and Applications. Raj B. ed. Woodhead Publishing, 2004. – 224 p.

5. Гудремон Э. Специальные стали. – М.: Металлургия, 1966. – 1275 с.

6. Mittemeher E.J., Liu Cheng, van der Schaaf P.J. etc. Analysis of nonisothermaltransformation kinetics; tempering of iron–carbon and iron–nitrogen martensites // Metallurgical Transactions A. 1988. Vol. 19. No. 4. P. 925 – 932.

7. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Berns H. High strength stainless austenitic CrMnN steels – Part III: Electronic properties // Steel Research Int. 2007. Vol. 78. No. 9. P. 724 – 728.

8. Nakamura N., Tsuchiyama T., Takaki S. Effect of structural factors on the mechanical properties of high nitrogen austenitic steels // HNS‘98. Book of abstracts. P. 209 – 214.

9. Костина М.В., Банных О.А., Блинов В.М. Новый немагнитный Fe–Cr–N высокопрочный коррозионно- и износостойкий сплав. Часть I. Влияние хрома и азота на структуру и фазовый состав Fe–Cr–N сплавов // Электрометаллургия. 2005. № 12. С. 26 – 32.

10. Ригина Л.Г. Исследование и разработка технологии ЭШП и ЭШПД хромомарганцевых сталей, легированных азотом. Дис… канд. тех. наук. – М.: ЦНИИТМАШ, 2005. – 146 с.

11. Пат. 2158319 РФ. Высокопрочная коррозионно- и износостойкая немагнитная сталь / О.А. Банных, В.М. Блинов, М.В. Костина и др.; опубл. 27.10.2000.

12. EP 1191116 B1, European patent specification “Austenitic steel”, date of filling 27.03.2001.

13. Костина М.В., Банных О.А., Блинов В.М. Новый немагнитный Fe–Cr–N высокопрочный коррозионно- и износостойкий сплав. Часть II. Свойства и применение нового немагнитного Fe–Cr–N высокопрочного коррозионно- и износостойкого сплава // Электрометаллургия. 2006. № 2. С. 36 – 41.

14. Kostina M.V., Bannykh O.A., Blinov V.M. New nonmagnetic chromium-nitrogen iron-based steel // Proceedings of 7 th Int. Conference “High Nitrogen Steels”, Belgium, Ostende, 19 – 22 September, 2004. P. 395 – 403.

15. Norio Maruyama, Sachiko Hiromoto, Eiji Akiyama and Morihiko Nakamura. Fretting fatigue behaviour of Ni-free high-nitrogen stainless steel in a simulated body fluid // Science and Technology of Advanced Materials. 2013. Vol. 14. No. 2. Article 025002.

16. Ke Yang, Yibin Ren. Nickel-free austenitic stainless steels for medical applications // Science and Technology of Advanced Materials. 2010. Vol. 11. No. 1. P. 13.

17. Berns H., Escher C., Streich W.-D. Martensitic high nitrogen steel for applications at elevated temperature // Materials Science Forum. 1999. Vol. 318 – 320. P. 443 – 448.

18. Ritzenhoff R., Hahn A. Corrosion resistance of high nitrogen steels // Energietechnik-Essen GmbH, Germany. URL: // http://cdn.intechopen.com/pdfs/34481/InTechCorrosion_resistance_of_high_nitrogen_steels.pdf.

19. Schneiders T., Ritzenhoff R., Jung H. etc. Industrial use of austenitic and duplex HNS- manufacture, application and properties // Proceedings of 12 th Int. Conference on High Nitrogen Steels. Hamburg, 2014. P. 120 – 127.

20. Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. Структура и свойства низколегированных высокоазотистых мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 2. С. 3 – 7.

21. Костина М.В., Ригина Л.Г., Блинов В.М., Мурадян С.О. Получение мартенситной стали 10Х3А со сверхравновесной концентрацией азота методом ЭШПД // Сб. тр. ХV Междунар. конгресса сталеплавильщиков и производителей металла. Москва-Тула, 2018. С. 166 – 172.

22. Ригина Л.Г., Васильев Я.М., Дуб В.С. и др. Легирование сталей азотом // Электрометаллургия. 2005. № 2. С. 14 – 19.

23. Han Dong, Yuping Lang, Fan Rong, Jie Su. The recent progress of product technologies of high nitrogen stainless steels in China // HNS’2009, Moscow Steel and Alloys Institute. P. 21 – 24.

24. Uggowitzer P., Magdowski R, Speidel M.O. Nickel free high nitrogen austenitic steels // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 7. P. 901 – 908.

25. https://www.dew-stahl.com/fileadmin/files/dew-stahl.com/documents/Publikationen/Broschueren/2016-0060_DEW_Magnadur_GB.pdf.

26. http://www.techman-sbo.com/Data/Page_Downloads/DatasheetPaket1.pdf

27. Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. и др. Влияние режимов горячей прокатки и термической обработки на структуру, механические и технологические свойства аустенитной азотосодержащей стали 05Х22АГ15Н8М2Ф-Ш // Металлы. 2006. № 4. С. 33 – 41.

28. Горынин И.В., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю. и др. Коррозионно-стойкие высокопрочные азотистые стали // Вопросы материаловедения. 2009. Т. 59. № 3. С. 7 – 16.

29. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.K., Egorkin V.S. etc. Corrosion stability of austenitic steels 05Kh22AG15N8M2F and 12Kh18N10T in chloride-containing media // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2017. Vol. 53. No. 5. P. 910 – 915.

30. Фомина О.В., Калинин Г.Ю., Мушникова С.Ю. и др. Исследования структуры и свойств высокопрочной коррозионностойкой азотистой стали // Вопросы материаловедения. 2006. Т. 45. № 1. С. 45 – 54.

31. Малышевский В.А., Калинин Г.Ю., Фомина О.В. и др. Особенности формирования структуры азотсодержащей стали при термодеформационном воздействии и ее взаимосвязь с механическими свойствами // Электрометаллургия. 2014. № 9. С. 23 – 31.

32. Пат. 2205889 РФ. Высокопрочная немагнитная коррозионностойкая свариваемая сталь / О.А. Банных, В.М. Блинов, М.В. Костина и др.; опубл. 10.06.2003.

33. Костина М.В., Поломошнов П.Ю., Блинов В.М. и др. Хладостойкость новой литейной Cr – Mn – Ni – Mo – N стали с 0,5 % N. Часть 1 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 11. С. 894 – 906.

34. Приданцев М.В., Талов Н.П., Левин Ф.М. Высокопрочные аустенитные стали. – М.: Металлургия, 1969. – 247 с.

35. Speidel M.O. Nitrogen containing austenitic stainless steels // Mat.wiss. u. Werkstofftech. 2006. Vol. 37. No. 10. P. 876 – 880.

36. Speidel M.O., Theng-Cui M. High-nitrogen austenitic stainless steels // HNS’2003: Conference proceedings. – Vdf Hochschulverlag AG ETH Zürich, Switzerland, 2003. Р. 63 – 73.

37. Berns H., Gavriljuk V.G., Riedner S., Tyshchenko A. High strength stainless austeniticCrMnCNsteels – Part I: Alloy design and properties // Steel Research Int. 2007. Vol. 78. No. 9. P. 714 – 719.

38. Kitamura Y., Tsuhiama T., Kikuchi M. etc. Effect of nitrogen content of mechanical properties and fatiquebehaviour of 18 % Mn, 18 % Cr steel // HNS’90. Book of abstracts. P. 138.

39. Grabke H.J. The role of nitrogen in the corrosion of iron and steels // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 7. P. 777 – 786.

40. Помарин Ю.М. Исследование высокотемпературных процессов взаимодействия азота с расплавами и разработка способа легирования азотом сталей при дугошлаковом переплаве. Автореферат дис. …д-ра тех. наук. – Киев: ИЭС АН Украины, 1999. – 34 с.

41. Стомахин А.Я., Юрин В.В., Котельников Г.И., Григорян В.А. Термодинамика растворов азота в жидкой стали и оптимизация нитридообразующих микродобавок // Тр. I Всесоюзной конф. «Высокоазотистые стали». Киев, 18 – 20 апреля 1990. С. 35 – 39.

42. Соколов В.М., Ковальчук Л.А. О температурной зависимости растворимости азота в многокомпонентных сплавах на железной основе // Металлы. 1986. № 6. С. 15.

43. Satir-Kolorz A., Feichtinger H. On the solubility iron of nitrogen in liquid and steel alloys elevated pressure // Zeitschrift fur Metallkunde. 1991. Vol. 82. No. 9. P. 689 – 692.

44. Малкин И.П. Исследование особенностей производства легированных азотом специальных сталей. Дисс… канд. тех. наук. – М.: ЦНИИТМАШ, 1966. – 110 с.

45. Свяжин А.Г., Капуткина Л.М. Азотистые и высокоазотистые стали. Промышленные технологии и свойства // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 3. С. 173 – 187.

46. Balachandran G. Developments in the manufacture of high nitrogen stainless steels // High Nitrogen Steels and Stainless SteelsManufacturing, Properties and Applications, Alpha Science Int., Pangbourne, UK, 2004. P. 40 – 93.

47. Бережко Б.И., Игнатенко А.Г. Качество аустенитной стали в зависимости от способа выплавки и легирования ее азотом // Тр. I Всесоюзной конф. «Высокоазотистые стали». Киев, 18 – 20 апреля 1990. С. 15 – 16.

48. Zhao L., Tian Z. L., Peng Y. Control of nitrogen content and porosity in gas tungsten arc welding of high nitrogen steel // Science and Technology of Welding and Joining. 2009. Vol. 14. No. 1. P. 87 – 92.

49. Ritzenhoff R., Medovar L., Stovpshenko G. Improvements of arc slag remelting technology for HNS manufacturing // Proceedings of 12 th Int. Conference of High Nitrogen Steels. – Hamburg, 2014. P. 114 – 117.

50. Никулин А.А., Сафронова Л.А., Волохонский Л.А. и др. Методика определения программы изменения энергетического режима установок ЭШП // Тр. III Всесоюзной конф. по ЭШП. Часть 2. – Киев: Научная мысль, 1968.

51. Никулин А.А., Сафронова Л.А., Волохонский Л.А. и др. Разработка и освоение методики расчета режима ЭШП крупных слитков // Тр. ЦНИИТМАШ. 1980. № 152. С. 5 – 9.

52. Рашев Ц., Венков М., Попов И. и др. Машины для промышленного производства высокоазотистых сталей // Междунар. науч.технич. конф. «Высокоазотистые стали-89». 1 – 3 октября 1989. Варна. Болгария. C. 25 – 28.

53. Carosi A. etc. Mastering P-ESR technology for high nitrogen steel grades for high value applications. URL: https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/e86e2cee-4fc4-4547-89260800c9b1ed8c.

54. Рашев Ц.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В. О развитии металлургии под давлением // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. C. 60 – 66.

55. Рашев Ц.В., Елисеев А.В., Жекова Л.Ц., Богев П.В. Высокоазотистые стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 7. С. 503 – 510.


Для цитирования:


Костина М.В., Ригина Л.Г. Азотосодержащие стали и способы их производства. Известия Высших Учебных Заведений. Черная Металлургия. 2020;63(8):606-622. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622

For citation:


Kostina M.V., Rigina L.G. Nitrogen-containing steels and methods of their production. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(8):606-622. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622

Просмотров: 75


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)