научная статья по теме АЗОТ В АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ NITROGEN IN AUSTENITIC STAINLESS STEELS OF DIFFERENT ALLOYING SYSTEMS Металлургия

Текст научной статьи на тему «АЗОТ В АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ NITROGEN IN AUSTENITIC STAINLESS STEELS OF DIFFERENT ALLOYING SYSTEMS»

УДК 669.14.018.821

АЗОТ В АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЯХ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ

© Науменко Виталий Владимирович; Шлямнев Анатолий Петрович, канд. техн. наук; Филиппов Георгий Анатольевич, д-р техн. наук ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: naumenkovi@mail.ru

Статья поступила 28.03.2011 г.

Рассмотрено влияние азота на механические и коррозионные свойства аустенитных нержавеющих сталей систем легирования Ре-Сг-Ы1, Ре-Сг-Ы1-Ы, Ре-Сг-Ы1-Мо-Ы, Ре-Сг-Ы1-Мп-Ы, Ре-Сг-Ы1-Ы-Б1, Ре-Сг-Мп-Ы; проанализированы способы введения азота в стали. Получены обобщенные зависимости механических свойств от содержания азота. Рассмотрено влияние азота на стойкость против локальных видов коррозии. Приведены примеры применения азотсодержащих аустенитных нержавеющих сталей.

Ключевые слова: азотсодержащие нержавеющие стали; аустенит; механические свойства; коррозионная стойкость; локальные виды коррозии.

Азот, который присутствует практически во всех сталях и сплавах, рассматривается в одних случаях, как вредная примесь, в других - как легирующий элемент, улучшающий комплекс служебных свойств металла. В металлических системах Fe-Cr, Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo, Fe-Cr-Ni-Mn, Fe-Cr-Mn азот эффективно способствует:

- стабилизации аустенита в сталях аусте-нитного, ферритного и ферритно-аустенитно-го классов, а также препятствует образованию 5-феррита в хромоникелевых сталях при высоких температурах;

- повышению прочности (ов, 00,2) при сохранении высоких пластических и вязких свойств;

- предупреждению или торможению образования приграничных выделений;

- измельчению зерна;

- повышению стойкости против межкри-сталлитной коррозии (МКК), питтинговой, щелевой и других видов коррозии.

Именно эту положительную роль азот выполняет в аустенитных нержавеющих сталях [1-4].

Твердорастворное упрочнение азотом нержавеющих сталей с 18% Cr и 8% Ni было запатентовано во Франции еще в 1932 г. [5-6]. Наиболее интенсивно работы по исследованию влияния азота на структуру и свойства хромоникелевых нержавеющих сталей начались в 1940-х годах в Германии, а затем и в других странах, что - было связано с поиском дешевых легирующих ° элементов для замены дефицитного и дорогого никеля [7-8].

тк.

£ 1 В статье рассматриваются высокоазотистые нержавеющие стали сис < даря сверхравновесному содержанию азота. s 2 По международной терминологии HNS (High Nitrogen Steels).

В России исследования по использованию азота в качестве легирующего элемента при разработке составов нержавеющих сталей начали интенсивно развиваться с середины 1950-х годов (в ЦНИИчермет, ВИАМ и ИМЕТ РАН) [1] и продолжаются в настоящее время.

Азотсодержащие нержавеющие стали превосходят традиционные стали по прочности и коррозионной стойкости, при этом не уступают им по технологичности, а также обладают обширным комплексом функциональных свойств. Это позволяет решать задачи повышения эксплуатационной надежности, сокращения металлоемкости конструкций и изделий, экономии дорогостоящих легирующих элементов.

Способы введения азота в состав стали можно разделить на две группы: насыщение азотом расплавов (во всем объеме) и твердофазное насыщение азотом только поверхностных слоев металла.

Нержавеющие стали, легированные азотом, принято разделять на два вида: стали, легированные азотом в пределах его растворимости при атмосферном давлении (стали с равновесным содержанием азота), и стали, легированные азотом под высоким давлением, при котором достигается усвоение азота в количествах, выше его нормальной растворимости (стали с неравновесным содержанием азота, или так называемые высокоазотистые стали (ВАС2).

При производстве сталей с равновесным содержанием азота для введения азота в расплав используют азотированные хром и/или марганец,

I легирования Бе-Сг-К которые имеют аустенитную структуру благо-

Механические свойства исследованных сталей

Сталь ств, Н/мм2 ст0,2, Н/мм2 «5, % V, % Прирост ств**, % Прирост ст0,2***, %

03Х18Н11* 553 245 63 79 - -

03Х16Н11АС2 706 369 67 80 27,68 50,61

03Х14Н11АС2 729 360 366 67 73 83 85 29,66 31,83 49,39

03Х15Н9АС2 761 750 384 372 68 67 82 82 37.61 35.62 51,84

03Х14Н9АС4 1085 357 51 69 96,20 45,71

* Данные приведены для сравнения. ** Прирост предела прочности определялся как (ствн - ствст)/ствст, где ствн, ст0,2н - значения пределов прочности и текучести экспериментальных азотсодержащих нержавеющих сталей; ствст, ст0,2ст - значения пределов прочности и текучести стали 03Х18Н11. *** Прирост предела текучести определялся как (ст0,2н - ст0,2ст) /ст0,2ст.

либо непосредственное вдувание в расплав газообразного азота [9]. Второй путь, менее затратный, стал возможным после внедрения в производство внепечных способов обработки металла в агрегатах ЛОЭ, УОЭ, агрегатах ковш-печь и в настоящее время может быть с успехом использован. В России большинство предприятий качественной металлургии оснащено такими агрегатами, поэтому существенных препятствий для производства азотсодержащих сталей не существует. Внедрение производства и потребления нержавеющих сталей с равновесным содержанием азота сопровождается повышением эффективности как у производителя - благодаря экономии дорогостоящих легирующих элементов, так и у потребителя - в результате снижения металлоемкости конструкций и изделий [1].

На рис. 1 показана технологическая схема Фойхтингера и Штайна [10], в которой представлены различные подходы к выплавке ВАС, сочетающие процессы плавления и переплава. В настоящее время используются три техноло-

гии производства ВАС: плазменнодуговой переплав под давлением (ПДПД), электрошлаковый переплав под давлением (ЭШПД) и плавка под давлением в индукционной печи [4]. Необходимо отметить, что производство ВАС требует использования специального оборудования, за счет чего увеличивается их стоимость [11-12].

Одно из основных преимуществ ВАС по сравнению с традиционными аналогами - более высокая прочность. Однако для сохранения азота в сварном соединении, сварку этих сталей следует проводить лишь специальными методами (электронным лучом, лазером или в камерах под давлением азота) [13], что значительно ограничивает область их применения. В то же время известны данные о возможности сварки и получения стандартными методами качественных сварных соединений ВАС с содержанием азота до 0,8% [12].

Влияние азота на механические свойства сталей. В статье приводятся результаты собственных исследований по влиянию азота на

Гранулы

ЗШ.

Газ азот из атмосферы^

Шлак

(Комбинированный^ электрод

Плазма

Ы2+Аг

Введение азота в расплав стали

< Введение в ковш

Гранулы

| Проволока

Азот из нитридов

СаСЫ

Ы+С из карбонитридов

БеСг+Ы

ПДП

онизированный азот из атмосферы

Азот из ерросплавов

Легирование в ковше

ие

Рис. 1. Способы выплавки ВАС:

в шестиугольниках -специальные технологические процессы, в прямоугольниках - сущность способа введения

азота; ГИП - горячее изостатическое прессование;

ЭШПД - электрошлаковый переплав под давлением, ЛПА - литье с противодавлением

азота; АКО - азотно-кислородное обезуглероживание; ПДП - плазменно-дуговой переплав [15]

1200

1000

800

600

400

200

Закалка 400 500 600 700 800 900 Температура отпуска, °C

100

80

60

40

- 03Х18Н11 03Х17Н9АС2 -03Х14Н11АС2 -

03Х16Н11АС2 - 03Х15Н9АС2 -03Х15Н11АС2

03Х14Н9АС4

20 H-

Закалка

400 500 600

Температура отпуска, °C

700

800

Рис. 2. Механические свойства после закалки и провоцирующих отпусков в интервале температур 450-750 °С

механические и коррозионные свойства нержавеющих сталей вышеприведенных систем легирования и данные исследований из других источников.

Нержавеющие хромоникелевые аустенит-ные стали, легированные совместно азотом (0,08-0,145%) и кремнием (2-4%), разработаны во ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» как экономнолегированные для сред с сильной окислительной способностью [14]. Анализ свойств экспериментальных сталей, закаленных в воду от 1050 °С (см. таблицу) показывает, что все стали имеют повышенные на 25-35% прочностные свойства (ав, а0>2) и сохраняют высокие значения пластичности (б5 > 50%, ^ > 70%).

Исследование свойств сталей после часовой выдержки при 450-750 °С (температурный интервал возможного возникновения в сталях межкристаллитной коррозии) показало, что и в этом случае в сталях сохраняются прочностные и пластические свойства на уровне закаленного металла (рис. 2). Это указывает на то, что стали структурно не чувствительны к провоцирующим нагревам. На рис. 3 приведена в качестве примера структура стали 03Х17Н9АС2 после закалки

Рис. 3. Микроструктура стали 03Х17Н9АС2:

а - закалка при 1050 °С, б - закалка при 1050 °С + отпуск 550 °С; х300

и после закалки и отпуска при 550 °С в течение 1 ч. Микроструктура идентична, на образце после отпуска следов образования карбидной сетки не обнаруживается.

Известные литературные данные не дают полной картины влияния содержания азота на механические свойства в зависимости от его растворимости в аустенитных нержавеющих сталях.

Согласно данным работ [1, 15] в аустенитных нержавеющих сталях различных систем легирования при атмосферном давлении может растворяться до 0,7% азота:

- в хромоникелевых сталях типа 18-10 растворимость азота при атмосферном давлении составляет 0,25-0,30%;

- в сталях системы легирования Fe-Cr-Ni-Mn содержание азота 0,35-045%;

- в сталях системы легирования Fe-Cr-Mn растворимость азота достигает 0,7%.

Из обобщенных значений ав, а0>2 и б5, ^ от содержания азота в аустенитных нержавеющих сталях различных систем легирования (рис. 4 и 5) [7, 11, 14-18] видно, что упрочнение аустенитных нержавеющих сталей пропорционально содержанию азота, растворенного в стали, и эта зависимость носит близкий к линейному характер. В зависимости от содержания азота в аустенитных нержавеющих сталях различных систем легирования (Fe-Cr-N; Fe-Cr-Ni-N; Fe-Cr-Ni-Mn-N; Fe-Cr-Mn-N; Fe-Cr-Ni-N-Si; Fe-Cr-Mo-N; Fe-Cr-Ni-Mo-N) предел прочности может возрастать от 500-700 до 950-1200 Н/мм2, предел текучести от 190-300 до 600-800 Н/мм2.

Обобщенные данные по изменению относительного удлинения б5 и относительного с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком