Экономно - легированные азотсодержащие стали

Развитие новых отраслей техники, а также интенсификация существующих процессов физической и химической технологии производства материалов и изделий требуют резкого повышения качества металла, уровня служебных характеристик и надёжности изделий.

Учитывая увеличивающийся дефицит наиболее важных легирующих элементов (никеля, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена и др.)» ведущие производители стали считают, что основным направлением повышения механических и физических свойств стали и снижения массы конструкций будет переход к сверхчистым углеродистым и низколегированным сталям или сталям, легированным недефицитными элементами при более эффективном использовании возможностей управления структурой и свойствами сталей посредством микродобавок и температурной и деформационной обработки.

Одним из перспективных элементов для легирования и микролегирования стали является азот. Это доступный и совершенно недефицитный материал. Азот при повсеместной его доступности и низкой стоимости является сильным аустенитообразующим элементом и эффективно применяется в производстве экономно-легированных сталей различного назначения.

В низколегированных сталях нитридного упрочнения обычно содержится от 0,010 до 0,040% азота, а в высоколегированном металле концентрация азота может превышать 1%.

Для легирования азотом может использоваться любой материал, содержащий азот в достаточном количестве и способный растворяться в жидком металле. Ввиду дешевизны и простоты известны методы легирования азотом, основанные на продувке расплава газообразным азотом.

Поэтому легирование стали азотом для получения стабильного аустенита и его упрочнения приобретает в настоящие время всё большее распространение. Однако легирование стали азотом представляет некоторые трудности, так как для того, чтобы оценить поведение азота на различных стадиях сталеплавильного процесса, необходимо располагать надёжными данными по растворимости, скорости растворения и условиям взаимодействия азота с другими компонентами расплава.

Актуальность задач заключается в определении возможности предвидеть растворимость азота в металлических расплавах в зависимости от их химического состава, температуры, парциального давления азота в газовой фазе, а также в необходимости знать кинетические характеристики процесса, как функции от условий проведения процесса выплавки и внепечной обработки стали.

Перспективным является способ легирования стали газообразным азотом при её внепечной обработке в ковше [10]. Способ отличается простотой и экономичностью и позволяет точно прогнозировать содержание азота в металле.

Но большое влияние на усвоение азота сталью при этом оказывает гидродинамика жидкой фазы[11, 12]. В этой связи требуется проведение исследований в лабораторных и промышленных условиях для определения необходимых условий и параметров продувки.

Азот в виде примесей в сталях вызывает появление нетривиальных и даже экстраординарных изменений их свойств.

В частности, это утверждение относится к необычной комбинации предела текучести и вязкости разрушения. Впервые механические свойства азотистых сталей были исследованы, вероятно, Эндрю |1|, который получил образцы Fe-N и обнаружил увеличение предела текучести, вызванное введением азота, и эффект азотной аустенизациии. Фрешсер и Кубиш |2| были первыми, кто открыл, что при увеличении содержания азота повышение предела текучести аустенитных сталей сопровождается ожидаемым снижением прочности.

Фактически этот факт означал, что азотистые стали представляют собой новый многообещающий класс конструкционных материалов. Позднее в нескольких работах было также показано, что азот в сталях может улучшать усталостную долговечность, прочность при низких и повышенных температурах, механическое упрочнение и износостойкость.

В настоящее время в промышленности используются высокопрочные хромоникелевые стали переходного класса (09Х15Н8Ю, 07ХХ16Н6, 10Х15Н4АМЗ,08Х15Н5Д2Т и др.). Их недостатком является то, что они содержат дефицитный никель.

Разработаны новые высокопрочные безникелевые стали данного класса:10Х14АГ6, 10Х14АГ6Ф, 10Х14АГ6МФ, 10Х14АГ6Д2’М и др. (а.с. СССР № 771180,789626, 996505). Они открывают перспективное направление в создании сталей переходного класса [9]. Сведения об использовании этих сталей в зарубежной и отечественной практике отсутствуют.

Микроструктура разработанных сталей представляет собой низкоуглеродистый реечный мартенсит и метастабильный аустенит, который при нагружении превращается в мартенсит. В зависимости от конкретных условий эксплуатации за счет легирования и обработок изменяется количество и степень стабильности аустенита и, соответственно, регулируется уровень механических и служебных свойств. После термообработки, включающей закалку (нормализацию) от 1000 “С и отпуск при 200 °С, новые стали обладают хорошим сочетанием механических свойств. Более высокий уровень прочности при сохранении хорошей пластичности к ударной вязкости достигается после ступенчатой закалки с выдержкой в интервале 100- 400 “С (табл. 4) [10]. Сравнительные испытания на сопротивление ударно-циклическому нагружению, имитирующие условия работы пластин кольцевых клапанов компрессоров, показали, что сталь 10Х14АГ6МФ имеет в 1,5-2 раза более высокий уровень этой характеристики, чем известная хромоникелевая сталь 09Х15Н8Ю.

Опытно-промышленные испытания пластин кольцевых клапанов компрессоров высокого давления - 320/320, работающих на сжатии азото-водородной смеси при производстве аммиака в ПО "Сланцехим”, показали, что стойкость пластин из новой стали 10Х14АГ6МФ в 1,1-1,2 раза выше, чем из стали 10Х15Н4АМЗ (ВНС-5), и в 1,8 раза выше, чем у 40X13.

Безникелевые стали переходного класса в ряде случаев с успехом могут заменить более дорогие никельсодержащие стали 111].

Справка: к переходному классу металлов относятся сплавы, образующие как аустенитную, так и мартенситную фазы.

В промышленности наиболее широкое применение из аустенитных сталей нашла сталь 12Х18Н9Т. К сожалению, ее используют не только в тех случаях, когда выход деталей из строя обусловлен коррозией, но и тогда, когда причиной разрушения является кавитация и износ.

Таблица 1