Сучасні вимоги до якості металевих виробів і конструкцій зумовили тенденцію зростання частки легованих сталей в загальному обсязі металургійного виробництва. В останні роки значно зріс інтерес до високоазотистих легованих сталей. Одне з основних переваг цих сталей в порівнянні з традиційними сталями-аналогами - їх більш висока міцність. Це дозволяє скоротити обсяг виробництва високолегованих сталей на 15 - 20%, за рахунок зменшення робочих перетинів деталей машин, механізмів і конструкцій, що призводить до зниження матеріаломісткості [1].
додаткова інформація
У традиційних корозійно-стійких низьковуглецевих сталях легування азотом знижує чутливість до локальних видів корозії і міжкристалітної корозії. Остання якість пов'язано з ослабленням або повним запобіганням процесу освіти плівок карбіду Cr23C6 на кордонах зерен [2].
Однак, виділяються такі недоліки азотосодержащих сталей. як ускладнення технології одержання. Процес легування сплавів на основі заліза азотом в великих кількостях вимагає використання спеціальних технологічних процесів, що є одним з факторів підвищення вартості виробництва сталі.
Введення азоту в сталі дозволяє вирішувати не тільки питання підвищення їх міцності, корозійної стійкості та економії легуючих елементів, а й вирішувати екологічні проблеми. Так, наприклад, при повному (або частковому) відмову від легування сталей марганцем і заміні його азотом з'являється можливість уникнути збитків екосистемі і здоров'ю людей, пов'язаних з викидами в атмосферу токсичних окислів марганцю при виплавці. Крім того, азот, що входить до складу повітря, є дешевим, і процес його отримання з атмосфери не вимагає руйнування поверхні і надр землі, неминучих при видобутку руд [1].
В даний час при розробці нових корозійностійких сталей в якості легуючого елемента часто використовують азот. Цей напрямок матеріалознавства є перспективним, що дозволяє істотно підвищити службові властивості конструкційних матеріалів та інструменту в різних областях машинобудування та медичної техніки [4].
Леговані азотом стали мають цілу низку переваг. хороша технологічність, високі службові характеристики, які досягаються оптимальним поєднанням параметрів міцності, пластичності, корозійної стійкості в більшості робочих середовищ. Саме тому ці стали знайшли широке застосування як конструкційний матеріал в різних галузях машинобудування. Найбільш поширеними легирующими елементами є хром, нікель і марганець.
Початковий стимул до розробки азотовмісних сталей мав економічну основу, пов'язану із заміною азотом дорогого нікелю. Однак у міру розвитку цього напрямку було виявлено принципові переваги азотовмісних сталей, перш за все для забезпечення такого комплексу механічних властивостей, який неможливо отримати за рахунок традиційних схем легування [5].
Доцільність легування нержавіючих сталей азотом обумовлена наступними факторами: підвищеною розчинністю азоту в стали в присутності хрому, що дозволяє отримувати сталь звичайними методами виплавки з використанням азотосодержащих феросплавів; підвищеним рівнем міцності за рахунок твёрдорастворного і дисперсійного зміцнення; частковою заміною азотом ряду дорогих легуючих елементів [6].
Основною перевагою сталей аустенітного класу є їх високі службові характеристики (міцність, пластичність, корозійна стійкість в більшості робочих середовищ) і хороша технологічність. Тому аустенітні корозійно-стійкі стали знайшли широке застосування як конструкційний матеріал в різних галузях машинобудування. Найбільш поширеними легирующими елементами є хром, нікель і марганець [8].
Аустенітні нержавіючі стали застосовують дуже широко не тільки через високі антикорозійних властивостей, але і завдяки високим технологічним і механічними властивостями. Ці стали добре прокочуються в гарячому і холодному станах, в холодному стані витримують глибоку витяжку і профілювання, допускають застосування електрозварювання, без охрупчивания біляшовних зон [9].
Застосування аустенітних сталей в якості конструкційних матеріалів в ряді випадків стримується їх недостатньою міцністю і зносостійкість. Однак в останні двадцять років були розроблені і вивчені різні методи зміцнення аустенітних сталей, що призвело до створення нових досить високоміцних матеріалів [10].
В аустенітних нержавіючих сталях азотом можна заміщати нікель, що в кінцевому рахунок при виготовленні з таких сталей різної продукції забезпечує:
- внесок у збереження навколишнього середовища завдяки заощадженню природних ресурсів;
- економію за рахунок низької вартості азоту;
- значне підвищення міцності (до 3600 МПа);
- значно більш високу пластичність у порівнянні з іншими сталями такий же міцності;
- підвищену корозійну стійкість, оскільки з точки зору локальної корозійної стійкості 1% (мас.) азоту еквівалентний 20% (мас.) хрому;
- підвищений опір корозійного розтріскування.
Основна перевага азоту перед іншими елементами, якими легують залізні сплави, полягає в його наявності в природі практично в необмеженій кількості (перш за все, в повітрі). Отримання азоту з повітря не вимагає руйнування поверхні і надр Землі, неминучого при видобутку руд і завдає значної шкоди природі. Більш того, застосування азоту, здатного успішно замінювати нікель і марганець в сталях, дозволить зменшити в 1,5-2 рази витрати цих найважливіших для легування сталей елементів. У зв'язку з цим при повноцінному використанні азоту видобуток руд цих металів може бути істотно скорочена. Екологічні наслідки такого скорочення важко переоцінити.
Не менш важливим є використання азоту для легування сталей. у яких спеціальні властивості будуть поєднуватися з високою міцністю, можна при одній і тій же потреби скоротити обсяг виробництва на 30-40%. До числа таких сталей слід віднести корозійно-стійкі, теплостійкі, зносостійкі і деякі інші. Скорочення обсягу виробництва стає можливим також завдяки більш високим експлуатаційним характеристикам сталей, легованих азотом, ніж у традиційних сталей розглянутого типу. Скорочення обсягу виробництва означає зменшення витрат енергії, а також негативного впливу на природні умови чинників, що неминуче супроводжують роботу металургійних заводів.
До теперішнього часу азот не застосовувався для легування сплавів на основі заліза настільки ж широко, як вуглець, так як технологічні процеси насичення цих сплавів азотом складніше, ніж вуглецем, особливо якщо використовувати для виробництва сплавів традиційну технологію виплавки в відкритих індукційних або дугових печах [15] .
Однак уже можна вважати, що головні труднощі введення азоту в заданій кількості в залізні сплави подолані, і ряд технологічних процесів азотування залізних сплавів використовуються в промислових масштабах. Методи введення азоту в сталі можна розділити на дві наступні групи.
- Насичення азотом розплавів:
а) плавка при атмосферному тиску азоту над розплавом (тобто на повітрі) з використанням в якості шихтових матеріалів азотованих феросплавів (ферохрому, феромарганцю, феррованадия та інших); Аустенітні Cr-Mn-сталі з 0,6% N, які виплавляються при атмосферному тиску, використовуються у всьому світі як матеріал для бандажних кілець;
б) плавка при підвищеному тиску азоту над розплавом; Більш високий вміст азоту, близько 1%, можуть бути досягнуті тільки при підвищеному тиску. В установках електрошлакового переплавлення під тиском може бути створено тиск макс. 42 бар. Через шлюзи в установку можуть безперервно подаватися легуючі елементи. За рахунок межатомного розташування азоту в кристалічній решітці стали значно підвищуються міцність і корозійна стійкість без зниження пластичності. Тиск установки підвищує, з одного боку, розчинність окремих легуючих елементів в плавці і попереджає, з іншого боку, видалення газом летючих легуючих елементів під час кристалізації. Такий комбінації властивостей не досягається ніякий інший групою матеріалів;
- 2. твердофазна насичення азотом:
а) об'ємне або поверхневе азотування компактного матеріалу або порошків в атмосфері азотовмісних газів;
б) гаряче пресування під тиском азоту в газостатах порошків елементів, що входять до складу сплаву, або просто порошку сплаву заданого складу.
Широка заміна вуглецю азотом відкриває для сталей, виплавлених в установках електрошлакового переплавлення під тиском велика кількість областей застосування. Енергетична промисловість і виробники підшипників кочення використовують вже з великим успіхом азотований під тиском стали. Подальші області застосування це авіаційна промисловість (авіаційні двигуни), хімічна і нафтохімічна промисловості, а також будівельна промисловість. Новітньою розробкою є високоазотірованние безнікелеві стали, які придатні для біосумісного застосування [16].
В роботі досліджені корозійно-стійкі азотисті стали типу 3Х15АМ (1), 06Х18АГ19М2 (2) і 07Х16АГ13М3 (3). Основою досліджуваних сталей є композиція Fe-Cr-Mn-C / N.
Досліджені стали були виплавлені за технологією електрошлакової переплавки в середовищі газоподібного азоту або суміші азоту з аргоном під тиском газу становить від 1 до 40 атмосфер в залежності від необхідного змісту N в стали, використовуючи в якості шлаку нітрид кремнію (Si4N3). Процес складається з двох стадій: виплавки електродів зі сталі необхідного складу в електродугової печі і переплавки під високим тиском, в процесі якого відбувається насичення стали азотом.
Використовувані в роботі стали піддавалися чотирьох видів термічної обробки гарячої куванні з наступним загартуванням від 1050˚С (1 година) в воді і старіння при 300˚С і 500˚С по 2 години. Після гарту, структура досліджених сталей представляла собою γ + α '(30Х15АМ-сталь 1), γ (06Х18АГ19М2-сталь 2) і α' (07Х16АГ13М3-сталь 3).
За результатами досліджень можна зробити наступні висновки:
- Студент: Меркушин Е.А.
- Керівник: Дорошенко В.А.
Існує тенденція зростання частки легованих сталей в загальному обсязі металургійного виробництва. Основні переваги легованих сталей в порівнянні з традиційними сталями-аналогами - їх більш висока міцність
- леговані стали;
- корозійно-стійкі сталі;
- азот;
- сталь;
- аустенітні нержавіючі стали.