Cerințele moderne privind calitatea produselor și structurilor metalice au condus la o tendință de creștere a proporției oțelurilor aliate în volumul total al producției metalurgice. În ultimii ani, a existat o creștere semnificativă a interesului în oțelurile cu conținut ridicat de azot. Unul dintre principalele avantaje ale acestor oțeluri în comparație cu oțelurile analogice tradiționale este puterea lor mai mare. Acest lucru face posibilă reducerea cu 15-20% a volumului de producție a oțelurilor de înaltă aliere prin reducerea secțiunilor transversale ale pieselor, mecanismelor și structurilor de mașină, ceea ce duce la o scădere a consumului de materiale [1].
Informații suplimentare
În oțelurile tradiționale rezistente la coroziune cu emisii reduse de carbon, dopajul cu azot reduce sensibilitatea la coroziunea locală și la coroziunea intergranulară. Cea de-a doua calitate este asociată cu slăbirea sau prevenirea completă a formării filmelor de carbură Cr23C6 la granițele granulelor [2].
Cu toate acestea, astfel de dezavantaje ale oțelurilor care conțin azot sunt evidențiate. ca o complicație a tehnologiei de obținere. Procesul de aliere a aliajelor pe bază de fier cu azot în cantități mari necesită utilizarea unor procese tehnologice speciale, care este unul dintre factorii de creștere a costului producției de oțel.
Introducerea azotului în oțel permite rezolvarea nu numai a problemelor de creștere a rezistenței, rezistenței la coroziune și economisirea elementelor de aliere, dar și rezolvarea problemelor de mediu. Astfel, de exemplu, cu refuzul complet (sau parțial) de a alia oțelurile cu mangan și de a le înlocui cu azot, este posibil să se evite deteriorarea ecosistemului și a sănătății umane asociate cu eliberarea oxizilor de mangan toxici în atmosferă în timpul topirii. În plus, azotul, care face parte din aer, este ieftin, iar procesul de obținere a acestuia din atmosferă nu necesită distrugerea suprafeței și a intestinelor pământului, care sunt inevitabile în extracția minereurilor [1].
În prezent, atunci când se dezvoltă oțeluri noi rezistente la coroziune, azotul este adesea folosit ca element de aliere. Această direcție de știință a materialelor este promițătoare, permițând îmbunătățirea semnificativă a proprietăților de serviciu ale materialelor și instrumentelor structurale în diferite domenii ale ingineriei și tehnologiei medicale [4].
Oțelurile aliate cu azot au o serie de avantaje. o bună manufacturabilitate, caracteristici de serviciu ridicate, obținute printr-o combinație optimă de rezistență, ductilitate, rezistență la coroziune în majoritatea mediilor de lucru. Acesta este motivul pentru care aceste oțeluri au găsit o largă aplicare ca material structural în diferite ramuri ale ingineriei. Cele mai obișnuite elemente de aliere sunt cromul, nichelul și manganul.
Stimularea inițială a producerii oțelurilor care conțin azot a avut o bază economică asociată cu înlocuirea nichelului scump cu azot. Cu toate acestea, pe măsură ce această tendință sa dezvoltat, principalele avantaje ale oțelurilor care conțin azot au fost dezvăluite, în primul rând pentru furnizarea unui astfel de complex de proprietăți mecanice care nu pot fi obținute prin schemele tradiționale de dopaj [5].
Adecvarea aliajelor de oțeluri inoxidabile cu azot se datorează următoarelor factori: solubilitatea crescută a azotului în oțel în prezența cromului, ceea ce face posibilă obținerea oțelului prin metode convenționale de topire utilizând feroaliaje care conțin azot; nivel crescut de caracteristici de rezistență datorită durității și întăririi prin dispersie; înlocuirea parțială a unui număr de elemente de aliaj scumpe cu azot [6].
Principalul avantaj al oțelurilor austenitice este caracteristica lor ridicată de serviciu (rezistență, ductilitate, rezistență la coroziune în majoritatea mediilor de lucru) și o bună prelucrare. Prin urmare, oțelurile austenitic rezistente la coroziune au găsit o aplicare largă ca material structural în diferite ramuri ale ingineriei. Cele mai obișnuite elemente de aliere sunt cromul, nichelul și manganul [8].
Oțelurile inoxidabile austenitice sunt utilizate foarte larg nu numai datorită proprietăților lor anticorozive ridicate, ci și datorită proprietăților lor tehnologice și mecanice ridicate. Aceste oțeluri sunt bine laminate în condiții fierbinți și reci, pot rezista tragerii profunde și profilelor în stare rece, permit utilizarea de sudura electrică, fără să se fragmenteze zonele de sudură [9].
Utilizarea oțelurilor austenitice ca materiale structurale în unele cazuri este limitată de rezistența lor insuficientă și rezistența la uzură. Cu toate acestea, în ultimii douăzeci de ani au fost dezvoltate și studiate diferite metode de întărire a oțelurilor austenitice, ceea ce a dus la crearea unor noi materiale cu o rezistență suficient de mare [10].
În oțelurile inoxidabile austenitice cu azot, nichelul poate fi înlocuit, ceea ce în cele din urmă prevede producerea de diferite produse din astfel de oțeluri:
- contribuția la conservarea mediului prin conservarea resurselor naturale;
- economiile datorate costului scăzut al azotului;
- creșterea semnificativă a rezistenței (până la 3600 MPa);
- o plasticitate semnificativ mai mare comparativ cu alte oțeluri de aceeași putere;
- rezistența la coroziune crescută, deoarece din punct de vedere al rezistenței locale la coroziune, 1% (în greutate) azot este echivalent cu 20% (în greutate) de crom;
- rezistenta crescuta la fisurarea coroziunii la stres.
Principalul avantaj al azotului față de alte elemente aliate cu aliaje de fier este prezența sa în natură în cantități practic nelimitate (în principal în aer). Producția de azot din aer nu necesită distrugerea suprafeței și a interiorului Pământului, ceea ce este inevitabil în extracția minereurilor și provocând daune semnificative naturii. În plus, utilizarea azotului, care poate înlocui cu succes nichelul și manganul în oțeluri, va reduce cu 1,5-2 ori consumul acestor elemente importante pentru oțelurile de aliere. În legătură cu aceasta, cu utilizarea completă a azotului, extracția minereurilor acestor metale poate fi redusă substanțial. Consecințele de mediu ale acestei reduceri nu pot fi supraestimate.
La fel de important este utilizarea azotului pentru alierea oțelurilor. în care proprietățile speciale vor fi combinate cu rezistență ridicată, puteți reduce volumul producției cu 30-40% pentru aceleași nevoi. Aceste oțeluri includ rezistente la coroziune, rezistente la căldură, rezistent la uzură și altele. Reducerea volumului de producție este posibilă și datorită caracteristicilor de performanță mai ridicate ale oțelurilor dopate cu azot decât oțelurile convenționale de tipul considerat. Reducerea producției înseamnă reducerea costurilor energiei, precum și a efectelor negative asupra condițiilor naturale ale factorilor care însoțesc în mod inevitabil lucrarea plantelor metalurgice.
Până în prezent, azotul nu a fost utilizat pentru alierea un aliaje pe bază de fier, precum și carbon, pentru prelucrare prin saturare cu azot a acestor aliaje procesează mai greu decât carbonul, mai ales dacă sunt utilizate pentru producerea aliajelor convenționale de tehnologie de topire în cuptoare de inducție sau cu arc deschis [15] .
Cu toate acestea, se poate presupune deja că principalele dificultăți în introducerea azotului într-o anumită cantitate în aliajele de fier au fost depășite, iar o serie de procese tehnologice pentru nitrizarea aliajelor de fier sunt utilizate la scară industrială. Metodele de introducere a azotului în oțel pot fi împărțite în următoarele două grupe.
- Saturarea azotului de topituri:
a) topirea la presiune atmosferică a azotului peste topitură (adică în aer) folosind feroaliaje nitrate (ferocrom, feromangan, ferovanadiu și altele) ca materiale de încărcare; Austeniții Cr-Mn-oțeluri cu 0,6% N, topiți la presiune atmosferică, sunt utilizați în întreaga lume ca material pentru inelele de bandă;
b) topirea la o presiune ridicată a azotului deasupra topiturii; Conținutul mai mare de azot, aproximativ 1%, poate fi obținut numai la presiuni ridicate. În instalațiile de retușare a electrozelor sub presiune, o presiune de max. 42 de bari. Elementele de alocare pot fi alimentate în mod continuu prin intermediul încuietorilor către instalație. Datorită dispunerii interatomice a azotului în zăbrelele de cristal, rezistența la rezistență și rezistența la coroziune este semnificativ crescută fără a reduce ductilitatea. Presiunea instalației crește, pe de o parte, solubilitatea elementelor de aliaj individuale în topire și previne, pe de altă parte, îndepărtarea gazului elementelor de aliere volatile în timpul cristalizării. Această combinație de proprietăți nu este realizată de niciun alt grup de materiale;
- 2. Saturarea în azot în fază solidă:
a) nitridarea în vrac sau în suprafață a unui material compact sau a pudrelor într-o atmosferă de gaze care conțin azot;
b) presarea la cald sub presiunea azotului în gazostatele pulberilor elementelor care alcătuiesc aliajul sau pur și simplu pulberea de aliaj dintr-o compoziție dată.
O înlocuire largă a carbonului cu azot deschide un număr mare de aplicații pentru oțelurile topite în instalații de retușare a electrozilor sub presiune. Industria energetică și producătorii de lagăre de rulare folosesc deja cu mare succes oțel nitrizat sub presiune. Alte domenii de aplicare sunt industria aviatică (motoarele de avioane), industria chimică și petrochimică, precum și industria construcțiilor. Cea mai recentă dezvoltare este oțelurile fără nichel fără conținut de azot, care sunt potrivite pentru aplicații biocompatibile [16].
Oțelurile azotate rezistente la coroziune de tipul 3Х15АМ (1), 06Х18АГ19М2 (2) și 07Х16АГ13М3 (3) sunt investigate în această lucrare. Baza oțelurilor studiate este compoziția Fe-Cr-Mn-C / N.
oțel Investigat au fost topite prin tehnologia retopire electrozgura într-un mediu de azot gaz sau un amestec de azot și argon gaz sub presiune de la 1 până la 40 atmosfere, în funcție de conținutul dorit de N în oțel, folosind ca nitrură zgură de siliciu (Si4N3). Procesul constă în două etape: topirea electrozilor compoziția dorită de oțel într-un cuptor cu arc electric și retopire sub presiune ridicată, în care oțelul este saturat cu azot.
Oțelul utilizat în lucrare a fost supus la patru tipuri de tratare termică la cald, urmată de stingerea de la 1050 ° C (1 oră) în apă și de îmbătrânire la 300 ° C și 500 ° C timp de 2 ore. După răcire, structura oțelurilor investigate a fost γ + α '(30X15AM-oțel 1), γ (06Х18АГ19М2-oțel 2) și α' (07Х16АГ13М3-oțel 3).
Conform rezultatelor cercetării, se pot trage următoarele concluzii:
- Student: Merkushin E.A.
- Șef: Doroshenko V.A.
Există o tendință de creștere a proporției oțelurilor aliate în volumul total al producției metalurgice. Principalele avantaje ale oțelurilor aliate în comparație cu analogii tradiționali de oțel sunt forța lor superioară
- oțel aliat;
- oțel rezistent la coroziune;
- azot;
- oțel;
- oțel inoxidabil austenitic.