Аустенитные высокоазотистые хромоникелевые стали, выплавляемые в плазменнодуговых печах

Несколько лет тому назад группой сотрудников Института электросварки был разработан способ плазменнодугового переплава металлов и сплавов в водоохлаждаемом кристаллизаторе и аппаратура для его осуществления. Ныне плазменнодуговой переплав уже применяется на ряде металлургических заводов для производства сталей и сплавов ответственного назначения.

Отличительной особенностью нового способа специальной электрометаллургии является существенная интенсификация процессов взаимодействия плазмообразующих газов с металлическим расплавом. Реакция растворения азота в жидком железе и его сплавах в плазменнодуговых печах протекает, в частности, со скоростями, на порядок большими, чем в других плавильных агрегатах. Последнее позволило нам разработать технологию легирования сталей азотом из аргоно-азотной плазмы регулируемого состава и отказаться от применения дорогих азотированных ферросплавов при выплавке азотсодержащих сталей. Используя приемы разработанной технологии, можно выплавлять стали, содержание азота в которых значительно превышает уровни, достигаемые при традиционных методах плавки.

Как известно, в хромо-никелевых сталях азот является эффективным заменителем никеля. Введение в аустенитную нержавеющую сталь 0,15 % азота эквивалентно 2...4 % никеля, а 0,25 % N заменяет от 2,5 до 6,0 % Ni. Этим объясняется стремление металлургов ввести в сталь возможно больше азота. Однако в обычных случаях верхний предел содержания азота ограничивается уровнем стандартной растворимости (SN) этого газа в стали конкретного состава при температуре ликвидус.

В плазменнодуговых печах с кристаллизатором, напротив, можно выплавлять стали, содержание азота в которых в 2...4 раза выше значения SN.

В таблице представлены примеры химического и структурного состава сплавов, выплавленных в плазменнодуговой печи. В качестве исходных материалов использовали железо, хром и никель высокой чистоты (сумма примесей в каждом <0,1 %). Структурный анализ сплавов производился после их закалки с 1150 °С. Как видно из таблицы и рис. 1, достаточно превысить уровень SN всего лишь в два-два с лишним раза, чтобы получить чисто аустенитную структуру тех сплавов, которые в случае отсутствия азота содержат до 80 % феррита.

Влияние высоких концентраций азота на структуру хромоникелевых низкоуглеродистых сталей хорошо видно на рис. 2. Структурные диаграммы, представленные на этом рисунке, построены на основе ставшей классической диаграммы Шеффлера.

Зависимость между Cr и Ni, соответствующая границам определенного типа структур, найдена с учетом азотной сорбционной емкости сплава в жидком состоянии. Для того чтобы условия сорбции азота сплавами различного состава были сравнимы, нами принята одна температура для всех сплавов (1600 °С). Стандартную растворимость азота в расплаве (SN, 1600 °C) мы вычисляли по уравнению, наилучшим образом описывающему экспериментальные данные:

Специальные опыты по определению никелевого эквивалента азота в исследуемых сплавах показали, что в случае [N] > SN значение эквивалента превышает 11,5 и составляет 19....22, что ближе к значению, полученному в работе.

Анализ диаграмм показывает, что увеличение азота в сплавах Fe-Cr-Ni расширяет аустенитную область и при содержании азота, равном 4 SN 1600 °C в сплавах с 17,5 % хрома и выше, можно, по-видимому, получить чисто аустенитную структуру без никеля (рис. 2, г).

Пластическая деформация и термическая обработка высокоазотистых сплавов в печах с нерегулируемой атмосферой не вызывают потери газа с поверхности слитка.

Нам представляется, что высокоазотистые аустенитные стали, выплавляемые в плазменнодуговых печах, найдут широкое применение в химическом, энергетическом, пищевом и торговом машиностроении в качестве коррозионностойких высокопрочных немагнитных материалов.