Исследование растворимости азота в аустенитных азотистых сталях при выплавке и последующей кристаллизации с помощью CALPHAD-метода

На основе CALPHAD-метода построено термодинамическое описание системы Fe–Cr–Mn–Ni– Si–C–N. С помощью алгоритма, основанного на поиске глобального минимума интегральной энергии Гиббса, выполнены расчеты фазового состава данной системы в интервале от 1750°C до температуры затвердевания и в диапазоне составов, соответствующем стали 04Х20H6Г11M2АФБ. Расчеты показали, что при температурах выше линии ликвидуса Cr и Mn увеличивают, а Ni и Si уменьшают растворимость азота в расплаве. При увеличении содержания Cr, Mn, Ni и Si в стали в исследованном интервале составов понижается как температура ликвидуса, так и солидуса. Степень влияния на эти температуры Cr, Mn, Ni и Si в пределах марки стали различна и колеблется от ~3 до ~14°C. Расчеты с учетом возможности перехода азота между сталью и атмосферой воздуха показали, что количество связанного азота в исследуемом сплаве варьируется в зависимости от состава стали и температуры от ~0,3 до ~0,6 мас. %. При понижении температуры от ликвидуса до солидуса увеличивается количество связанного азота за исключением тех составов стали, когда из жидкой фазы в первую очередь выделяется феррит, а не аустенит.

1. Saunders N., Miodownik A. D. Calphad: Calculation of phase diagrams, a comprehensive guide // Pergamon Materials Series. V. 1 / Еd. R.W. Cahn. – Oxford: Pergamon, 1998. – 496 р.

2. Горбачев И. И., Попов В. В. Термодинамическое моделирование системы Fe–V–Nb–C–N на основе CALPHAD-метода// Физика металлов и металловедение. – 2011. – Т. 111, №5. – С. 518–525.

3. Горбачев И. И., Попов В. В., Пасынков А. Ю. Термодинамическое моделирование карбонитридообразования в сталях с Nb и Ti // Физика металлов и металловедение. – 2012. – Т. 113, №7. – С. 727–735.

4. Горбачев И. И., Попов В. В., Пасынков А. Ю. Термодинамическое моделирование карбонитридообразования в сталях с V и Ti // Физика металлов и металловедение. – 2012. – Т. 113, №10. – С. 1026–1034.

5. Горбачев И. И., Попов В. В., Пасынков А. Ю. Термодинамические расчеты карбонитридообразования в малоуглеродистых низколегированных сталях с V, Nb и Ti // Физика металлов и металловедение. – 2014. – Т. 115, №1. – С. 74–81.

6. Горбачев И. И., Попов В. В., Пасынков А. Ю. Расчеты влияния легирующих добавок (Al, Cr, Mn, Ni, Si) на растворимость карбонитридов в малоуглеродистых низколегированных сталях // Физика металлов и металловедение. – 2016. – Т. 117, №12. – С. 1277–1287.

7. Gavriljuk V.G., Berns H. High Nitrogen Steels. – Berlin: Springer-Verlag. 1999. – 378 p.

8. Frisk K. A Study of the thermodynamic properties of the Cr–Fe–Mo–Ni system: Doctoral thesis. – Stockholm. KTH, 1990.

9. Qiu C. Thermodynamic Study of carbon and nitrogen instainless Steels: Doctoral thesis. – Stockholm. KTH, 1993.

10. Блинов В. М., Банных О. А., Костина В. М., Ригина Л. Г., Блинов Е. В. О влиянии легирования на предельную растворимость азота в коррозионно-стойких низкоуглеродистых сплавах // Металлы. – 2004. – №4. – С. 42–49.

11. Анциферов В. Н., Попов В. В., Трусов П. В., Оглезнева С. А., Зубко И. Ю., Горбачев И. И. Порошковые механически легированные азотистые стали с нанофазами. – Екатеринбург: УрО РАН, 2010. – 188 с.

12. Попов В. В., Горбачев И. И. Анализ растворимости карбидов, нитридов и карбонитридов в сталях методами компьютерной термодинамики. I. Описание термодинамических свойств. Метод расчета/ / Физика металлов и металловедение. – 2004. – Т. 98, №4. – С. 11–21.

13. Hillert M., Staffonsson L.-I. The regular solution model for stoichiometric phases and ionic melts // Acta Chemica Scand. – 1970. – V. 24, N 10. – P. 3618–3626.

14. Sundman B., Agren J. A regular solution model for phase with several components and sublattices, suitable for computer applications // J. of Phys. and Chem. of Solids. – 1981. – V. 42, N 4. – P. 297–301.

15. Inden G. Determination of chemical and magnetic interexchange energies in bcc alloys. III. Application to ferromagnetic alloys // Z. Metallkd. – 1977. – V. 68, N 8. – P. 529–534.

16. Hillert M., J a r l M. Model for alloying effects in ferromagnetic metals // CALPHAD. – 1978. – V. 2, N 3. – P. 227–238.

17. Miettinen J. Reassessed thermodynamic solution phase data for ternary Fe–Si–C system // CALPHAD. – 1998. – V. 22, N 2. – P. 231–256.

18. Frisk K. A thermodynamic evaluation of the Cr–N, Fe–N, Mo–N and Cr–Mo–N systems // CALPHAD. – 1991. – V. 15, N 1. – P. 79–106.