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含氮奧氏體不誘鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

發(fā)布時間：2021-04-23 09:33:54 丨 瀏覽次數(shù)：

    氮長期以來一直被認(rèn)為是對鋼性能造成不利影響的因素，因為將氮作為鋼合金化元素，直到20世紀(jì)初才慢慢開始有人研究。Andrew首先發(fā)現(xiàn)了氮對鋼的力學(xué)性能的影響以及氮具有穩(wěn)定奧氏體的作用。20世紀(jì)20年代．Adcodk在他的研究過程中得到類似的結(jié)論即氮可以提高鋼的強度，并認(rèn)為氮的加入可以提高不銹鋼的耐腐蝕性能。隨后關(guān)于氮能提高鐵鉻合金強度的研究得到迸一步的發(fā)展和研究。40年代，Uhlig發(fā)現(xiàn)氮對耐蝕性的有利影響?；×W(xué)性能和耐蝕性能方面的有益作用，及鎳資源的相對稀缺，氮合金化逐漸成為大家的研究熱點，其潛在的性能及工藝技術(shù)得到發(fā)展。AODT藝使得氮代替不同合金成為可能，人們開始研究用氮代替鎳，德國首先研制出以氮、錳等元素取代部分鎳的含量不銹鋼，美國也于20世紀(jì)50年代開發(fā)了高錳奧氏體不銹鋼即AISI200系列，含氮量為0.1 0%-0.25%之間，典型鋼種為Cr18Ni5Mn8N0.15。氮作為合金化元素在不銹鋼中的作用機(jī)理的研究不斷得到深入和拓展。60年代末期，德國研制山名為“Nitronic”的鋼種，Mn和N含量較高，強度和低溫韌性高，耐腐蝕性能好。由于傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼中應(yīng)用較多的還是奧氏體不銹鋼(60%～70%)和雙相不銹鋼，氮作為合金元素主要集中于這兩種類型，當(dāng)然這還與它們合金成分對氮含量的影響有關(guān)，逐漸衍生出了許多含氮的不銹鋼品種系列。

    60年代初期高氮鋼主要停留在實驗室階段，采用加壓感應(yīng)爐制備多種高氮鍘。60年代后期，AOD爐外精煉技術(shù)的應(yīng)用，使冶煉過程中氮的加入以及控制方面得到了一定程度的解決。這一時期工業(yè)化生產(chǎn)了Cr21Mn9Ni7N0.32，有著較高的強度和耐腐蝕性能，這個時期的研究主要在于豐富和完善氮對力學(xué)和耐蝕性能的影響規(guī)律和相關(guān)知識方面，但是并未進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用領(lǐng)域。

    70年代，瑞典人Avesta和美國人Allegheny Ludlum先后研制出氮合金化銅鋼，在之前僅僅停留在提高Mn米提高鋼液中氮含量的階段有了新的認(rèn)識。上世紀(jì)80到90年代，加壓冶煉技術(shù)的發(fā)展，為高氮鋼的生產(chǎn)提供了一個很好的平臺，學(xué)者詳細(xì)的研究了Cr和Mo對鋼液中氮含量的影響規(guī)律，并根據(jù)研究結(jié)果開發(fā)出了很多新型高氮不銹鋼其特點主要是Cr、Mn、Mo三大類元素在合金中占比較高，包括有Nicrofer3033、P900( Cr18Mn18N0.6)、AISI934LN( 18Cr18MnIN14M00.6N)、Cromanite等。其中P900(Cr18Mn18N0.6)護(hù)環(huán)鋼已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)也在生產(chǎn)護(hù)環(huán)鋼，在很多機(jī)組上已經(jīng)使用。Cromanite主要應(yīng)用于潮濕和高沖擊摩擦的環(huán)境條件下，隨后生產(chǎn)的Nitrofer AG具有優(yōu)越的硬度、韌性和耐腐蝕性能。

    國內(nèi)關(guān)于含氮奧氏體不銹鋼的研究始于上世紀(jì)50年代，原北京鋼鐵學(xué)院的肖紀(jì)美教授針對高氮鋼的性能進(jìn)行了一系列的研究。70年代中科院金屬所著力于制備高含氮量的鋼種并研發(fā)出高氮無鎳雙相不銹鋼，并對相關(guān)的性能進(jìn)行了研究。上世紀(jì)80年代，國內(nèi)原上海鋼鐵研究所開始研究高氮鋼，隨后越來越多的高效和研究機(jī)構(gòu)將研究方向轉(zhuǎn)至含氦鋼。例如中科院金屬所、上海大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、燕山大學(xué)、昆明理工大學(xué)、鋼鐵研究總院、太原鋼鐵集團(tuán)、太原科技大學(xué)等單位對高氮鋼的冶煉、力學(xué)能力、組織特點、加工工藝開展了一系列的研究工作。我國對含氮鋼的研究相較于國外而言起步較晚，與一些發(fā)達(dá)國家相比研究階段仍相對落后，大都是跟隨和效仿其他國家，當(dāng)然我們也在此期間研制出了Cr18Mn18N護(hù)環(huán)鋼，并已經(jīng)開始投產(chǎn)應(yīng)用于工程領(lǐng)域，但是還存在著很多問題，國內(nèi)高氦鋼生產(chǎn)受冶金設(shè)備的限制，加壓冶金仍是個難題。另外對于護(hù)環(huán)鋼熱加工過程中出現(xiàn)的開裂這一現(xiàn)象仍未能很好的解決，這些都影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性與生產(chǎn)成本。此外，316L不銹鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，但耐體液腐蝕性和生物相容性較差，我國中科院金屬所通過研究傳統(tǒng)316L不銹鋼的特點和局限，開發(fā)了含氮醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼(Fe17Cr14Mn2M00.46N)，繼承傳統(tǒng)316L優(yōu)異系能的同時有效的改善其缺陷。科研院校與企業(yè)聯(lián)合研制出的Mn18Cr18N護(hù)環(huán)鋼，用于制作發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子定位環(huán)，解決了其易囚應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致開裂爆炸的問題。2006年第九屆國際高氮鋼會議在中國召開，再次推動了國內(nèi)高氮鋼研究的熱潮，同時也為我國高氮鋼的研制提供了機(jī)遇。

    目前以下幾類含氮鋼是現(xiàn)在研究的熱點：  (1)不含Ni的高氮不銹鋼。不銹鋼的強度顯著提高了同時，不增減甚至明顯減少其重量。用N代替Ni經(jīng)濟(jì)效益顯著，且符合環(huán)保要求，其成分更加趨于均勻化，晶粒更加趨于細(xì)化。此類鋼種的強度是遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)不含氮鋼，并且其抗點蝕得到明顯的提升。高強度，高沖擊韌性等特點使得此類鋼中己能取代部分現(xiàn)有建筑鋼中應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。(2)非磁性耐熱高氮不銹鋼。通過冷塑性變形后鋼的屈服強度能達(dá)到將近2000MPa，耐高溫能力也得到明顯的改善。(3)非磁性耐磨高氮鋼。這類鋼最大的優(yōu)勢在于性能提高的同時其生產(chǎn)成本卻很低，此類鋼作為一種耐磨和非磁性材料，耐磨性甚至能提高70%，一般至少也能提高20%以上，而對于變形零件其塑性也能提高70%。(4)用于核反應(yīng)堆的高氮鋼。此類鋼能解決傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼放射性造成的問題，作為聯(lián)接件和緊同件的高強度結(jié)構(gòu)鋼，強度能提高到驚人的70%，且沖擊韌性不受任何影響，能有效針對核反應(yīng)堆的中聯(lián)接件和緊固件強度不足的問題，同時減少或避免了頻繁的維修。但是關(guān)于含氮鋼的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，很多理論不夠深入，比如高氮鋼氮含量對其加工和使用性能的影響以及低溫韌脆轉(zhuǎn)變這一現(xiàn)象仍沒有統(tǒng)一的觀點，因此對于高氮鋼進(jìn)行更深入的研究很有必要。