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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)護環(huán)鋼已經(jīng)在發(fā)達國家廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)也在生產(chǎn)護環(huán)鋼，在很多機組上已經(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、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?？蒲性盒Ｅc企業(yè)聯(lián)合研制出的Mn18Cr18N護環(huán)鋼，用于制作發(fā)電機的轉(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，晶粒更加趨于細化。此類鋼種的強度是遠高于傳統(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遠不夠，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，因此對于高氮鋼進行更深入的研究很有必要。