中國粉體網(wǎng)6月21日訊 一般認(rèn)為，基體組織為奧氏體且含氮量超過0.4%,，或基體組織為鐵素體且含氮量超過0.08%的鋼才可稱為高氮鋼,。在常壓下，氮在鋼中的溶解度非常低,，加入很困難,。同時(shí)，在高壓下熔煉的技術(shù)難度大,，熔煉鑄造的設(shè)備又十分復(fù)雜和昂貴,，因此限制了高氮不銹鋼的發(fā)展。隨著AOD爐外精煉技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用,，使得氮的加入和控制問題得到了一定程度的解決,，也促進(jìn)了高氮不銹鋼的發(fā)展。同時(shí),，隨著資源短缺問題的日益突出,，高氮不銹鋼再次成為研究的熱點(diǎn)。
理論研究為技術(shù)進(jìn)步做支撐
近年來,，國外對高氮奧氏體不銹鋼的研究更加全面,、深入，高氮奧氏體鋼的理論和實(shí)踐也得到了更大的發(fā)展,。國內(nèi)由于受到試驗(yàn)裝備的限制,，高氮奧氏體鋼的研究已落后于國際水平。因此,，目前在高氮奧氏體鋼方面的研究成果主要集中在歐美,、日本和韓國等國家。國外研究主要包括以下幾個(gè)方面：
固溶氮對組織結(jié)構(gòu)的影響
氮的性質(zhì)與碳類似,，是生成間隙相的主要元素,，這是由它較小的原子尺寸和電子層結(jié)構(gòu)所決定的,。在奧氏體不銹鋼中，氮絕大部分固溶于奧氏體中,，固溶于鐵素體中的氮量很少(奧氏體鋼中都存在少量鐵素體),，在鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼中推測氮的分配系數(shù)為0.23~0.25。氮在擴(kuò)大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的25倍,。在常規(guī)的18-8型奧氏體不銹鋼中會有少量鐵素體存在,，隨鋼中含碳量的降低，鐵素體量將增加,，而加入氮?jiǎng)t彌補(bǔ)了碳含量降低對組織帶來的不利影響,。隨氮含量的增加，該鋼種中的鐵素體量減少,，同時(shí)氮含量的增加使鐵素體逐漸由網(wǎng)狀,、長條狀向短棒狀、孤島狀轉(zhuǎn)變,，從而降低了網(wǎng)狀鐵素體對奧氏體鋼強(qiáng)度和塑性的不良影響,。
金屬碳、氮化物的彌散現(xiàn)象
金屬學(xué)中,，有關(guān)冶煉和凝固過程中的動力學(xué)和熱力學(xué)問題已經(jīng)得到了系統(tǒng)研究,，但是當(dāng)Cr、Mn,、N和C等元素共同存在于固溶體中時(shí),，碳、氮化物會對第二相的析出造成很大影響,。當(dāng)?shù)砍^奧氏體的固溶極限時(shí)就會以氮化物形式析出,，但是對優(yōu)先析出相還沒有定論，一般認(rèn)為是Cr2N相,。目前有關(guān)碳,、氮元素在高氮奧氏體中的溶解和析出規(guī)律研究工作較少，有必要進(jìn)行探索,，從而根據(jù)實(shí)際需要控制其固溶與沉淀析出行為,。
氮與鋼中合金元素的相互作用主要表現(xiàn)在氮化物的彌散現(xiàn)象。在奧氏體鋼中存在許多彌散氮化物,，主要是Cr2N,。在含有Ti和Nb的鋼中，會有TiN和NbN形成,。在含有Nb的AISI347鋼中,，碳與鈮結(jié)合成NbC或氮與鈮結(jié)合成NbN均可提高它們在奧氏體中的溶解度，盡管NbN溶解度要比NbC小得多,。在雙相鋼中,，氮延緩金屬間化合物彌散析出和氮強(qiáng)烈的奧氏體穩(wěn)定作用,，對不銹鋼的相比例平衡和改善焊接性能很重要。氮在馬氏體鋼中與其他元素形成氮化物分布于晶界上,，提高硬化能力,，防止高溫回火時(shí)奧氏體和鐵素體晶粒的長大。綜上所述,，氮在不銹鋼中主要通過氮的固溶強(qiáng)化,、氮化物的彌散強(qiáng)化和晶粒細(xì)化三種途徑來改善鋼的性能。
氮對奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響
在含18%Cr-9%Ni的奧氏體不銹鋼中,，加鋁和提高鎳含量,，可提高鋼的屈服強(qiáng)度。滿足不銹鋼抗腐蝕性能的要求須減少碳的含量,，卻將會導(dǎo)致鋼材屈服強(qiáng)度的降低,，而加入氮和提高鋁含量可彌補(bǔ)這一不足。氮是最有效的固溶強(qiáng)化元素,，而Mn,、Cr含量的增加可提高氮在鋼中的溶解度。加氮奧氏體不銹鋼在強(qiáng)度提高的同時(shí),，對塑性、韌性影響卻不大,，加氮后的鋼仍具有良好的塑性,。氮對抗蠕變性能的作用遠(yuǎn)高于碳，碳降低斷裂韌性,，而氮對其無顯著影響,。原因是在蠕變過程中，碳的加入使粗大的碳化物Cr23C6分布于晶粒邊界,，而氮的存在使細(xì)小的Fe2Mo顆粒彌散于晶粒邊界,。奧氏體不銹鋼的抗蠕變性能隨氮含量的增加而提高，其原因是由于彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng),，特別是當(dāng)鋼中含有Nb時(shí),，生成Nb(C、N)的彌散強(qiáng)化相,。
以上分析表明,，氮對奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響是多方面的，其中突出表現(xiàn)為氮對材料強(qiáng)度和韌性的影響,。美國學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在奧氏體不銹鋼中,，每加入0.10%的氮，其強(qiáng)度提高約60MPa~100MPa,。這些研究成果為高氮奧氏體不銹鋼的韌性研究提供了重要參考數(shù)據(jù),。
冶煉增“氮”各施所長
高氮鋼的開發(fā)主要集中在兩個(gè)方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計(jì)高氮鋼的成分,；另一方面是通過制備技術(shù)得到合乎成分要求的高氮鋼。就高氮鋼制備而言,，最關(guān)鍵的問題在于尋找廉價(jià)的氮源,，在迅速提高氮含量的同時(shí)防止氮在高氮鋼凝固過程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布,。目前,，國外用于制備高氮鋼的主要方法是氮?dú)饧訅喝蹮挿ê头勰┮苯鸱ā?br />
氮?dú)饧訅喝蹮挿ǎ旱扛吖に噺?fù)雜
在加壓氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熔煉和澆注對于高氮不銹鋼的生產(chǎn)是必不可少的。氮?dú)饧訅喝蹮捀叩撚袃蓚�(gè)基本的機(jī)理：第一,，在氮?dú)?熔體的界面上發(fā)生N2=2N反應(yīng),，雙原子氮?dú)夥纸獬蓡卧拥⒈蝗垠w吸收,；第二,，直接往液態(tài)渣或熔體中加入金屬的氮化物或其復(fù)合物。
如今,，工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的熔煉高氮鋼方法包括熱等靜壓熔煉,、加壓感應(yīng)爐熔煉、大熔池法,、加壓電渣重熔,、加壓等離子電弧熔煉、電弧渣重熔技術(shù)和加壓弧渣重熔等,。其中,，加壓等離子熔煉法、加壓電渣重熔法和加壓電弧渣重熔法是最常見的加壓熔煉技術(shù),。
熱等靜壓熔煉(HIP)和加壓感應(yīng)爐熔煉(PIM),。熱等靜壓熔煉和加壓感應(yīng)爐熔煉是兩種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備高氮鋼的方法。他們都是通過氣液反應(yīng)來提高鋼水氮含量,。氣相-熔體界面的面積,、反應(yīng)器運(yùn)行溫度、對流強(qiáng)度,、氮分壓和熔體的合金元素均對該過程的滲氮?jiǎng)恿W(xué)和氮濃度產(chǎn)生影響,。采用熱等靜壓熔煉爐制備的高氮鋼氮含量可達(dá)到4%，但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀,，因此該技術(shù)不適于工業(yè)化制備高氮鋼,，僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模材料的制備。
相對于HIP熔煉方法而言,，加壓感應(yīng)爐熔煉高氮鋼的規(guī)模較大,。由于熔煉時(shí)熔體在感應(yīng)攪拌作用下發(fā)生對流運(yùn)動，加快了氮在熔體中的擴(kuò)散，從而縮短熔體中氮在特定壓力下達(dá)到平衡的時(shí)間,，最后所得的鑄錠組織也比較均勻,。德國學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)研究型加壓感應(yīng)熔煉爐研究氮在合金中溶解度行為時(shí)，將氮分壓提高到10MPa,，制備合金中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)3%以上,。在保加利亞，有人利用500kg加壓感應(yīng)爐進(jìn)行了制備高氮鋼的研究,，Cr18Mn12N鋼在氮分壓1.2MPa感應(yīng)爐內(nèi)持續(xù)滲氮3.5h,，鋼液中的氮含量從0.35%增加到0.42%。研究表明：在鋼液氣相滲氮的過程中,，氣相-熔體界面的面積占主導(dǎo)地位,，當(dāng)面積非常小時(shí)，熔池中鋼液難以獲得很高的氮含量,。因此在加壓感應(yīng)爐內(nèi)僅靠在氮?dú)鈿夥障挛苽涓叩�,，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
大熔池法(BSB),。所謂大熔池法是指高氮鋼水在大容量的爐子或鋼包中被劇烈攪拌,。大熔池法包括反壓鑄造法、重力鑄造法和整體鑄造法,。目前,，大熔池法僅在保加利亞用于工業(yè)化大規(guī)模制備高氮鋼，鋼包均采用感應(yīng)加熱,，其容量最小為0.5t,，最大為10t。這兩種容量規(guī)格的冶煉工藝均采用感應(yīng)加熱熔煉,，最大工作壓力為1.6MPa，制備的最大鋼錠分別為2t和10t,。反壓鑄造法是在加壓感應(yīng)爐中的鋼水滲氮至給定的濃度后,，靠壓差將其向上壓入模內(nèi)，并在高壓下凝固,。重力鑄造法是鋼水在加壓感應(yīng)室內(nèi)滲氮到給定的濃度后,，通過流鋼槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)車上的四個(gè)高壓室內(nèi)，并在高壓下凝固,。
大熔池法是目前唯一在單個(gè)生產(chǎn)單元完成高氮鋼制備的工業(yè)化生產(chǎn)方法,。和其他高氮鋼制備技術(shù)相比，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋼水可來自EAF,、IF,、AOD、VOD等精煉設(shè)備,；生產(chǎn)率可提高5倍~10倍,，具有較低的電能消耗,；理論上可制造各種規(guī)格的產(chǎn)品；可達(dá)到理論上可能的氮溶解度,，氮和其他元素分布均勻,；可生產(chǎn)高純凈和特殊結(jié)構(gòu)鋼等。但同時(shí),，相對于傳統(tǒng)工藝而言,，該方法工廠建設(shè)更加復(fù)雜，設(shè)備比較昂貴,，而且需要專業(yè)技能的人去操作,，人工成本比較高。鑒于目前高氮鋼沒有得到廣泛應(yīng)用,，工廠產(chǎn)量有限,，投資回報(bào)率低，限制了其發(fā)展,。
加壓電渣重熔熔煉(PESR),。加壓電渣重熔是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。在德國研制的加壓電渣爐上設(shè)有合金添加裝置,，可以在保持爐內(nèi)壓力的條件下,，向渣池中添加氮化合金顆粒以實(shí)現(xiàn)高氮鋼的生產(chǎn)。德國利用這些加壓電渣爐生產(chǎn)的典型產(chǎn)品有：無鎳奧氏體不銹鋼P(yáng)900(X5CrMnN18-18)和P2000(X5CrMnN16-4-3),，用于制造大型發(fā)電機(jī)用護(hù)環(huán),、無鎳奧氏體不銹鋼人工合成骨質(zhì)材料、外科和牙科用材料,、不銹鋼軸承和滾珠絲杠等,。
日本國家材料研究所(NIMS)研制了1臺20kg的實(shí)驗(yàn)用加壓電渣爐實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)最大壓力為5MPa,，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)控制在4MPa,。該裝置以FeCrN粉末為氮源，將粉末裝入到多根不銹鋼鋼管中并燒結(jié),，然后沿圓周方向焊接到作為主原料自耗電極表面,。這種方法獲得的鋼錠氮含量相對比較均勻，渣系為CaF2,、CaO和A12O3,，或只有CaF2。采用此加壓電渣設(shè)備生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達(dá)到1%以上,。
加壓電渣重熔法存在很多不足,，除生產(chǎn)成本較高外，還包括以下方面：一是為了要獲得較高的氮含量，須采用復(fù)雜且費(fèi)用昂貴的方法來制造復(fù)合電極,。二是氮量分布不均,。三是有時(shí)為了滿足成分均勻性的要求，必須進(jìn)行兩次重熔,。四是當(dāng)為了改善錠中氮分布的狀況而使用氮化硅合金時(shí),，硅元素會進(jìn)入鋼中。五是該工藝僅能生產(chǎn)尺寸規(guī)格有規(guī)定的一些錠子,，成品合格率也相對較低,。
加壓等離子電弧熔煉(PARP)。等離子熔煉是利用等離子弧作為熱源來熔化,、精煉和重熔金屬的一種新型冶煉方法,。用等離子弧滲氮時(shí)，熔融金屬暴露于等離子弧中時(shí)利用化學(xué)吸附和電場吸附的原理使鋼水增氮,，其平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度,。實(shí)驗(yàn)研究表明：采用等離子弧可以加速鋼水的滲氮，且金屬雜質(zhì)含量較低,，在較低的氮分壓下,，不需要添加氮化合金即可獲得非常高的氮含量。最終的氮含量取決于氮分壓,、氣體成分,、原始鋼的成分、溫度和生成的渣,。但是由于熔池中溫度的波動,，氮的均勻性較差。
目前,，加壓等離子電弧爐冶煉高氮鋼存在以下缺陷：電能消耗高,，估計(jì)電耗超過2000kWh/t；在冶煉高氮鋼時(shí),，其壓力僅限于0.45MPa以下,；熔池中氮的分布不均勻；設(shè)備復(fù)雜昂貴,，難以生產(chǎn)板坯、鍛錠和鑄錠,。
波蘭學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),，利用等離子滲氮得到的氮含量高于氣體滲氮，在鋼液面上添加精煉渣可極大地提高氮的飽和度,，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)僅利用等離子弧氮合金化,，鋼液中的氮不能均勻混合。該學(xué)者提出了單步制備高氮鋼工藝，并命名為等離子加壓熔煉工藝(PPMP),。該工藝克服了傳統(tǒng)加壓等離子電弧爐熔煉的缺點(diǎn),，而且氮工作壓力可以提高到1.2MPa。通過爐子底部的浸入式多孔透氣塞吹氮?dú)�,，在氣體滲氮的同時(shí),，攪拌鋼液以實(shí)現(xiàn)氮和溫度的均勻化，從頂部的加料倉向鋼液中加入金屬屑料,，底部設(shè)有的鑄造系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高氮鋼液在高壓下凝固,。
電弧渣重熔技術(shù)(ASR)及加壓弧渣重熔技術(shù)(PASR)。電弧渣重熔技術(shù)(ArcSlagRemelting-ASR)是烏克蘭巴頓電焊研究院開發(fā)出來的,，它結(jié)合了電渣重熔(ESR)和真空電弧重熔(VAR)兩者的優(yōu)點(diǎn),，并使用中空電極重熔高氮鋼。與電渣重熔相比,，由于采用了較小的電流和較高的電壓并使用大約為ESR一半的渣量,，因此形成的電弧能將渣面基本吹開，熔渣被擠壓到結(jié)晶器壁周圍,，使電弧能在電極和金屬熔池之間穩(wěn)定燃燒,。在采用中空電極重熔高氮鋼時(shí)將一定流量和壓力的氮?dú)馔ㄟ^中空自耗電極吹入電弧區(qū)，使一定比例的氮?dú)庠陔娀^(qū)電離,，形成氮?dú)獾入x子電弧,，從而大大提高了鋼液吸氮的熱力學(xué)和動力學(xué)條件。
ASR法生產(chǎn)高氮鋼可在常壓和加壓條件下進(jìn)行,，和等離子弧熔煉相比,，在更高的壓力下電弧能保持穩(wěn)定，使鋼液增氮,。利用加壓弧渣重熔(ASRP)制備高氮鋼,，熔煉爐內(nèi)氮分壓可達(dá)4MPa。
ASR法和ASRP法制備高氮鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一,，自耗電極可以采用常壓下制備,，在重熔過程中的氣相離子滲氮完全可以滿足氮的合金化要求，重熔出的鋼錠中氮的分布比較均勻,。第二,，由于加熱面積大，傳熱效果好,，金屬熔池形狀比ESR甚至比VAR更淺平,，因而結(jié)晶質(zhì)量更好。第三,，電耗和渣料消耗都有明顯的降低,。第四,，與VAR相比，鋼錠的表面質(zhì)量顯著改善,，而與ESR情況相當(dāng),。第五，與PARP相比,，可在更低的氮分壓下使鋼液增氮,。
采用氮?dú)饧訅喝蹮挿ǹ梢陨a(chǎn)出含氮量在1%以上的高氮鋼，但缺點(diǎn)是在不同程度上存在著設(shè)備復(fù)雜,、高壓氣體危險(xiǎn),、氮分布不均勻、工藝控制困難和生產(chǎn)成本高等問題,。
粉末冶金技術(shù)：提高性能成本較低
利用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)高氮鋼,，可以通過非平衡方法獲得過飽和的含氮固溶體和細(xì)小沉淀相，提高材料的性能,，可以直接制備出形狀復(fù)雜的零件而無需后續(xù)機(jī)加工,，其成本比高壓熔煉法低。
常壓下氮在鋼液中的溶解度低,，且在凝固的過程中經(jīng)過氮溶解度更低的δ-Fe區(qū),。為了抑制鋼中氮在凝固過程的析出，通常采用提高氮分壓的手段來提高鋼中的氮含量,。因此高壓冶金技術(shù)被開發(fā)出來,，以大規(guī)模制備高氮不銹鋼，但是這些高壓設(shè)備復(fù)雜且費(fèi)用比較高,。由于氮在固態(tài)奧氏體中溶解度要比氮在熔體中的溶解度大得多,，因此可以在一定的溫度下通過固態(tài)鋼滲氮來提高鋼中氮的含量，粉末冶金就是利用這個(gè)原理來制備高氮含量的合金粉末,。粉末冶金法可在較低的氮壓力和溫度下完成合金粉末氮化,。
采用機(jī)械合金化(MechanicalAlloying)制備高氮不銹鋼粉末是粉末冶金取得突破性進(jìn)展的新技術(shù)之一。其基本原理是粉末在氮?dú)鈿夥盏母吣?a href="http://yu-yang.com.cn/zc/012.html" target="_blank" style="color:#0000ff">球磨機(jī)中經(jīng)過反復(fù)塑性變形,、冷焊,、破碎、細(xì)化,，氮與粉末發(fā)生擴(kuò)散和固態(tài)反應(yīng)形成高氮含量,、晶粒細(xì)化的過飽和固溶體,。近幾年來,，大量的研究者利用機(jī)械合金化手段，在氮?dú)鈿夥障轮苽涑柡偷母叩摲勰�,。制備的高氮鋼粉末通過粉末冶金成型技術(shù)制備成高氮鋼產(chǎn)品,。在純鐵和Fe-18Cr-8Ni中采用機(jī)械合金化手段可以制備出氮含量超過1%的高氮鋼粉末。墨西哥學(xué)者采用機(jī)械合金化的手段制備出高氮納米不銹鋼Fe18Cr11MnN,，合金粉末經(jīng)過144個(gè)小時(shí)的機(jī)械合金化后,，其中的固溶氮含量可達(dá)5%，晶粒尺寸均在10nm以下,。
目前,，國內(nèi)外采用粉末冶金法生產(chǎn)高氮不銹鋼主要有以下幾種方式：第一種是通過各種途徑先制得高氮不銹鋼粉末，然后用模壓燒結(jié),、粉末鍛軋等傳統(tǒng)粉末冶金成形技術(shù)加工成高氮不銹鋼產(chǎn)品,；第二種是將不含氮的不銹鋼粉末用注射成形等方式加工成坯后，在燒結(jié)過程中進(jìn)行氮化處理,；第三種是將制備高氮不銹鋼粉末和后續(xù)燒結(jié)工藝中進(jìn)行吸氮處理二者相結(jié)合制備高氮不銹鋼,。
用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)含氮材料有如下優(yōu)點(diǎn)：粉末冶金材料的晶粒很細(xì)而造成Hall-Petch(霍爾-佩奇)強(qiáng)化等效應(yīng)。它還含大量細(xì)小沉淀物,，可通過彌散和沉淀強(qiáng)化提供很高的性能,。若用高氮鋼水制粉,，通過快速冷卻,，可使材料中含有過飽和的間隙氮。利用粉末冶金制備高氮不銹鋼與高壓冶金相比,，投資規(guī)模小。
國外一直熱衷于對高氮不銹鋼的研究,，并且取得了豐富的成果。關(guān)于高氮不銹鋼的基礎(chǔ)研究,、性能研究,、使用性能如焊接性能研究和新材料的開發(fā)都有了新的發(fā)展，并且發(fā)展速度相當(dāng)快,。
我國盡管有高校,、研究院所對高氮鋼的研究表現(xiàn)出極大興趣，并且先后開展了試驗(yàn)研究,，有的單位聘請國外學(xué)者或和國外機(jī)構(gòu)合作研究,，取得了初步的研究結(jié)果。但是,，由于國內(nèi)沒有高氮鋼冶煉試驗(yàn)裝置,，缺乏研究手段，致使國內(nèi)高氮不銹鋼的研究落后于國外水平,。目前來看,，真正意義上的高氮鋼研究成果并不太多,，許多研究尚屬于含氮鋼的范疇。鑒于高氮鋼優(yōu)越的綜合性能,，其發(fā)展前景良好,，對高氮鋼的研究還有很多工作可做,。因此,，建立高氮鋼的冶煉試驗(yàn)裝置是高氮奧氏體不銹鋼發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急,。
理論研究為技術(shù)進(jìn)步做支撐
近年來,，國外對高氮奧氏體不銹鋼的研究更加全面,、深入，高氮奧氏體鋼的理論和實(shí)踐也得到了更大的發(fā)展,。國內(nèi)由于受到試驗(yàn)裝備的限制,，高氮奧氏體鋼的研究已落后于國際水平。因此,，目前在高氮奧氏體鋼方面的研究成果主要集中在歐美,、日本和韓國等國家。國外研究主要包括以下幾個(gè)方面：
固溶氮對組織結(jié)構(gòu)的影響
氮的性質(zhì)與碳類似,，是生成間隙相的主要元素,，這是由它較小的原子尺寸和電子層結(jié)構(gòu)所決定的,。在奧氏體不銹鋼中，氮絕大部分固溶于奧氏體中,，固溶于鐵素體中的氮量很少(奧氏體鋼中都存在少量鐵素體),，在鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼中推測氮的分配系數(shù)為0.23~0.25。氮在擴(kuò)大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的25倍,。在常規(guī)的18-8型奧氏體不銹鋼中會有少量鐵素體存在,，隨鋼中含碳量的降低，鐵素體量將增加,，而加入氮?jiǎng)t彌補(bǔ)了碳含量降低對組織帶來的不利影響,。隨氮含量的增加，該鋼種中的鐵素體量減少,，同時(shí)氮含量的增加使鐵素體逐漸由網(wǎng)狀,、長條狀向短棒狀、孤島狀轉(zhuǎn)變,，從而降低了網(wǎng)狀鐵素體對奧氏體鋼強(qiáng)度和塑性的不良影響,。
金屬碳、氮化物的彌散現(xiàn)象
金屬學(xué)中,，有關(guān)冶煉和凝固過程中的動力學(xué)和熱力學(xué)問題已經(jīng)得到了系統(tǒng)研究,，但是當(dāng)Cr、Mn,、N和C等元素共同存在于固溶體中時(shí),，碳、氮化物會對第二相的析出造成很大影響,。當(dāng)?shù)砍^奧氏體的固溶極限時(shí)就會以氮化物形式析出,，但是對優(yōu)先析出相還沒有定論，一般認(rèn)為是Cr2N相,。目前有關(guān)碳,、氮元素在高氮奧氏體中的溶解和析出規(guī)律研究工作較少，有必要進(jìn)行探索,，從而根據(jù)實(shí)際需要控制其固溶與沉淀析出行為,。
氮與鋼中合金元素的相互作用主要表現(xiàn)在氮化物的彌散現(xiàn)象。在奧氏體鋼中存在許多彌散氮化物,，主要是Cr2N,。在含有Ti和Nb的鋼中，會有TiN和NbN形成,。在含有Nb的AISI347鋼中,，碳與鈮結(jié)合成NbC或氮與鈮結(jié)合成NbN均可提高它們在奧氏體中的溶解度，盡管NbN溶解度要比NbC小得多,。在雙相鋼中,，氮延緩金屬間化合物彌散析出和氮強(qiáng)烈的奧氏體穩(wěn)定作用,，對不銹鋼的相比例平衡和改善焊接性能很重要。氮在馬氏體鋼中與其他元素形成氮化物分布于晶界上,，提高硬化能力,，防止高溫回火時(shí)奧氏體和鐵素體晶粒的長大。綜上所述,，氮在不銹鋼中主要通過氮的固溶強(qiáng)化,、氮化物的彌散強(qiáng)化和晶粒細(xì)化三種途徑來改善鋼的性能。
氮對奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響
在含18%Cr-9%Ni的奧氏體不銹鋼中,，加鋁和提高鎳含量,，可提高鋼的屈服強(qiáng)度。滿足不銹鋼抗腐蝕性能的要求須減少碳的含量,，卻將會導(dǎo)致鋼材屈服強(qiáng)度的降低,，而加入氮和提高鋁含量可彌補(bǔ)這一不足。氮是最有效的固溶強(qiáng)化元素,，而Mn,、Cr含量的增加可提高氮在鋼中的溶解度。加氮奧氏體不銹鋼在強(qiáng)度提高的同時(shí),，對塑性、韌性影響卻不大,，加氮后的鋼仍具有良好的塑性,。氮對抗蠕變性能的作用遠(yuǎn)高于碳，碳降低斷裂韌性,，而氮對其無顯著影響,。原因是在蠕變過程中，碳的加入使粗大的碳化物Cr23C6分布于晶粒邊界,，而氮的存在使細(xì)小的Fe2Mo顆粒彌散于晶粒邊界,。奧氏體不銹鋼的抗蠕變性能隨氮含量的增加而提高，其原因是由于彌散強(qiáng)化作用增強(qiáng),，特別是當(dāng)鋼中含有Nb時(shí),，生成Nb(C、N)的彌散強(qiáng)化相,。
以上分析表明,，氮對奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響是多方面的，其中突出表現(xiàn)為氮對材料強(qiáng)度和韌性的影響,。美國學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在奧氏體不銹鋼中,，每加入0.10%的氮，其強(qiáng)度提高約60MPa~100MPa,。這些研究成果為高氮奧氏體不銹鋼的韌性研究提供了重要參考數(shù)據(jù),。
冶煉增“氮”各施所長
高氮鋼的開發(fā)主要集中在兩個(gè)方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計(jì)高氮鋼的成分,；另一方面是通過制備技術(shù)得到合乎成分要求的高氮鋼。就高氮鋼制備而言,，最關(guān)鍵的問題在于尋找廉價(jià)的氮源,，在迅速提高氮含量的同時(shí)防止氮在高氮鋼凝固過程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布,。目前,，國外用于制備高氮鋼的主要方法是氮?dú)饧訅喝蹮挿ê头勰┮苯鸱ā?br />
氮?dú)饧訅喝蹮挿ǎ旱扛吖に噺?fù)雜
在加壓氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熔煉和澆注對于高氮不銹鋼的生產(chǎn)是必不可少的。氮?dú)饧訅喝蹮捀叩撚袃蓚�(gè)基本的機(jī)理：第一,，在氮?dú)?熔體的界面上發(fā)生N2=2N反應(yīng),，雙原子氮?dú)夥纸獬蓡卧拥⒈蝗垠w吸收,；第二,，直接往液態(tài)渣或熔體中加入金屬的氮化物或其復(fù)合物。
如今,，工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的熔煉高氮鋼方法包括熱等靜壓熔煉,、加壓感應(yīng)爐熔煉、大熔池法,、加壓電渣重熔,、加壓等離子電弧熔煉、電弧渣重熔技術(shù)和加壓弧渣重熔等,。其中,，加壓等離子熔煉法、加壓電渣重熔法和加壓電弧渣重熔法是最常見的加壓熔煉技術(shù),。
熱等靜壓熔煉(HIP)和加壓感應(yīng)爐熔煉(PIM),。熱等靜壓熔煉和加壓感應(yīng)爐熔煉是兩種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備高氮鋼的方法。他們都是通過氣液反應(yīng)來提高鋼水氮含量,。氣相-熔體界面的面積,、反應(yīng)器運(yùn)行溫度、對流強(qiáng)度,、氮分壓和熔體的合金元素均對該過程的滲氮?jiǎng)恿W(xué)和氮濃度產(chǎn)生影響,。采用熱等靜壓熔煉爐制備的高氮鋼氮含量可達(dá)到4%，但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀,，因此該技術(shù)不適于工業(yè)化制備高氮鋼,，僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模材料的制備。
相對于HIP熔煉方法而言,，加壓感應(yīng)爐熔煉高氮鋼的規(guī)模較大,。由于熔煉時(shí)熔體在感應(yīng)攪拌作用下發(fā)生對流運(yùn)動，加快了氮在熔體中的擴(kuò)散，從而縮短熔體中氮在特定壓力下達(dá)到平衡的時(shí)間,，最后所得的鑄錠組織也比較均勻,。德國學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)研究型加壓感應(yīng)熔煉爐研究氮在合金中溶解度行為時(shí)，將氮分壓提高到10MPa,，制備合金中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)3%以上,。在保加利亞，有人利用500kg加壓感應(yīng)爐進(jìn)行了制備高氮鋼的研究,，Cr18Mn12N鋼在氮分壓1.2MPa感應(yīng)爐內(nèi)持續(xù)滲氮3.5h,，鋼液中的氮含量從0.35%增加到0.42%。研究表明：在鋼液氣相滲氮的過程中,，氣相-熔體界面的面積占主導(dǎo)地位,，當(dāng)面積非常小時(shí)，熔池中鋼液難以獲得很高的氮含量,。因此在加壓感應(yīng)爐內(nèi)僅靠在氮?dú)鈿夥障挛苽涓叩�,，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
大熔池法(BSB),。所謂大熔池法是指高氮鋼水在大容量的爐子或鋼包中被劇烈攪拌,。大熔池法包括反壓鑄造法、重力鑄造法和整體鑄造法,。目前,，大熔池法僅在保加利亞用于工業(yè)化大規(guī)模制備高氮鋼，鋼包均采用感應(yīng)加熱,，其容量最小為0.5t,，最大為10t。這兩種容量規(guī)格的冶煉工藝均采用感應(yīng)加熱熔煉,，最大工作壓力為1.6MPa，制備的最大鋼錠分別為2t和10t,。反壓鑄造法是在加壓感應(yīng)爐中的鋼水滲氮至給定的濃度后,，靠壓差將其向上壓入模內(nèi)，并在高壓下凝固,。重力鑄造法是鋼水在加壓感應(yīng)室內(nèi)滲氮到給定的濃度后,，通過流鋼槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)車上的四個(gè)高壓室內(nèi)，并在高壓下凝固,。
大熔池法是目前唯一在單個(gè)生產(chǎn)單元完成高氮鋼制備的工業(yè)化生產(chǎn)方法,。和其他高氮鋼制備技術(shù)相比，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋼水可來自EAF,、IF,、AOD、VOD等精煉設(shè)備,；生產(chǎn)率可提高5倍~10倍,，具有較低的電能消耗,；理論上可制造各種規(guī)格的產(chǎn)品；可達(dá)到理論上可能的氮溶解度,，氮和其他元素分布均勻,；可生產(chǎn)高純凈和特殊結(jié)構(gòu)鋼等。但同時(shí),，相對于傳統(tǒng)工藝而言,，該方法工廠建設(shè)更加復(fù)雜，設(shè)備比較昂貴,，而且需要專業(yè)技能的人去操作,，人工成本比較高。鑒于目前高氮鋼沒有得到廣泛應(yīng)用,，工廠產(chǎn)量有限,，投資回報(bào)率低，限制了其發(fā)展,。
加壓電渣重熔熔煉(PESR),。加壓電渣重熔是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。在德國研制的加壓電渣爐上設(shè)有合金添加裝置,，可以在保持爐內(nèi)壓力的條件下,，向渣池中添加氮化合金顆粒以實(shí)現(xiàn)高氮鋼的生產(chǎn)。德國利用這些加壓電渣爐生產(chǎn)的典型產(chǎn)品有：無鎳奧氏體不銹鋼P(yáng)900(X5CrMnN18-18)和P2000(X5CrMnN16-4-3),，用于制造大型發(fā)電機(jī)用護(hù)環(huán),、無鎳奧氏體不銹鋼人工合成骨質(zhì)材料、外科和牙科用材料,、不銹鋼軸承和滾珠絲杠等,。
日本國家材料研究所(NIMS)研制了1臺20kg的實(shí)驗(yàn)用加壓電渣爐實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)最大壓力為5MPa,，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)控制在4MPa,。該裝置以FeCrN粉末為氮源，將粉末裝入到多根不銹鋼鋼管中并燒結(jié),，然后沿圓周方向焊接到作為主原料自耗電極表面,。這種方法獲得的鋼錠氮含量相對比較均勻，渣系為CaF2,、CaO和A12O3,，或只有CaF2。采用此加壓電渣設(shè)備生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達(dá)到1%以上,。
加壓電渣重熔法存在很多不足,，除生產(chǎn)成本較高外，還包括以下方面：一是為了要獲得較高的氮含量，須采用復(fù)雜且費(fèi)用昂貴的方法來制造復(fù)合電極,。二是氮量分布不均,。三是有時(shí)為了滿足成分均勻性的要求，必須進(jìn)行兩次重熔,。四是當(dāng)為了改善錠中氮分布的狀況而使用氮化硅合金時(shí),，硅元素會進(jìn)入鋼中。五是該工藝僅能生產(chǎn)尺寸規(guī)格有規(guī)定的一些錠子,，成品合格率也相對較低,。
加壓等離子電弧熔煉(PARP)。等離子熔煉是利用等離子弧作為熱源來熔化,、精煉和重熔金屬的一種新型冶煉方法,。用等離子弧滲氮時(shí)，熔融金屬暴露于等離子弧中時(shí)利用化學(xué)吸附和電場吸附的原理使鋼水增氮,，其平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度,。實(shí)驗(yàn)研究表明：采用等離子弧可以加速鋼水的滲氮，且金屬雜質(zhì)含量較低,，在較低的氮分壓下,，不需要添加氮化合金即可獲得非常高的氮含量。最終的氮含量取決于氮分壓,、氣體成分,、原始鋼的成分、溫度和生成的渣,。但是由于熔池中溫度的波動,，氮的均勻性較差。
目前,，加壓等離子電弧爐冶煉高氮鋼存在以下缺陷：電能消耗高,，估計(jì)電耗超過2000kWh/t；在冶煉高氮鋼時(shí),，其壓力僅限于0.45MPa以下,；熔池中氮的分布不均勻；設(shè)備復(fù)雜昂貴,，難以生產(chǎn)板坯、鍛錠和鑄錠,。
波蘭學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),，利用等離子滲氮得到的氮含量高于氣體滲氮，在鋼液面上添加精煉渣可極大地提高氮的飽和度,，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)僅利用等離子弧氮合金化,，鋼液中的氮不能均勻混合。該學(xué)者提出了單步制備高氮鋼工藝，并命名為等離子加壓熔煉工藝(PPMP),。該工藝克服了傳統(tǒng)加壓等離子電弧爐熔煉的缺點(diǎn),，而且氮工作壓力可以提高到1.2MPa。通過爐子底部的浸入式多孔透氣塞吹氮?dú)�,，在氣體滲氮的同時(shí),，攪拌鋼液以實(shí)現(xiàn)氮和溫度的均勻化，從頂部的加料倉向鋼液中加入金屬屑料,，底部設(shè)有的鑄造系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高氮鋼液在高壓下凝固,。
電弧渣重熔技術(shù)(ASR)及加壓弧渣重熔技術(shù)(PASR)。電弧渣重熔技術(shù)(ArcSlagRemelting-ASR)是烏克蘭巴頓電焊研究院開發(fā)出來的,，它結(jié)合了電渣重熔(ESR)和真空電弧重熔(VAR)兩者的優(yōu)點(diǎn),，并使用中空電極重熔高氮鋼。與電渣重熔相比,，由于采用了較小的電流和較高的電壓并使用大約為ESR一半的渣量,，因此形成的電弧能將渣面基本吹開，熔渣被擠壓到結(jié)晶器壁周圍,，使電弧能在電極和金屬熔池之間穩(wěn)定燃燒,。在采用中空電極重熔高氮鋼時(shí)將一定流量和壓力的氮?dú)馔ㄟ^中空自耗電極吹入電弧區(qū)，使一定比例的氮?dú)庠陔娀^(qū)電離,，形成氮?dú)獾入x子電弧,，從而大大提高了鋼液吸氮的熱力學(xué)和動力學(xué)條件。
ASR法生產(chǎn)高氮鋼可在常壓和加壓條件下進(jìn)行,，和等離子弧熔煉相比,，在更高的壓力下電弧能保持穩(wěn)定，使鋼液增氮,。利用加壓弧渣重熔(ASRP)制備高氮鋼,，熔煉爐內(nèi)氮分壓可達(dá)4MPa。
ASR法和ASRP法制備高氮鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一,，自耗電極可以采用常壓下制備,，在重熔過程中的氣相離子滲氮完全可以滿足氮的合金化要求，重熔出的鋼錠中氮的分布比較均勻,。第二,，由于加熱面積大，傳熱效果好,，金屬熔池形狀比ESR甚至比VAR更淺平,，因而結(jié)晶質(zhì)量更好。第三,，電耗和渣料消耗都有明顯的降低,。第四,，與VAR相比，鋼錠的表面質(zhì)量顯著改善,，而與ESR情況相當(dāng),。第五，與PARP相比,，可在更低的氮分壓下使鋼液增氮,。
采用氮?dú)饧訅喝蹮挿ǹ梢陨a(chǎn)出含氮量在1%以上的高氮鋼，但缺點(diǎn)是在不同程度上存在著設(shè)備復(fù)雜,、高壓氣體危險(xiǎn),、氮分布不均勻、工藝控制困難和生產(chǎn)成本高等問題,。
粉末冶金技術(shù)：提高性能成本較低
利用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)高氮鋼,，可以通過非平衡方法獲得過飽和的含氮固溶體和細(xì)小沉淀相，提高材料的性能,，可以直接制備出形狀復(fù)雜的零件而無需后續(xù)機(jī)加工,，其成本比高壓熔煉法低。
常壓下氮在鋼液中的溶解度低,，且在凝固的過程中經(jīng)過氮溶解度更低的δ-Fe區(qū),。為了抑制鋼中氮在凝固過程的析出，通常采用提高氮分壓的手段來提高鋼中的氮含量,。因此高壓冶金技術(shù)被開發(fā)出來,，以大規(guī)模制備高氮不銹鋼，但是這些高壓設(shè)備復(fù)雜且費(fèi)用比較高,。由于氮在固態(tài)奧氏體中溶解度要比氮在熔體中的溶解度大得多,，因此可以在一定的溫度下通過固態(tài)鋼滲氮來提高鋼中氮的含量，粉末冶金就是利用這個(gè)原理來制備高氮含量的合金粉末,。粉末冶金法可在較低的氮壓力和溫度下完成合金粉末氮化,。
采用機(jī)械合金化(MechanicalAlloying)制備高氮不銹鋼粉末是粉末冶金取得突破性進(jìn)展的新技術(shù)之一。其基本原理是粉末在氮?dú)鈿夥盏母吣?a href="http://yu-yang.com.cn/zc/012.html" target="_blank" style="color:#0000ff">球磨機(jī)中經(jīng)過反復(fù)塑性變形,、冷焊,、破碎、細(xì)化,，氮與粉末發(fā)生擴(kuò)散和固態(tài)反應(yīng)形成高氮含量,、晶粒細(xì)化的過飽和固溶體,。近幾年來,，大量的研究者利用機(jī)械合金化手段，在氮?dú)鈿夥障轮苽涑柡偷母叩摲勰�,。制備的高氮鋼粉末通過粉末冶金成型技術(shù)制備成高氮鋼產(chǎn)品,。在純鐵和Fe-18Cr-8Ni中采用機(jī)械合金化手段可以制備出氮含量超過1%的高氮鋼粉末。墨西哥學(xué)者采用機(jī)械合金化的手段制備出高氮納米不銹鋼Fe18Cr11MnN,，合金粉末經(jīng)過144個(gè)小時(shí)的機(jī)械合金化后,，其中的固溶氮含量可達(dá)5%，晶粒尺寸均在10nm以下,。
目前,，國內(nèi)外采用粉末冶金法生產(chǎn)高氮不銹鋼主要有以下幾種方式：第一種是通過各種途徑先制得高氮不銹鋼粉末，然后用模壓燒結(jié),、粉末鍛軋等傳統(tǒng)粉末冶金成形技術(shù)加工成高氮不銹鋼產(chǎn)品,；第二種是將不含氮的不銹鋼粉末用注射成形等方式加工成坯后，在燒結(jié)過程中進(jìn)行氮化處理,；第三種是將制備高氮不銹鋼粉末和后續(xù)燒結(jié)工藝中進(jìn)行吸氮處理二者相結(jié)合制備高氮不銹鋼,。
用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)含氮材料有如下優(yōu)點(diǎn)：粉末冶金材料的晶粒很細(xì)而造成Hall-Petch(霍爾-佩奇)強(qiáng)化等效應(yīng)。它還含大量細(xì)小沉淀物,，可通過彌散和沉淀強(qiáng)化提供很高的性能,。若用高氮鋼水制粉,，通過快速冷卻,，可使材料中含有過飽和的間隙氮。利用粉末冶金制備高氮不銹鋼與高壓冶金相比,，投資規(guī)模小。
國外一直熱衷于對高氮不銹鋼的研究,，并且取得了豐富的成果。關(guān)于高氮不銹鋼的基礎(chǔ)研究,、性能研究,、使用性能如焊接性能研究和新材料的開發(fā)都有了新的發(fā)展，并且發(fā)展速度相當(dāng)快,。
我國盡管有高校,、研究院所對高氮鋼的研究表現(xiàn)出極大興趣，并且先后開展了試驗(yàn)研究,，有的單位聘請國外學(xué)者或和國外機(jī)構(gòu)合作研究,，取得了初步的研究結(jié)果。但是,，由于國內(nèi)沒有高氮鋼冶煉試驗(yàn)裝置,，缺乏研究手段，致使國內(nèi)高氮不銹鋼的研究落后于國外水平,。目前來看,，真正意義上的高氮鋼研究成果并不太多,，許多研究尚屬于含氮鋼的范疇。鑒于高氮鋼優(yōu)越的綜合性能,，其發(fā)展前景良好,，對高氮鋼的研究還有很多工作可做,。因此,，建立高氮鋼的冶煉試驗(yàn)裝置是高氮奧氏體不銹鋼發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急,。
