氮在鐵基固溶體中一個(gè)最顯著和最有效的作用是穩(wěn)定面心立方晶格,,同時(shí)在固溶強(qiáng)化,、晶粒細(xì)化硬化、加工硬化,、應(yīng)變時(shí)效,、耐一般腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕方面起積極作用,。研究表明:每加入0.1 N,,其強(qiáng)度提高約6O~100MPa在奧氏體不銹鋼內(nèi)1% 氮和含2O%鉻的耐蝕性相同]。
高氮不銹鋼的制備方法主要有熔煉法和粉末冶金法,。常規(guī)熔煉法制備不銹鋼,,氮含量較低,只有通過高壓熔煉才能獲得高的氮含量和高強(qiáng)高韌高氮不銹鋼,。由于高壓熔煉法設(shè)備復(fù)雜,、投資大,從而限制了它的發(fā)展。與熔煉制備高氮不銹鋼法相比,,粉末冶金法生產(chǎn)高氮不銹鋼能夠細(xì)化晶粒,、減少成分和組織偏析,獲得均勻的合金組元和氮的分布,,能較為容易地獲得更高的氮含量,,可以實(shí)現(xiàn)近終成形,還可能制備鑄鍛方法難以制造的高氮鋼制品,。另外,,它工藝靈活、資金投入低,。這使得粉末高氮鋼的研究成為當(dāng)前高氮鋼最重要的研究方向之一,。
1 主要工藝及研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外采用粉末冶金法生產(chǎn)高氮不銹鋼主要有下列幾種方式:(1)先制取高氮不銹鋼粉末,然后采用模壓燒結(jié),、粉末鍛軋,、熱等靜壓等粉末冶金成形方式制備高氮不銹鋼制品(2)將一般不銹鋼粉進(jìn)行模壓成形、注射成形等方式加工成生坯后,,在燒結(jié)過程中進(jìn)行滲氮處理,。
1.1 高氮不銹鋼粉末的制備
1.1.1 高壓氮?dú)馊蹮捯桓邏旱獨(dú)忪F化法根據(jù)Sievert規(guī)律,鋼液中氮含量與氮?dú)鈮毫Φ钠椒礁烧�,,隨著氮?dú)鈮毫υ黾�,,鋼液中氮的溶解度增加�?見圖1[5])。根據(jù)此原理,,可用于生產(chǎn)商業(yè)用高氮不銹鋼粉末,首先在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行高壓熔煉,,提高鋼液中的氮含量,,然后采用高壓氮?dú)庾鳛殪F化氣將熔體破碎成粉末,快速凝固可以使熔融金屬液中的氮在急冷過程中不析出,,最終獲得高氮不銹鋼粉[6],。同時(shí),提高氮?dú)鈮毫螅?Fe區(qū)域封閉(見圖2[7]),。美國Simmons等人采用這種技術(shù)制備了氮含量達(dá)1% N的不銹鋼粉末[8],。
1.1.2 常壓熔煉一高壓氮?dú)忪F化法
根據(jù)合金元素對(duì)氮活度系數(shù)的影響,建立新的高氮奧氏體不銹鋼模型,,在常壓下制得高氮奧氏體不銹鋼粉,。從圖3和公式(1)、(2)可以看出,,增加Mo,、Mn、Ta,、Cr,、Nb,、V、Zr,、Ti含量,,可以提高氮在鋼液中的活度系數(shù),這是因?yàn)楦髟优c氮原子之間存在不同程度的吸引力,,各原子吸引氮原子后為別的氮原子留下更多空間,,導(dǎo)致更多的氮原子溶入。
坩鍋公司根據(jù)此原理,,通過調(diào)節(jié)合金成分生產(chǎn)出氮含量在0.45n0.87的高氮不銹鋼粉,,并建立了鉻當(dāng)量與氮平衡溶解度的關(guān)系(見圖)。
1.1.3 固態(tài)滲氮法
主要分為機(jī)械合金化,、在流態(tài)化床反應(yīng)器中滲氮及燒結(jié)滲氮,。機(jī)械合金化法是通過高能球磨,使欲活化或合金化的粉末在頻繁碰撞過程中被捕獲,,發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形,、冷焊形成具有片層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉末,這種粉末又因加工硬化而破碎,,破裂后粉末露出新鮮的原子表面又極易發(fā)生焊合,,經(jīng)過不斷的發(fā)生冷焊、破碎,,再焊接的過程,,使組織結(jié)構(gòu)不斷細(xì)化,最終達(dá)到原子級(jí)混合而實(shí)現(xiàn)合金化目的,。經(jīng)機(jī)械合金化后,,粉末具有發(fā)達(dá)的表面及大量的晶格畸變,氮原子被大量吸附到晶界及位錯(cuò)線上,,形成高氮不銹鋼粉末,,北京科技大學(xué)用此法獲得氮含量達(dá)0.37 9/6的不銹鋼粉 。武漢科技大學(xué)將304不銹鋼粉末和其他合金粉末混合,,然后進(jìn)行6000min左右的機(jī)械合金化,,獲得氮含量為1.4 的超細(xì)晶高氮奧氏體不銹鋼粉末 。Simmons等人用此法獲得氮含量超過1.O%的高氮不銹鋼粉口 ,。
在流態(tài)化床反應(yīng)器中滲氮及燒結(jié)滲氮,,其原理都是根據(jù)氮在固態(tài)奧氏體不銹鋼中的溶解度要大于在液態(tài)中的溶解度。不同之處在于:前者得到的是高氮不銹鋼粉末,,而后者通過先壓制成形,,高溫?zé)Y(jié)后降溫進(jìn)行滲氮處理,得到高氮不銹鋼制品。廣州有色金屬研究院采用燒結(jié)滲氮法制備出氮含量為0.4%的316L高氮不銹鋼制品 引,。Nobuyuki NAKAMURA等人通過控制燒結(jié)溫度及氣氛對(duì)Fe-23Cr進(jìn)行滲氮處理,,獲得氮含量1.%的不銹鋼粉,組織由鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,,屈服強(qiáng)度顯著提高,,達(dá)680MPa。
1.2 高氮不銹鋼粉末的成形
高氮不銹鋼粉末的成形是粉末冶金高氮不銹鋼另外一個(gè)關(guān)鍵問題,,由于高氮不銹鋼粉末表面有氮化物和氧化物膜,,其硬度高阻止了粉末顆粒的變形,從而壓制成形性較差,。同時(shí),,由于不銹鋼中氮含量隨著燒結(jié)溫度的提高而降低,所以應(yīng)保持在較低溫度燒結(jié),,但燒結(jié)溫度低,,制品的致密性將降低,進(jìn)而影響制品的力學(xué)性能及耐蝕性能,,這是一對(duì)矛盾,。Nobuyuki對(duì)Fe-23Cr進(jìn)行燒結(jié)滲氮,獲得氮含量為1%,,制品孔隙度為12.0 ,。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用常規(guī)粉末冶金壓制成形方法難以獲得高致密的高氮不銹鋼制品,。所以,,必須采用特殊的成形方式才能完成高氮鋼的壓制成形,這些方法包括:熱等靜壓,、粉末注射成形,、燒結(jié)一自由鍛造、爆炸成形等,。
1.2.1 熱等靜壓工藝
美國坩鍋公司采用熱等靜壓技術(shù)制備了含氮在0.51 一0.87 %的高氮奧氏體耐蝕不銹鋼制品,具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性能 ,。瑞典粉末冶金公司在北海油田項(xiàng)目中,,采用HIP技術(shù)生產(chǎn)各種海下及海面平臺(tái)上部件,材質(zhì)為粉末不銹鋼,。具體部件有各種法蘭盤,、接頭、閥體,、管道等,,其生產(chǎn)的三通管每件重達(dá)155kg,閥重達(dá)2t,交付時(shí)間由原來鑄造的8周縮短為4周,,整個(gè)成品制造成本降低 ,。西歐、北美,、日本和俄羅斯共同建造了一個(gè)2000MW 功率的核聚變反應(yīng)堆,,為保證其高強(qiáng)度、高可靠性,,在屏蔽材料中廣泛使用了粉末HIP316LN不銹鋼,。可見熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金高氮不銹鋼中的應(yīng)用是非常廣泛而有效的,。
1.2.2 粉末注射成形技術(shù)
在生產(chǎn)高氮不銹鋼方面,,研究表明,為縮短氮的滲透距離,,實(shí)現(xiàn)快速氮化,,并保持氮原子在材料中的均勻分布需要高的比表面,采用注射成形技術(shù)可以滿足這些要求,。瑞士聯(lián)邦技術(shù)廳Uggowitzer等人為解決不銹鋼中鎳對(duì)人體的傷害問題,,開發(fā)出一種名為P.A.N.A.C.E.A的MIM 高氮無鎳奧氏體不銹鋼,經(jīng)固溶退火后抗拉強(qiáng)度達(dá)1090MPa,,屈服強(qiáng)度達(dá)690MPa,,高的縫隙腐蝕溫度,在非常嚴(yán)重的侵蝕條件下(高氯化物離子含量,、相對(duì)高的使用溫度)能耐腐蝕,。國內(nèi)近年來展開了一些注射成形生產(chǎn)含氮不銹鋼的工作,中南大學(xué)采用調(diào)節(jié)燒結(jié)氣氛來控制合金致密化和性能,。研究表明,,在N 保護(hù)氣氛下的燒結(jié)制品除伸長率外,力學(xué)性能優(yōu)于Ar和Ar+H 保護(hù)氣氛下的燒結(jié)品,,且在N 保護(hù)氣氛下,,燒結(jié)制品的伸長率值也在規(guī)定范圍內(nèi) 。
1.2.3 燒結(jié)一自由鍛造及爆炸成形
周燦棟等采用包套燒結(jié)一自由鍛造法進(jìn)行試驗(yàn),,將高氮鋼粉裝入碳鋼管內(nèi),,充分震實(shí)后在鋼管外面再套一剛玉管,置于氮?dú)夥占訜釥t進(jìn)行燒結(jié),,后放到鍛壓機(jī)上進(jìn)行反復(fù)鍛造,,可獲得致密的高氮鋼試樣。爆炸成形方法有兩種:間接爆炸壓制成形和直接爆炸成形,。間接爆炸壓制成形是采用液體或氣體為壓力傳送介質(zhì),,需要使用重型設(shè)備,,對(duì)被壓制的材料具有一定的選擇性直接爆炸成形不需要設(shè)備投資,所需裝置簡單,,所得樣品的壓實(shí)密度大,。周燦棟采用直接爆炸成形制取高氮35CrMoV鋼試樣,再經(jīng)1200℃下2h氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié),,試樣邊緣絕大部分區(qū)域里,,顯微組織很致密�,?梢�,,用這兩種成形方法也可獲得高密度高氮鋼樣品 。
2 結(jié)語
粉末高氮鋼的研究成為當(dāng)前高氮鋼最重要的研究方向之一,。雖然在這方面取得了眾多成就,,但目前仍存在許多問題,如常壓熔煉一高壓氮?dú)忪F化中霧化初期與末期氮含量的變化,、氮含量的控制,、粉末粒度對(duì)氮含量影響等,在這些問題上仍需要廣大工作者的不懈努力,。(安泰科技:鐘海林等,。況春江等)