高氮不锈钢基本知识介绍

 

高氮不锈钢基本知识介绍

 

高氮不锈钢为含氮量超过在常规条件下钢中所能达到的极限氮含量的钢。根据氮的加入量不同，大致进行了以下分类，即含氮>1%的为超高氮钢，含氮0.3～0.5%的为高氮钢，在此范围以下的为含氮钢。氮在不锈钢中的作用主要体现在对不锈钢基体组织、力学性能和耐蚀性能三方面的影响。研究表明，氮是一种非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，在不锈钢中可代替部分镍，降低钢中的铁素体含量，使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出，甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。

高氮不锈钢的冶炼主要面临两个问题，即如何在熔化状态获得高含量氮以及怎样保证在凝固过程中使氮处于溶解状态。为获得高含氮量，所采取的主要措施有：设计合理的合金成分；采取合适的工艺路线；选择适当的氮载体。研究表明，Cr、Mn、Mo、V、Nb等元素促进氮溶解，Ni、Cu、Si、C等元素降低氮溶解。但是，通过调整合金成分对氮溶解度的影响毕竟有限，目前，具有工业化前景的途径主要还是采取合适的工艺路线以及选择适当的氮载体。

采用大气熔炼工艺时，由于大气压下氮的溶解度就是钢中氮的最高含量，即使将氮添加至溶解度，但随着凝固的进行溶解度会下降，就会发生气孔缺陷，导致不合格。因此，自1988年以来，高压冶炼及高氮钢受到国际上冶金及材料研究的高度重视。德国、保加利亚、乌克兰、奥地利和日本等国均研制出了各自的加压冶炼设备，极大地推动了高氮钢加压冶炼技术的发展。目前一些国家的大型炼钢厂已经具备在高于6MPa的氮气压力下大量熔炼和浇注高氮钢的能力，钢中的氮含量甚至高达1%。

作为在大气压下添加氮使不锈钢中的氮含量达到溶解度以上的方法，加压氮气气氛下进行熔炼和浇铸的生产工艺是必不可少的。目前已开发的加压熔炼技术主要有加压感应熔炼法（PIM）、加压等离子熔炼法（PARP）、加压电渣重熔法（PESR）、加压电弧渣重熔法（ASRP）、大熔池法（BSB）和热等静压熔炼法（HIP）等。下表给出了高氮不锈钢各种加压冶炼工艺技术的粗略对比。其中，加压等离子熔炼法、加压电渣重熔法和加压电弧渣重熔法是最常见的加压熔炼技术。

冶炼工艺	设备要求	工艺要求	能耗	生产成本	规格限制	发展水平
PIM	较高	高	中等	中等	无	实验室
PARP	高	较高	高	较高	有	工业化
PESR	高	高	较高	较高	有	工业化
ASRP	中等	中等	中等	较高	无	工业化
BSB	较高	较高	较低	较高	无	工业化
HIP	高	高	高	高	有	实验室

 

加压冶炼是冶金工艺的一个新突破，高氮钢是材料研究的一个新领域。高氮不锈钢不仅具有原来的不锈钢所有的性能，而且因为氮的加入，其在力学性能、耐蚀性能、以及综合性能等方面有更优良的表现。因此，高氮钢广泛应用于能源生产、交通、造纸、石油、化工等领域。