高氮不锈钢的开发进展

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1、高氮不锈钢的开发进展高氮不锈钢的开发进展2010年12月29日星期三21：26摘要：加压冶炼高氮不锈钢是材料研究的一个新领域。介绍了高氮不锈钢的生产工艺及高压冶炼高氮不锈钢的主要设备。综述了欧美、日本等研发的高氮不锈钢的成分、力学性能及应用现状。由于受实验装备的限制，国内高氮不锈钢的研究与国外相比还有差距。高氮不锈钢奥氏体冶炼合金化前言众所周知，氮是大气中取之不尽的廉价资源，如能取代钢种昂贵的镍，其经济效益可想而知。特别是近年来超导技术的发展对超低温无磁材料的需求升温，以及作为化工和能源开发材料用高强度不锈钢需求量不断增长，都促进了高氮高强度不锈钢研制工作的

2、发展。1氮在不锈钢中的作用前苏联学者将高氮钢定义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可致钢的组织成分等亦不同，大致进行了以下分类，即氮质量分数>1%的为高氮钢，氮质量分数在0.3%~0.5%的为高氮钢，在此范围以下的为含氮钢。研究发现，在不同的基体组织中氮含量的范围不同：在铁素体基体中，氮的质量分数≥0.08%；在奥氏体基体中，氮的质量分数≥0.4%。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

3、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。氮对不锈钢力学性能的影响主要表现在：氮在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性；氮能提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能力和屈服强度。氮作为改善耐蚀性的元素可在蚀孔内形成NH4+，消除产生的H+，抑制pH值降低，从而能抑制点蚀的发生和蚀孔内金属的溶出速度，改善局部腐蚀性能。2高氮不锈钢的生产工艺及主要设备2.1生产工艺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。为获得高含量氮，所采取的主要措施有：设计

4、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的影响毕竟有限，因此，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N的溶解度就是钢中N所能达到的最高含量，即使将氮添加至溶解度，但随着凝固的进行溶解度会下降，就会产生气孔缺陷。因此，自1988年以来，高压冶炼及高氮钢受到了国际上冶金及材料研究的高度重视。德国、保加利亚、乌克兰、奥地利和日本等均研制出了各自的加压冶炼设备，极大地

5、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(试验室甚至高达10MPa)，钢中的氮质量分数甚至高达1%。采用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，在加压氮气气氛下进行熔炼和浇注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由加压感应熔炼法(PIM)、加压等离子熔炼法(PARP)、加压电渣重熔法(FESR)、加压电弧渣重熔法(ASRP)、大熔池法(BSB)和热等静压熔炼法(HIP)等。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师最常见的加压熔炼技术。2

6、.2主要设备2.2.1加压等离子炉在加压等离子炉中通过气相来实现大量的氮合金化。利用等离子加热器的辐射能源，气体在温度超过1000K时就能部分离子化，在等离子弧中氮被分离成原子供给液态金属，从而提高了金属的吸氮率。在氮等离子弧下熔炼时，由于等离子大幅度增加了熔体液面上单原子氮的数量，因此金属液面对氮分子的吸收可能不再是吸氮速率的限制环节，从而显著增加了钢液的吸氮速率。往等离子体生成气体中加入氮气，可使等离子流热效率提高并显著降低电能消耗。前苏联的研究表明，在含氮气气氛中进行等离子弧重熔，是冶炼高氮钢时用氮合金化最有前途的方法之一。他们开发了一种用等离子炉熔炼

7、高氮不锈钢的新工艺，其特点是等离子形成气体(氩)不与氮气混合，而是把纯气体送入离子发生器中，并且为了在炉膛中造成必要的氮气分压，还单独通过导管往炉内送入氮，这样既可以减少等离子发生器电极的热负荷又能保证等离子弧稳定，利用这种新工艺已稳定地生产出了锭重达3.4t的08Cr21Mn11NNi6高氮不锈钢锭。2.2.2加压电渣重熔设备加压电渣重熔工艺最初由奥地利发明，现在已经在奥地利、德国实现了工业化生产。其设备主要是在普通电渣炉基础上加上一个增压装置，使整个系统处于超过常规压力的状态下，目前其压力可达6.4MPa。在欧洲，已开发了容量20t的加压电渣重熔设备，并

8、已实际应用于生产高氮不锈钢。该工艺不是通过气相而是通