中國(guó)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(guò)0.4%，或基體組織為鐵素體且含氮量超過(guò)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(wèn)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(wèn)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(lái)，國(guó)外對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)等國(guó)家。國(guó)外研究主要包括以下幾個(gè)方面：
固溶氮對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響
氮的性質(zhì)與碳類(lèi)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(cè)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(huì)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(duì)組織帶來(lái)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(zhǎng)條狀向短棒狀、孤島狀轉(zhuǎn)變，從而降低了網(wǎng)狀鐵素體對(duì)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(guò)程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)問(wèn)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(huì)對(duì)第二相的析出造成很大影響。當(dāng)?shù)砍^(guò)奧氏體的固溶極限時(shí)就會(huì)以氮化物形式析出，但是對(duì)優(yōu)先析出相還沒(méi)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(huì)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?cè)趭W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(duì)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(zhǎng)大。綜上所述，氮在不銹鋼中主要通過(guò)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(lái)改善鋼的性能。
氮對(duì)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(huì)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(duì)塑性、韌性影響卻不大，加氮后的鋼仍具有良好的塑性。氮對(duì)抗蠕變性能的作用遠(yuǎn)高于碳，碳降低斷裂韌性，而氮對(duì)其無(wú)顯著影響。原因是在蠕變過(guò)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(duì)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(duì)材料強(qiáng)度和韌性的影響。美國(guó)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(zhǎng)
高氮鋼的開(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布。目前，國(guó)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(duì)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�，并被熔體吸收；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(kāi)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(jiàn)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(guò)氣液反應(yīng)來(lái)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(duì)流強(qiáng)度、氮分壓和熔體的合金元素均對(duì)該過(guò)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(duì)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(duì)流運(yùn)動(dòng)，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(guó)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(guò)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)鈿夥障挛苽涓叩摚y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(guò)流鋼槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)車(chē)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(lái)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(duì)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(zhuān)業(yè)技能的人去操作，人工成本比較高。鑒于目前高氮鋼沒(méi)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(guó)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(guó)利用這些加壓電渣爐生產(chǎn)的典型產(chǎn)品有：無(wú)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(wú)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(guó)家材料研究所(NIMS)研制了1臺(tái)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(duì)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(lái)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(huì)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(duì)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(lái)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(chǎng)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(dòng)，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(guò)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(guò)爐子底部的浸入式多孔透氣塞吹氮?dú)猓跉怏w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(cāng)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(kāi)，熔渣被擠壓到結(jié)晶器壁周?chē)闺娀∧茉陔姌O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^(guò)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(dòng)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(guò)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(wèn)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(guò)非平衡方法獲得過(guò)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(wú)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(guò)程中經(jīng)過(guò)氮溶解度更低的δ-Fe區(qū)。為了抑制鋼中氮在凝固過(guò)程的析出，通常采用提高氮分壓的手段來(lái)提高鋼中的氮含量。因此高壓冶金技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，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(guò)固態(tài)鋼滲氮來(lái)提高鋼中氮的含量，粉末冶金就是利用這個(gè)原理來(lái)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://cruisingreen.com/zc/012.html" target="_blank" style="color:#0000ff">球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)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(guò)飽和固溶體。近幾年來(lái)，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Ｖ苽涞母叩摲勰┩ㄟ^(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)快速冷卻，可使材料中含有過(guò)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(guó)外一直熱衷于對(duì)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(kāi)發(fā)都有了新的發(fā)展，并且發(fā)展速度相當(dāng)快。
我國(guó)盡管有高校、研究院所對(duì)高氮鋼的研究表現(xiàn)出極大興趣，并且先后開(kāi)展了試驗(yàn)研究，有的單位聘請(qǐng)國(guó)外學(xué)者或和國(guó)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(guó)內(nèi)沒(méi)有高氮鋼冶煉試驗(yàn)裝置，缺乏研究手段，致使國(guó)內(nèi)高氮不銹鋼的研究落后于國(guó)外水平。目前來(lái)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(duì)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(lái)，國(guó)外對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)等國(guó)家。國(guó)外研究主要包括以下幾個(gè)方面：
固溶氮對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響
氮的性質(zhì)與碳類(lèi)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(cè)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(huì)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(duì)組織帶來(lái)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(zhǎng)條狀向短棒狀、孤島狀轉(zhuǎn)變，從而降低了網(wǎng)狀鐵素體對(duì)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(guò)程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)問(wèn)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(huì)對(duì)第二相的析出造成很大影響。當(dāng)?shù)砍^(guò)奧氏體的固溶極限時(shí)就會(huì)以氮化物形式析出，但是對(duì)優(yōu)先析出相還沒(méi)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(huì)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?cè)趭W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(duì)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(zhǎng)大。綜上所述，氮在不銹鋼中主要通過(guò)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(lái)改善鋼的性能。
氮對(duì)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(huì)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(duì)塑性、韌性影響卻不大，加氮后的鋼仍具有良好的塑性。氮對(duì)抗蠕變性能的作用遠(yuǎn)高于碳，碳降低斷裂韌性，而氮對(duì)其無(wú)顯著影響。原因是在蠕變過(guò)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(duì)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(duì)材料強(qiáng)度和韌性的影響。美國(guó)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(zhǎng)
高氮鋼的開(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布。目前，國(guó)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(duì)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�，并被熔體吸收；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(kāi)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(jiàn)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(guò)氣液反應(yīng)來(lái)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(duì)流強(qiáng)度、氮分壓和熔體的合金元素均對(duì)該過(guò)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(duì)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(duì)流運(yùn)動(dòng)，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(guó)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(guò)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)鈿夥障挛苽涓叩摚y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(guò)流鋼槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)車(chē)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(lái)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(duì)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(zhuān)業(yè)技能的人去操作，人工成本比較高。鑒于目前高氮鋼沒(méi)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(guó)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(guó)利用這些加壓電渣爐生產(chǎn)的典型產(chǎn)品有：無(wú)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(wú)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(guó)家材料研究所(NIMS)研制了1臺(tái)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(duì)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(lái)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(huì)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(duì)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(lái)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(chǎng)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(dòng)，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(guò)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(guò)爐子底部的浸入式多孔透氣塞吹氮?dú)猓跉怏w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(cāng)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(kāi)，熔渣被擠壓到結(jié)晶器壁周?chē)闺娀∧茉陔姌O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^(guò)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(dòng)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(guò)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(wèn)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(guò)非平衡方法獲得過(guò)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(wú)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(guò)程中經(jīng)過(guò)氮溶解度更低的δ-Fe區(qū)。為了抑制鋼中氮在凝固過(guò)程的析出，通常采用提高氮分壓的手段來(lái)提高鋼中的氮含量。因此高壓冶金技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，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(guò)固態(tài)鋼滲氮來(lái)提高鋼中氮的含量，粉末冶金就是利用這個(gè)原理來(lái)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://cruisingreen.com/zc/012.html" target="_blank" style="color:#0000ff">球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)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(guò)飽和固溶體。近幾年來(lái)，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Ｖ苽涞母叩摲勰┩ㄟ^(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)快速冷卻，可使材料中含有過(guò)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(guó)外一直熱衷于對(duì)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(kāi)發(fā)都有了新的發(fā)展，并且發(fā)展速度相當(dāng)快。
我國(guó)盡管有高校、研究院所對(duì)高氮鋼的研究表現(xiàn)出極大興趣，并且先后開(kāi)展了試驗(yàn)研究，有的單位聘請(qǐng)國(guó)外學(xué)者或和國(guó)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(guó)內(nèi)沒(méi)有高氮鋼冶煉試驗(yàn)裝置，缺乏研究手段，致使國(guó)內(nèi)高氮不銹鋼的研究落后于國(guó)外水平。目前來(lái)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(duì)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。
