氮對不銹鋼的作用有哪些

  在最初的冶金研究中，氮一直被認為是鋼中的有害氣體，它的存在會導致鋼變脆，并且由于當時的冶煉水平和技術條件較為落后，在常壓下向鋼中加入的氮含量不是很高，所以不進行氮合金化。直到二十世紀初，最早研究得出了氮的存在對不銹鋼的力學性能以及穩(wěn)定奧氏體的能力有著積極的影響。在這之后，對氮元素可以提升不銹鋼的耐腐蝕性能進行了有效的論證。從二十世紀三十年代到四十年代后期，鎳資源由于二戰(zhàn)的原因極度缺乏，促使了大批的專家學者投身到以氮代鎳的研究浪潮之中，此時，氮在鋼中的作用才真正被重視起來。德國率先研發(fā)出了以錳、氮代鎳的不銹鋼，也就是俗稱的200系列不銹鋼。五十年代，隨著冶煉工藝的進步，AOD工藝的成熟大大的提高了應用氮元素完成不銹鋼合金化的可能性，隨之含氮鋼開始進入量產(chǎn)階段。在這個階段，極大的豐富了氮對鋼的力學性能和耐腐蝕性能方面的研究，為以后含氮鋼乃至高氮鋼的飛速發(fā)展奠定了理論基礎。二十世紀八十年代到九十年代，隨著加壓冶煉設備發(fā)展，高氮鋼的研究開發(fā)呈現(xiàn)井噴式增長，先后開發(fā)出了一大批高含氮量的鋼種，這些鋼種的顯著特征是具有高強度、高韌性、良好的加工硬化性能以及優(yōu)異的耐腐蝕性能。到目前為止，已經(jīng)擁有數(shù)十種兩大系列（AISI200系列以及AISI200系列）的高氮鋼被研發(fā)出來。

一、氮對不銹鋼力學性能的影響

  廣泛的研究證明，在鋼中添加氮可以起到強化作用，氮含量達到0.8%，鋼的強度顯著提高，但是斷裂韌性卻沒有降低，在退火后，屈服強度和抗拉強度均比傳統(tǒng)鋼種提升了2~3倍。研究結(jié)果表明，鋼中的氮含量提高到2%以上時，鋼材的強度比傳統(tǒng)的未添加氮元素的奧氏體不銹鋼提高了400%。氮在鋼中的存在主要由以下兩種形式：一是以溶解態(tài)的形式存在，二是以氮化合物的形式存在。氮可以增加奧氏體不銹鋼強度的原因與以上兩種形態(tài)有著必然的關聯(lián)，溶解態(tài)的氮起到固溶強化的作用；而氮化物形態(tài)的氮則起到了沉淀析出強化的作用。

 碳和氮在鋼中的是以間隙原子的形態(tài)存在的，在鐵的面心立方體中形成間隙固溶體，雖然氮的原子半徑要比碳小，但是氮在鐵的面心立方體中可以產(chǎn)生更大的晶格膨脹扭曲，對奧氏體不銹鋼受外力時產(chǎn)生的位錯運動有阻礙的效果。使鋼材的抗拉強度、屈服強度、蠕變強度得到了提升，伸長率略有下降，此時，氮元素起到了間隙固溶強化的作用。

二、氮對不銹鋼耐蝕性能的影響

  氮的加入在提高奧氏體不銹鋼力學性能的同時，對鋼材的耐蝕性能也有較大的提升，其中耐局部腐蝕性能尤為突出。奧氏體不銹鋼較為常見的腐蝕現(xiàn)象有以下幾種：點腐蝕、縫隙腐蝕以及晶間腐蝕。

  氮對于改善奧氏體不銹鋼的耐點蝕性所起到的作用是顯而易見的，郎宇平教授在超級高氮奧氏體不銹鋼的研究中指出，在耐點蝕性能方面超級高氮奧氏體不銹鋼幾乎可以與鎳基合金相媲美。為了說明氮在點腐蝕過程中的作用機理，人們提出了很多假設，但是目前尚存爭議，主要有以下幾個方面的論證：

   1. 氨形成理論

    Osazawa和Okato最早提出，不銹鋼中的氮與氫結(jié)合生成銨離子，氫離子的消耗會使初始形成的點蝕坑內(nèi)的PH值升高，從而促進再鈍化反應的發(fā)生，增強耐點蝕性能；

  2. 表面富集理論

   部分研究結(jié)果認為，在鈍化期間，氮在鈍化膜表面下富集，可以有效的降低鈍化膜破裂后基底層的溶解速度，或者是氮滲入鈍化膜之后改善鈍化膜的性能，阻止氯離子對鋼的腐蝕；

  3. 硝酸鹽形成理論

  氮在溶解過程中，在金屬薄膜界面形成銨根離子，然后銨根離子形成硝酸鹽化合物，促進點蝕坑表面再次形成鈍化膜，并且通過穩(wěn)定鈍化膜強化點蝕坑表面。

  在奧氏體不銹鋼的縫隙腐蝕過程中，氮的加入也會產(chǎn)生積極的影響：在縫隙產(chǎn)生的地方，氮要比氧分解的更為迅速；氮形成了銨離子，使縫隙內(nèi)溶液的PH值升高；在發(fā)生縫隙腐蝕的地方生成穩(wěn)定的鈍化膜。

  在奧氏體不銹鋼中，由于一些溶質(zhì)元素在晶界的偏析，也使得奧氏體不銹鋼易發(fā)生敏化從而導致晶間腐蝕。關于晶間腐蝕的機理，目前被廣為接受的是晶界貧鉻理論。氮元素的加入可以一定程度上增強奧氏體不銹鋼的抗敏化能力，盡管其動力學機理尚未明確，但是大量的實驗證明，當?shù)窟_到0.15%左右時，敏化被抑制。

  在敏化過程中，氮元素的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

     1. 氮元素可以抑制碳化物的形核生長；

     2. 氮提高了表面鈍化膜的鈍化性能；

    3. 氮改變了碳鉻化合物平衡中鉻的活性。