高氮低鎳不銹鋼的國內(nèi)外發(fā)展過程及現(xiàn)狀

  目前廣泛使用的奧氏體不銹鋼主要包括鉻鎳系和鉻錳兩大系列，鉻鎳系列的性能相比鉻錳系列的不銹鋼而言性能更加優(yōu)越，但是匱乏的鎳元素導(dǎo)致鉻鎳系不銹鋼生產(chǎn)成本提高，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到束縛；另外，人體對含鎳生物不銹鋼存在過敏現(xiàn)象，嚴重危害身體健康，因此節(jié)鎳、無鎳型醫(yī)用不銹鋼受到廣大學(xué)者的青睞。以氮代鎳資源節(jié)約型高氮鋼是奧氏體不銹鋼中的一種，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在石油、化工、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著更為廣泛的使用前景。

 高氮鋼的定義為：把鐵素體、馬氏體不銹鋼中氮含量大于0.08%的不銹鋼稱之為高氮鋼；對于含氮奧氏體不銹鋼而言，根據(jù)氮含量的不同可將其分為控氮型、中氮型和高氮型三大類不銹鋼?？氐筒讳P鋼的氮含量一般在0.05%～0.10%之間，中氮型不銹鋼的氮含量一般在0.10%～0.40%之間，高氮型不銹鋼的氮含量則一般控制在0.40%以上。從1988年以來，高氮鋼國際會議在世界各國定期舉行，這一舉動為世界各國高氮鋼研究學(xué)者之間進行學(xué)術(shù)的相互交流搭建了一個平臺，能夠進一步加深對高氮鋼的認識和了解，促進高氮鋼在理論和實踐兩方面的發(fā)展，因此能夠為資源節(jié)約型不銹鋼的發(fā)展和生產(chǎn)使用提供理論依據(jù)。

一、國外高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

 氮在鋼中極易產(chǎn)生偏析、氣孔、時效硬化等現(xiàn)象，降低鐵素體不銹鋼的塑性，嚴重時甚至造成鋼鑄件報廢?；谝陨系獙︿摰牟焕绊?，在過去很長一段時間對氮在鋼中的認識都處于停滯不前的狀態(tài)，直到20世紀初人們才開始對氮在鋼中的有利影響開始了新的認識。1926年首先發(fā)現(xiàn)了氮的奧氏體化能力和氮對不銹鋼力學(xué)性能的影響。通過氮對不銹鋼的影響提出了氮可以提高奧氏體不銹鋼強度的觀點。隨后在基礎(chǔ)上進一步提出了氮還可以改善鋼的耐腐蝕性的觀點。二戰(zhàn)期間，為了促進不銹鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和解決當(dāng)前鎳資源匱乏的問題，世界各國開始對不銹鋼的研發(fā)尋找新的出路。德國和美國率先在高氮鋼領(lǐng)域成功的開發(fā)出以錳、氮代鎳的不銹鋼。于此同時，美國研制出的201、202兩個含氮高錳系列奧氏體不銹鋼鋼種得到了廣泛的應(yīng)用。以此為基礎(chǔ)，氮元素在AISI300系列奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中也得到更為廣泛的研究和應(yīng)用。瑞典的Avesta公司和美國的Allegheny Ludlum工業(yè)有限公司分別在20世紀中后期也相繼研究出了氮合金化鉬鋼鋼種254SMo和氮合金化AL6XN鋼鋼種。20世紀中期，利用加壓感應(yīng)爐設(shè)備在實驗室冶煉出不同氮含量的高氮奧氏體不銹鋼，才開始對高氮不銹鋼進行研究，直到20世紀60年代后期，對高氮奧氏體不銹鋼才開始商業(yè)化的生產(chǎn)。但是高氮鋼的發(fā)展由于受到冶煉技術(shù)的限制，氮含量不超過0.6%，因此高氮鋼在當(dāng)時并沒有得到廣泛應(yīng)用。

 高氮鋼的制備技術(shù)方面在20世紀中后期取得了一定進步，因此利用改進后的加壓冶煉設(shè)備研發(fā)出了一系列含鉻、錳和鉬的高氮不銹鋼。例如德國的VSG公司在1975年首次成功的研制出了大型火力發(fā)電機護環(huán)用鋼P900，緊接著在1981年研發(fā)出P900-N和1996年研發(fā)出P2000火力發(fā)電機護環(huán)用鋼。在發(fā)達國家，對高氮不銹鋼在發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)上的應(yīng)用受到很高程度的重視，到目前為止已經(jīng)取得了很好的市場，得到了廣泛的應(yīng)用。西德采用增壓電渣重熔工藝，日本采用VOD底吹氮氣工藝和粉未冶金工藝，保加利亞采用反壓鑄造工藝等已經(jīng)成功的開發(fā)出多種新型廉價高氮鋼種，氮含量高達l%以上，高氮鋼的發(fā)展以及應(yīng)用又出現(xiàn)了新的高潮[30]，德國、美國、日本在此領(lǐng)域已經(jīng)達到較高的水平。綜上所述，資源節(jié)約型不銹鋼吸引了國外學(xué)者的關(guān)注并且已經(jīng)對高氮鋼展開了廣泛的研究，近幾年在高氮鋼的冶煉基礎(chǔ)、性能、應(yīng)用研究等方面又有了新的進步且發(fā)展勢頭很好，市場應(yīng)用前景廣闊。國內(nèi)高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

二、國內(nèi)高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

  高氮奧氏體不銹鋼以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能吸引了國內(nèi)外材料和冶金學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)由于受到實驗裝備的限制，直到20世紀五十年代才開始對高氮鋼進行研究，導(dǎo)致國內(nèi)含氮不銹鋼的研究落后于世界許多國家。隨著社會的不斷發(fā)展和進步，對不銹鋼的需求和性能的要求進一步提高，而國內(nèi)有限的鎳資源已經(jīng)不能達到不銹鋼產(chǎn)業(yè)和不銹鋼消費的飛速發(fā)展。那么，在目前對低鎳或無鎳的資源節(jié)約型不銹鋼的開發(fā)和研究具有實際意義。

  近年來，把高氮鋼的研究列為重大基礎(chǔ)研究，不僅體現(xiàn)在國家自然科學(xué)基金的支持上，國內(nèi)許多高校、許多大型的鋼鐵企業(yè)也投入了大量的人力物力來開展高氮鋼的組織與性能、疲勞與磨損性能、耐蝕性能、塑性加工性能等研究。北京鋼鐵研究總院在2003年利用真空冶煉技術(shù)成功的研制出塑性保持不變，強度提高2倍且氮含量超過0.7%的高氮鋼。在國家863項目的大力支持之下，中科院金屬所到目前為止已經(jīng)成功的研究出了含氮醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼（Fe-17Cr-14Mn-2Mo-0.46N），并對該鋼種的力學(xué)性能、腐蝕性能、生物相容性等進行了較為全面的研究，結(jié)果證明該鋼種具有更優(yōu)異的力學(xué)性能、腐蝕性能和生物相容性。近幾年我國不銹鋼企業(yè)通過不斷的努力也成功地研制出一種冶煉含氮不銹鋼的工藝—氣相滲氮法。2005年，湖州久立特鋼股份有限公司采用AOD精煉，同時吹氧氣、氮氣，加電解錳及氮化合金，冶煉獲得高氮奧氏體不銹鋼，并對成品進行力學(xué)性能和耐腐蝕性能測試，結(jié)果證明，1Cr22Mn15N高氮奧氏體不銹鋼的屈服強度達到565~585 MPa，抗拉強度達到920~955 MPa，延伸率達到54.5%~56.5%，耐腐蝕性能提高。東北大學(xué)和中科院金屬所在2006年強強聯(lián)手，共同承擔(dān)了一項國家自然科學(xué)重點基金“高氮鋼及其作用機理研究”項目的研究，該項目主要從冶煉設(shè)備、組織和性能三個大方向著手對高氮鋼進行研究。截至目前為止已經(jīng)能冶煉出氮含量超過1.0%的高氮不銹鋼，其固溶態(tài)屈服強度超過600 MPa，PREN值遠高于316L等傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼。北京科技大學(xué)采用高能球磨和高溫滲氮結(jié)合的方法研制出了Cr18Mn12MoN無鎳高氮不銹鋼粉末，接著采取冷壓燒結(jié)工藝獲得含氮量為0.79%的無鎳高氮奧氏體不銹鋼材料。含氮鋼已經(jīng)是高水平冶金技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，自從人們對含氮鋼的性能有了新的認識之后，迄今為止含氮鋼的研制和生產(chǎn)得到了長足的進步和發(fā)展。由于國內(nèi)對高氮鋼的研究起步較晚，再加上早期國內(nèi)高氮鋼的研究與開發(fā)因受到冶煉技術(shù)和設(shè)備的限制，所以在對高氮鋼的研究中氮含量主要集中在0.4~0.6％之間，一般不超出0.65％。通過對國內(nèi)外高氮鋼發(fā)展過程的回顧，經(jīng)過一系列的實驗室冶煉探究，提出了被外界承認的高氮鋼的冶煉方法—常壓冶煉。冶金工作者采取在常壓下冶煉高氮奧氏體不銹鋼，主要目的是為了簡化冶煉工藝、提高冶煉的安全性、降低生產(chǎn)成本，到目前為止，已經(jīng)取得了較為成熟的冶煉工藝，因此冶煉高氮不銹鋼將是未來的發(fā)展趨勢。通過展望高氮鋼的應(yīng)用前景發(fā)現(xiàn)高氮不銹鋼具有很強的市場競爭力，可以預(yù)見高氮不銹鋼在石油、化工、醫(yī)療器械、交通運輸、建筑、海洋工程、原子能和軍事工業(yè)等許多領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛應(yīng)用。

三、高氮低鎳不銹鋼發(fā)展中存在的問題

  高氮低鎳不銹鋼是采取以氮代鎳獲得奧氏體組織的節(jié)鎳型不銹鋼材料，它不但可以節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，解決含鎳較高對人體引起過敏的現(xiàn)象，還可以提高不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。近年來，世界各國冶金工作者在高氮不銹鋼領(lǐng)域開展了較多的研究，也獲得了一些顯著的成就，并開發(fā)出了許多牌號的高氮鋼鋼種。但基于氮在不銹鋼中的作用機理，特別是與其它合金元素的微合金化作用、氮對相變過程的影響等冶金方面基本規(guī)律的研究卻一直未取得進步，致使人們對氮在鋼中和其它合金元素之間的最佳配比和其對性能的作用規(guī)律很難把握，為了能夠達到使高氮鋼廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實際的目的，目前急需從以下問題著手：

 1. 理論研究

  氮在高氮不銹鋼中的強化作用主要表現(xiàn)為固溶強化。氮在常壓或低壓液態(tài)鋼中的溶解度計算均是借助sivert平方根定律實現(xiàn)，高壓下sivert平方根定律對計算氮的溶解度已經(jīng)不適用。氮在鋼中的固溶度模型對高氮鋼在凝固過程中氮化物的析出和偏析、氮氣泡的形成乃至高氮鋼的性能預(yù)測等有著重要意義，但是對這些模型需要進一步的證實其正確性，這就需要加強對氮在高氮不銹鋼中溶解度的理論研究。另外，對鋼液中含氮合金的熱力學(xué)性質(zhì)也需要進一步研究，通過對高氮合金的熱力學(xué)研究，有利于合理控制高氮合金加入時間、加入溫度和加入比重，提高合金的收得率。

 2. 應(yīng)用研究

  高氮低鎳節(jié)約型不銹鋼的生產(chǎn)研究已經(jīng)成為一種不可阻擋的趨勢，雖然高氮鋼的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但是大量的產(chǎn)品出爐就需要加大市場對高氮低鎳節(jié)約型不銹鋼的需求，進一步開發(fā)擴大高氮鋼的市場應(yīng)用領(lǐng)域也可以擴大對高氮鋼的市場需求。市場有需求的同時也需要及時解決好高氮鋼在各個領(lǐng)域應(yīng)用時可能出現(xiàn)的各種問題，比如高氮鋼的可焊性對其用作結(jié)構(gòu)材料時的應(yīng)用和推廣起到至關(guān)重要的作用。普通的含氮不銹鋼按照傳統(tǒng)的焊接方法就已經(jīng)能滿足產(chǎn)品對強度的要求，但是對于高氮鋼而言，由于鋼中含有過飽和的氮，若仍然按照傳統(tǒng)的焊接方法則會引起氮的逸出、焊接開裂以及晶界處析出氮化物等問題。由于高氮低鎳型不銹鋼跟傳統(tǒng)的高鎳不銹鋼的成分上有很大的區(qū)別，在熱軋過程中體現(xiàn)出熱塑性上的差異，容易出現(xiàn)邊裂。奧氏體不銹鋼的熱塑性與高溫殘留的鐵素體有關(guān)[47,48]，S和P元素在鋼中的含量對熱裂紋的產(chǎn)生有密切的關(guān)系，對奧氏體不銹鋼而言，S和P元素的質(zhì)量分數(shù)即使低到0.02%也會產(chǎn)生裂紋的影響，另外，雜質(zhì)元素在奧氏體不銹鋼中的溶解能力低，在凝固的過程中易產(chǎn)生晶間偏析，這也會降低奧氏體不銹鋼的熱塑性[49]。高氮鋼選擇不同的處理工藝之后，材料所獲得的性能也不同，因此，為了獲得高氮鋼最佳的材料性能，擴大高氮鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，對高氮鋼的處理工藝和性能之間的關(guān)系做比較系統(tǒng)的研究必不可少。

3. 新鋼種開發(fā)

 目前，對高氮奧氏體鋼、鐵素體和馬氏體鋼研究的比較多。對高氮鋼種的研發(fā)主要體現(xiàn)在根據(jù)對材料性能的要求合理的設(shè)計高氮鋼的化學(xué)成分和通過高氮鋼的冶煉之后獲得符合成分要求的高氮鋼兩個方面。為此，通過對理論研究和應(yīng)用的研究可以開發(fā)出許多新型的高性能含氮鋼種。