高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼

高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼不僅具有生產(chǎn)成本低，綠色環(huán)保等的優(yōu)點(diǎn)，而且在奧氏體不銹鋼中加入氮賦予了鋼許多優(yōu)異的性能。

在以往奧氏體不銹鋼的成本中鎳占的比例為60%~90%，鎳的價(jià)格非常昂貴，而且鎳資源是非常重要的戰(zhàn)略物資，我國(guó)又是一個(gè)鎳資源非常貧乏的國(guó)家。以廉價(jià)的氮元素代替貴重而稀缺的鎳元素，生產(chǎn)Cr-Mn-N系高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼是減少鎳資源消耗最有效的方法，其意義十分重大。向奧氏體不銹鋼中加入1%的N就可以代替6~20%的Ni，而N元素的價(jià)格僅為Ni元素的1/200，價(jià)差十分巨大。因此，研發(fā)和生產(chǎn)高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

常規(guī)的奧氏體不銹鋼雖然具有良好的抗腐蝕性能，但在450~850℃保溫或緩慢冷卻時(shí)晶界上會(huì)析出Cr23C6，使周圍基體形成貧鉻區(qū)，從而造成晶間腐蝕。采用減小鋼中含碳量及向鋼中加入Ti、Nb的方法可以防止晶間腐蝕，但這種鋼在焊接時(shí)容易因焊接溫度過(guò)高而使TiC或NbC溶解，形成刀狀腐蝕，而且Ti、Nb屬于貴金屬，生產(chǎn)奧氏體不銹鋼很不經(jīng)濟(jì)，因此超低碳奧氏體不銹鋼逐漸代替了Ti、Nb類不銹鋼。然而固溶碳含量的降低使得奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度也隨之大大降低。以N代C是獲得高強(qiáng)度高韌性?shī)W氏體不銹鋼的一個(gè)重要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，N和C均以間隙原子的形式固溶強(qiáng)化奧氏體，但氮元素能夠加強(qiáng)鋼的金屬鍵而碳元素則加強(qiáng)原子間的共價(jià)鍵，氮原子占據(jù)間隙位置時(shí)電子云密度比碳高，因此，氮比碳更能穩(wěn)定奧氏體。氮元素可以導(dǎo)致滑移平面和變形孿晶的增加，從而阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿晶擴(kuò)展，極大地增加奧氏體不銹鋼的形變硬化率和強(qiáng)度。高氮鋼與傳統(tǒng)的鋼相比性能可以提高30~150%。目前，高氮不銹鋼的抗拉強(qiáng)度已達(dá)到800MPa以上，并且仍然保持著較好的塑性、韌性和抗腐蝕性能。

但是，在常壓下氮在鋼中的溶解度很低，如何將氮加入到鋼中成為阻礙氮作為合金化元素的主要因素，發(fā)展相應(yīng)的工藝和設(shè)備以保證金屬凝固時(shí)整個(gè)體積范圍內(nèi)達(dá)到高而均勻的氮濃度是發(fā)展高氮鋼的首要問(wèn)題。加壓冶金技術(shù)的發(fā)展可以使得氮以較大含量固溶于奧氏體中，如加壓電渣重熔、加壓感應(yīng)熔煉、真空感應(yīng)熔煉、高壓等離子弧熔煉、熱等靜壓熔煉等等。歐洲一些國(guó)家用4.2MPa、20噸的加壓電渣爐生產(chǎn)出了高氮奧氏體不銹鋼，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。但是，加壓冶金存在冶煉工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、安全隱患大、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。為此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要致力于研究常壓下冶煉含氮量較高的奧氏體不銹鋼，并取得了一定的成果。東北大學(xué)與中科院金屬所合作已經(jīng)制備出含氮量在1.0%以上的高氮奧氏體不銹鋼。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)已在常壓下成功冶煉出含氮量為0.6%~1.2%的高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼。