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含氮奧氏体不诱钢的发展过程及现状

发布时间:2021-04-23 09:33:54 丨 浏览次数:

    氮长期以来一直被认为是对钢性能造成不利影响的因素,因为将氮作为钢合金化元素,直到20世纪初才慢慢开始有人研究。Andrew首先发现了氮对钢的力学性能的影响以及氮具有稳定奥氏体的作用。20世纪20年代.Adcodk在他的研究过程中得到类似的结论即氮可以提高钢的强度,并认为氮的加入可以提高不锈钢的耐腐蚀性能。随后关于氮能提高铁铬合金强度的研究得到迸一步的发展和研究。40年代,Uhlig发现氮对耐蚀性的有利影响。基丁力学性能和耐蚀性能方面的有益作用,及镍资源的相对稀缺,氮合金化逐渐成为大家的研究热点,其潜在的性能及艺技术得到发展。AODT艺使得氮代替不同合金成为可能,人们开始研究用氮代替镍,德国首先研制出以氮、锰等元素取代部分镍的含量不锈钢,美国也于20世纪50年代开发了高锰奥氏体不锈钢即AISI200系列,含氮量为0.1 0%-0.25%之间,典型钢种为Cr18Ni5Mn8N0.15。氮作为合金化元素在不锈钢中的作用机理的研究不断得到深入和拓展。60年代末期,德国研制山名为“Nitronic”的钢种,MnN含量较高,强度和低温韧性高,耐腐蚀性能好。由于传统奥氏体不锈钢中应用较多的还是奥氏体不锈钢(60%70%)和双相不锈钢,氮作为合金元素主要集中于这两种类型,当然这还与它们合金成分对氮含量的影响有关,逐渐衍生出了许多含氮的不锈钢品种系列。

    60年代初期高氮钢主要停留在实验室阶段,采用加压感应炉制备多种高氮铡。60年代后期,AOD炉外精炼技术的应用,使冶炼过程中氮的加入以及控制方面得到了一定程度的解决。这一时期工业化生产了Cr21Mn9Ni7N0.32,有着较高的强度和耐腐蚀性能,这个时期的研究主要在于丰富和完善氮对力学和耐蚀性能的影响规律和相关知识方面,但是并未进行广泛的推广应用领域。

    70年代,瑞典人Avesta和美国人Allegheny Ludlum先后研制出氮合金化铜钢,在之前仅仅停留在提高Mn米提高钢液中氮含量的阶段有了新的认识。上世纪8090年代,加压冶炼技术的发展,为高氮钢的生产提供了一个很好的平台,学者详细的研究了CrMo对钢液中氮含量的影响规律,并根据研究结果开发出了很多新型高氮不锈钢其特点主要是CrMnMo三大类元素在合金中占比较高,包括有Nicrofer3033P900( Cr18Mn18N0.6)AISI934LN( 18Cr18MnIN14M00.6N)Cromanite等。其中P900(Cr18Mn18N0.6)护环钢已经在发达国家广泛应用,目前国内也在生产护环钢,在很多机组上已经使用。Cromanite主要应用于潮湿和高冲击摩擦的环境条件下,随后生产的Nitrofer AG具有优越的硬度、韧性和耐腐蚀性能。

    国内关于含氮奥氏体不锈钢的研究始于上世纪50年代,原北京钢铁学院的肖纪美教授针对高氮钢的性能进行了一系列的研究。70年代中科院金属所着力于制备高含氮量的钢种并研发出高氮无镍双相不锈钢,并对相关的性能进行了研究。上世纪80年代,国内原上海钢铁研究所开始研究高氮钢,随后越来越多的高效和研究机构将研究方向转至含氦钢。例如中科院金属所、上海大学、东北大学、北京科技大学、燕山大学、昆明理工大学、钢铁研究总院、太原钢铁集团、太原科技大学等单位对高氮钢的冶炼、力学能力、组织特点、加工工艺开展了一系列的研究工作。我国对含氮钢的研究相较于国外而言起步较晚,与一些发达国家相比研究阶段仍相对落后,大都是跟随和效仿其他国家,当然我们也在此期间研制出了Cr18Mn18N护环钢,并已经开始投产应用于工程领域,但是还存在着很多问题,国内高氦钢生产受冶金设备的限制,加压冶金仍是个难题。另外对于护环钢热加工过程中出现的开裂这一现象仍未能很好的解决,这些都影响产品的稳定性与生产成本。此外,316L不锈钢具有优良的综合力学性能,但耐体液腐蚀性和生物相容性较差,我国中科院金属所通过研究传统316L不锈钢的特点和局限,开发了含氮医用无镍奥氏体不锈钢(Fe17Cr14Mn2M00.46N),继承传统316L优异系能的同时有效的改善其缺陷。科研院校与企业联合研制出的Mn18Cr18N护环钢,用于制作发电机的转子定位环,解决了其易囚应力腐蚀导致开裂爆炸的问题。2006年第九届国际高氮钢会议在中国召开,再次推动了国内高氮钢研究的热潮,同时也为我国高氮钢的研制提供了机遇。

    目前以下几类含氮钢是现在研究的热点:  (1)不含Ni的高氮不锈钢。不锈钢的强度显著提高了同时,不增减甚至明显减少其重量。用N代替Ni经济效益显著,且符合环保要求,其成分更加趋于均匀化,晶粒更加趋于细化。此类钢种的强度是远高于传统不含氮钢,并且其抗点蚀得到明显的提升。高强度,高冲击韧性等特点使得此类钢中己能取代部分现有建筑钢中应用于建筑领域。(2)非磁性耐热高氮不锈钢。通过冷塑性变形后钢的屈服强度能达到将近2000MPa,耐高温能力也得到明显的改善。(3)非磁性耐磨高氮钢。这类钢最大的优势在于性能提高的同时其生产成本却很低,此类钢作为一种耐磨和非磁性材料,耐磨性甚至能提高70%,一般至少也能提高20%以上,而对于变形零件其塑性也能提高70%(4)用于核反应堆的高氮钢。此类钢能解决传统奥氏体不锈钢放射性造成的问题,作为联接件和紧同件的高强度结构钢,强度能提高到惊人的70%,且冲击韧性不受任何影响,能有效针对核反应堆的中联接件和紧固件强度不足的问题,同时减少或避免了频繁的维修。但是关于含氮钢的研究还远远不够,很多理论不够深入,比如高氮钢氮含量对其加工和使用性能的影响以及低温韧脆转变这一现象仍没有统一的观点,因此对于高氮钢进行更深入的研究很有必要。

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