不銹鋼高氮不銹鋼

1、不銹鋼（高氮不銹鋼）不銹鋼（高氮不銹鋼） . .2 2+不銹鋼定義不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定化學(xué)穩(wěn)定性的鋼的總稱(chēng)。化學(xué)穩(wěn)定性的鋼的總稱(chēng)。 不銹鋼一般特性不銹鋼一般特性u(píng) 表面美觀、清潔、光潔度高表面美觀、清潔、光潔度高u 優(yōu)異的耐腐蝕性能（比普通鋼長(zhǎng)久耐用）優(yōu)異的耐腐蝕性能（比普通鋼長(zhǎng)久耐用）u 強(qiáng)度高，因而薄板使用的可能性大強(qiáng)度高，因而薄板使用的可能性大u 耐高溫氧化耐高溫氧化u 常溫塑性好，易于加工常溫塑性好，易于加工u 焊接性能良好焊接性能良好. .3 3 Cr與空氣中的與空氣中的O2反

2、應(yīng)生成致密的氧化物保護(hù)膜反應(yīng)生成致密的氧化物保護(hù)膜“鈍化膜鈍化膜”，使機(jī)體得到保護(hù)。，使機(jī)體得到保護(hù)。鈍化膜鈍化膜1-10nm機(jī)體機(jī)體鈍化膜主要成分：鈍化膜主要成分：Cr2O3（普通（普通Cr系不銹鋼而言）系不銹鋼而言）生成鈍化膜條件：生成鈍化膜條件：%Cr12%CrO42- 、Cr（OH）、）、MoO42- （含（含Mo等元素的不銹鋼體系）等元素的不銹鋼體系）. .4 4CV 含碳量較高的不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)（含碳量較高的不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)（600-950），晶界析出），晶界析出Cr23C6鉻從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界，因而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒鉻從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界，因

3、而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。（邊界貧鉻區(qū)。（%Cr12%） CrV遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于抑制抑制Cr23C6生成措施生成措施u 降降%C0.03%，添加，添加Ni補(bǔ)償補(bǔ)償u 添加添加Ti or Nb，抑制，抑制Cr23C6生成生成+如何實(shí)現(xiàn)“去碳保鉻”)(22 2gCOOC)(3223/2 3/4sOCrOCr2 個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng) : 32./)/.(33023OCrCCOCraaPPaK )(323 2 3gCOCrCOCr(1)(2)(3)(4)32323/133/20/OCrOCrCOCaKaPPa(5)95.2438840lg3TK(6)不銹鋼冶煉工藝流程的演變及發(fā)展趨勢(shì)

4、不銹鋼冶煉工藝流程的演變及發(fā)展趨勢(shì). .6 6GTTfPco=1Pco0.1時(shí)，脫碳速度與碳含量無(wú)關(guān)，而僅取決于供氧強(qiáng)度。 （2）%C=0.050.10時(shí)，脫碳速度與鋼液碳含量具有線性關(guān)系。 （3）%C 0.05時(shí)的極低碳區(qū)，脫碳速度與含碳量呈n次方指數(shù)關(guān)系. .8 8 u Cr 生成鈍化膜，提高耐腐蝕性能生成鈍化膜，提高耐腐蝕性能u Ni 擴(kuò)大奧氏體，提高抗磨蝕性，高溫韌性提高擴(kuò)大奧氏體，提高抗磨蝕性，高溫韌性提高 改善機(jī)械性能，可焊性改善機(jī)械性能，可焊性u(píng) C 奧氏體穩(wěn)定化元素；易生成奧氏體穩(wěn)定化元素；易生成Cr23C6，減低耐腐蝕性能，減低耐腐蝕性能u Ti、Nb 消除晶間腐蝕消除晶間腐

5、蝕u Mn 穩(wěn)定奧氏體，降低耐腐蝕性能（穩(wěn)定奧氏體，降低耐腐蝕性能（MnS）u Mo 、Cu 提高某些不銹鋼耐腐蝕性能提高某些不銹鋼耐腐蝕性能u N 提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能，提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能，N和和Mo的協(xié)同作用能顯著提高其耐腐蝕的協(xié)同作用能顯著提高其耐腐蝕性能性能u 稀土元素稀土元素 主要在于改善工藝性能方面。奧氏體和奧氏體鐵素體不銹鋼主要在于改善工藝性能方面。奧氏體和奧氏體鐵素體不銹鋼中加中加0.020.5的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。成分特點(diǎn)成分特點(diǎn)磁性磁性主要性能主要性能主要用途主要用途 鐵素體鐵素體Ferriti

6、csCr:11-15%; 16-20%；21-30%有有導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良、耐點(diǎn)蝕性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良、耐點(diǎn)蝕, 縫隙腐蝕縫隙腐蝕強(qiáng)度高強(qiáng)度高, 冷加工性能好冷加工性能好韌性、缺口敏感性、焊接性能差韌性、缺口敏感性、焊接性能差家用電器、廚房設(shè)備、家用電器、廚房設(shè)備、交通運(yùn)輸、環(huán)保及市交通運(yùn)輸、環(huán)保及市政建設(shè)、汽車(chē)政建設(shè)、汽車(chē) 奧氏體奧氏體Austenitics18%Cr+8Ni高高Cr-Ni系列鋼系列鋼在在18%Cr+8Ni基礎(chǔ)上增基礎(chǔ)上增加加Cr、Ni含量并加入含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素等元素?zé)o無(wú)韌性和塑性較高，

7、強(qiáng)度低，硬度小，韌性和塑性較高，強(qiáng)度低，硬度小，加工性能好，耐晶間腐蝕性能較好，加工性能好，耐晶間腐蝕性能較好，原料成本高原料成本高石油、化學(xué)、輕工、石油、化學(xué)、輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中食品、醫(yī)藥等行業(yè)中的應(yīng)用的應(yīng)用雙相鋼雙相鋼DuplexCr 18%28%，Ni3%10%。含有。含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等等元素。元素。有有耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高、優(yōu)良的耐孔蝕性能。兼明顯提高、優(yōu)良的耐孔蝕性能。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)石油、化工、造紙、石油、化工、造紙、海洋等領(lǐng)域海洋等領(lǐng)域 馬氏體馬氏體Martensi

8、tics12-18%Cr+0.21%C+Ni；Mo、Si、Ti、V有有保持一定的耐腐蝕性能，具有較高保持一定的耐腐蝕性能，具有較高硬度、強(qiáng)度、耐磨性能硬度、強(qiáng)度、耐磨性能蒸汽輪機(jī)葉片、餐具、蒸汽輪機(jī)葉片、餐具、外科手術(shù)器械外科手術(shù)器械 . .10 10 n超純鐵素體不銹鋼超純鐵素體不銹鋼n高性能高性能200系列奧氏體不銹鋼系列奧氏體不銹鋼n高氮不銹鋼高氮不銹鋼n抗菌不銹鋼抗菌不銹鋼. .11 11 高氮鋼是近年來(lái)隨著冶金科技的進(jìn)步出現(xiàn)的一種新型的工程材料。高氮鋼是近年來(lái)隨著冶金科技的進(jìn)步出現(xiàn)的一種新型的工程材料。n 高氮鋼高氮鋼-材料中的實(shí)際氮含量超過(guò)了在常壓下（材料中的實(shí)際氮含量超過(guò)了在常壓

9、下（0.1MPa）制備材料）制備材料 所能達(dá)到的極限值的鋼。所能達(dá)到的極限值的鋼。 含氮奧氏體不銹鋼：控氮型（氮含量含氮奧氏體不銹鋼：控氮型（氮含量0.05%0.10%） 中氮型（氮含量中氮型（氮含量0.10%0.40%） 高氮型（氮含量在高氮型（氮含量在0.40%以上）以上） 鐵素鐵、馬氏體不銹鋼：氮含量大于鐵素鐵、馬氏體不銹鋼：氮含量大于0.08%時(shí)，便可稱(chēng)為高氮鋼。時(shí)，便可稱(chēng)為高氮鋼。n N與其它元素與其它元素(Mn, Cr, V, Nb, Ti等等)作用作用, 改善鋼的多種性能改善鋼的多種性能: 高強(qiáng)度、高韌高強(qiáng)度、高韌性、大的蠕變抗力、良好的耐腐蝕性能。性、大的蠕變抗力、良好的耐腐蝕

10、性能。n高氮不銹鋼成為目前的主要研究熱點(diǎn)，尤其是高氮不銹鋼成為目前的主要研究熱點(diǎn)，尤其是高氮奧氏體不銹鋼高氮奧氏體不銹鋼分類(lèi)分類(lèi)%N主要鋼種主要鋼種性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼1.202.80Cr18Mn11N Cr18Mn12Si2N0.7Cr25Mn11Si3NCr15Ni4Mo2N室溫強(qiáng)度顯著提高，低溫沖擊韌性明顯改善；室溫強(qiáng)度顯著提高，低溫沖擊韌性明顯改善；持久強(qiáng)度提高而斷裂韌性不明顯下降；持久強(qiáng)度提高而斷裂韌性不明顯下降；具有優(yōu)良的耐蝕性能，抗應(yīng)力腐蝕；具有優(yōu)良的耐蝕性能，抗應(yīng)力腐蝕；奧氏體化穩(wěn)定，無(wú)磁化化穩(wěn)定；奧氏體化穩(wěn)定，無(wú)磁化化穩(wěn)定；鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼0.08

11、0.60Cr12MoVN高溫蠕變性能改善，蒸汽透平葉片工作溫度高溫蠕變性能改善，蒸汽透平葉片工作溫度提高到提高到873K高速工具鋼高速工具鋼0.20W6Cr5V2NW5Cr5V2NW2Cr6V2N結(jié)晶組織細(xì)?。唤Y(jié)晶組織細(xì)?。坏飶浬⒎植?，不易聚集；氮化物彌散分布，不易聚集；熱硬性強(qiáng)，粘著系數(shù)低；熱硬性強(qiáng)，粘著系數(shù)低；熱作模具鋼熱作模具鋼0.020.1655NiCrMoV7N3Cr4Mo2VN30WCrMoVN結(jié)晶組織細(xì)??；結(jié)晶組織細(xì)小；易加工，強(qiáng)度及韌性改善；易加工，強(qiáng)度及韌性改善；工作溫度提高到工作溫度提高到973K；冷作模具鋼冷作模具鋼0.050.6055CrVMoN工作溫度可提高到工作

12、溫度可提高到773K結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼0.050.2038CrNi3MoVN韌性改善，冷脆轉(zhuǎn)折溫度明顯下降；韌性改善，冷脆轉(zhuǎn)折溫度明顯下降； . .13 13 大量研究認(rèn)為，大量研究認(rèn)為，氮可顯著提高不銹鋼的屈服強(qiáng)氮可顯著提高不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度度和抗拉強(qiáng)度。高氮奧氏體不銹鋼具有高的屈服強(qiáng)。高氮奧氏體不銹鋼具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)度和抗拉強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)AISI 200(美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ) 和和300系列不銹鋼的系列不銹鋼的2-4倍倍以上，以上，且仍能保持較高的斷裂韌性且仍能保持較高的斷裂韌性。 . .14 14氮含量為氮

13、含量為1.0%的高氮奧氏體不銹鋼晶粒的高氮奧氏體不銹鋼晶粒尺寸對(duì)其機(jī)械性能的影響尺寸對(duì)其機(jī)械性能的影響氮固溶強(qiáng)化奧氏體不銹鋼氮固溶強(qiáng)化奧氏體不銹鋼l晶粒大小和強(qiáng)度也完全符合晶粒大小和強(qiáng)度也完全符合HallPetch關(guān)系關(guān)系l Speidel等人的研究表明，高氮不銹鋼的強(qiáng)度與其氮含量有直接的關(guān)系等人的研究表明，高氮不銹鋼的強(qiáng)度與其氮含量有直接的關(guān)系由于多晶體中的晶界的變形抗力較大，且每個(gè)晶粒的變形都要受到周?chē)Я５臓坑捎诙嗑w中的晶界的變形抗力較大，且每個(gè)晶粒的變形都要受到周?chē)Я５臓恐?，故多晶體的室溫強(qiáng)度總是隨著晶粒的細(xì)化（即晶界總面積的增加）而提高。多制，故多晶體的室溫強(qiáng)度總是隨著晶粒的細(xì)化

14、（即晶界總面積的增加）而提高。多晶體屈服強(qiáng)度晶體屈服強(qiáng)度s與晶粒平均直徑與晶粒平均直徑d之間的關(guān)系可用霍爾之間的關(guān)系可用霍爾-佩奇公式描述：佩奇公式描述： os =0 +kd-1 /2式中式中0、 k與晶體類(lèi)型有關(guān)的常數(shù)。與晶體類(lèi)型有關(guān)的常數(shù)。. .15 15l Defilippi J D在研究在研究Cr-Mn-N合金體系中首先發(fā)現(xiàn)了合金體系中首先發(fā)現(xiàn)了氮合金化的奧氏體不銹鋼存氮合金化的奧氏體不銹鋼存在韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象在韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。l Uggowitzer和和 Speidel等人發(fā)現(xiàn)，無(wú)鎳的高氮等人發(fā)現(xiàn)，無(wú)鎳的高氮Cr-Mn-N奧氏體鋼中存在韌脆轉(zhuǎn)變奧氏體鋼中存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度（溫度（DBTT

15、），并且其與氮含量有關(guān)。），并且其與氮含量有關(guān)。l大量的研究者針對(duì)不同體系的高氮奧氏體不銹鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象進(jìn)行了研究，大量的研究者針對(duì)不同體系的高氮奧氏體不銹鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并對(duì)其并對(duì)其低溫?cái)嗔褭C(jī)理進(jìn)行了解釋低溫?cái)嗔褭C(jī)理進(jìn)行了解釋?zhuān)壳翱捶ㄉ胁唤y(tǒng)一目前看法尚不統(tǒng)一。 氮對(duì)高氮不銹鋼耐點(diǎn)蝕的影響氮對(duì)高氮不銹鋼耐點(diǎn)蝕的影響l 合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能影響合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能影響 氮是提高奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能最有效元素氮是提高奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能最有效元素PREN=1Cr+3.3Mo+XN，X1330奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)在奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)在Cl-環(huán)

16、境中環(huán)境中對(duì)點(diǎn)蝕電位的影響對(duì)點(diǎn)蝕電位的影響 PREN-耐點(diǎn)蝕當(dāng)量。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量。最常用的并被廣為接受的一種評(píng)定系統(tǒng)的最常用的并被廣為接受的一種評(píng)定系統(tǒng)的數(shù)值評(píng)定方法。數(shù)值評(píng)定方法。PREN 是以金屬中某些元素是以金屬中某些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)算的一個(gè)數(shù)值。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)算的一個(gè)數(shù)值。. .17 17臨界縫隙腐蝕溫度和合金成分的關(guān)系臨界縫隙腐蝕溫度和合金成分的關(guān)系l N 、Cr、Mo提高了合金的耐縫隙腐蝕的提高了合金的耐縫隙腐蝕的能力，而能力，而Mn和和Ni降低了合金耐縫隙腐蝕的降低了合金耐縫隙腐蝕的能力。能力。l N和和Mo的協(xié)同作用顯著地提高了高氮鋼的協(xié)同作用顯著地提高了高氮鋼耐縫隙腐蝕

17、性能耐縫隙腐蝕性能氮和鉬元素對(duì)高氮鋼縫隙腐蝕影響氮和鉬元素對(duì)高氮鋼縫隙腐蝕影響 . .18 18l 氮的加入可以提高普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼耐敏化態(tài)晶間腐蝕性能，其氮的加入可以提高普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼耐敏化態(tài)晶間腐蝕性能，其本質(zhì)是本質(zhì)是N影響敏化處理時(shí)影響敏化處理時(shí)Cr23C6的形核和長(zhǎng)大，并降低了與的形核和長(zhǎng)大，并降低了與Cr23C6平衡平衡Cr的活度。的活度。l 高純奧氏體不銹鋼中，沒(méi)有碳化鉻析出，主要因?yàn)橐环矫娓呒儕W氏體不銹鋼中，沒(méi)有碳化鉻析出，主要因?yàn)橐环矫娴黾恿蒜g化膜的穩(wěn)氮增加了鈍化膜的穩(wěn)定性定性，在一定程度上降低了平均腐蝕率；另一方面，在含氮高的鋼中雖然有氮化，在一定

18、程度上降低了平均腐蝕率；另一方面，在含氮高的鋼中雖然有氮化鉻，但由于鉻，但由于氮化鉻的析出速度很慢氮化鉻的析出速度很慢，敏化不會(huì)造成晶界貧鉻，對(duì)敏化態(tài)晶間腐蝕，敏化不會(huì)造成晶界貧鉻，對(duì)敏化態(tài)晶間腐蝕影響很小。影響很小。 . .19 19轉(zhuǎn)子主體與用轉(zhuǎn)子主體與用P900制成的護(hù)環(huán)的裝配情況制成的護(hù)環(huán)的裝配情況 鹽霧實(shí)驗(yàn)后鹽霧實(shí)驗(yàn)后含氮與不含氮馬氏體不銹鋼腐蝕情況的比較含氮與不含氮馬氏體不銹鋼腐蝕情況的比較人工合成的骨質(zhì)人體材料人工合成的骨質(zhì)人體材料 高氮不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域高氮不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域 . .2020Ti、Zr、V、Nb 等元素顯著提高氮溶解度，等元素顯著提高氮溶解度，形成氮化物的趨勢(shì)強(qiáng)烈。

19、形成氮化物的趨勢(shì)強(qiáng)烈。 Cr 顯著提高氮在不銹鋼中的溶解度，形成氮顯著提高氮在不銹鋼中的溶解度，形成氮化物的趨勢(shì)較化物的趨勢(shì)較Ti、Zr等元素小。等元素小。Mn 在在HNS中廣泛用來(lái)增加氮的溶解度，較中廣泛用來(lái)增加氮的溶解度，較Ni廉價(jià)，具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，廉價(jià)，具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，過(guò)過(guò)高高M(jìn)n對(duì)耐腐蝕性能不利對(duì)耐腐蝕性能不利。Ni 不銹鋼中重要的合金元素，不銹鋼中重要的合金元素，Ni減小了氮在減小了氮在鋼液中的溶解度，且鋼液中的溶解度，且鎳對(duì)人體有過(guò)敏反應(yīng)鎳對(duì)人體有過(guò)敏反應(yīng)。 Mo 提高氮在鋼液中的溶解氮，主要作用是提高氮在鋼液中的溶解氮，主要作用是提高耐腐蝕性能提高耐腐蝕性

20、能。顯著提高氮溶顯著提高氮溶液度，強(qiáng)烈形液度，強(qiáng)烈形成氮化物元素成氮化物元素平衡氮化物平衡氮化物形成和氮溶形成和氮溶解度元素解度元素中性元素中性元素強(qiáng)烈降低氮強(qiáng)烈降低氮溶解度元素溶解度元素合金元素對(duì)鋼液中氮溶解度的影響合金元素對(duì)鋼液中氮溶解度的影響 . .21 21溫度對(duì)氮溶解度的影響溫度對(duì)氮溶解度的影響溫度和鉻含量對(duì)鋼中溶解的影響溫度和鉻含量對(duì)鋼中溶解的影響l 隨鉻含量增加，氮溶解度顯著增大，隨鉻含量增加，氮溶解度顯著增大，溫度對(duì)溶解度影響趨勢(shì)增大，且隨溫度溫度對(duì)溶解度影響趨勢(shì)增大，且隨溫度的提高氮的溶解度降低，這種現(xiàn)象存在的提高氮的溶解度降低，這種現(xiàn)象存在于含有增加氮溶解度元素（如于含有增

21、加氮溶解度元素（如Mn、Mo）的鐵基合金中。的鐵基合金中。l 而含有降低溶解度元素的鐵基合金，而含有降低溶解度元素的鐵基合金，恰恰相反，隨溫度提高氮的溶解度增大。恰恰相反，隨溫度提高氮的溶解度增大。 . .2222 在凝固過(guò)程中由于鋼按在凝固過(guò)程中由于鋼按L-Fe-Fe順序發(fā)生相變，由于氮在順序發(fā)生相變，由于氮在-Fe中溶解度很小，在凝固過(guò)程中氮在凝固相的前端富集，若鋼液中氮的中溶解度很小，在凝固過(guò)程中氮在凝固相的前端富集，若鋼液中氮的含量很高，凝固過(guò)程中有可能會(huì)析出氣泡。含量很高，凝固過(guò)程中有可能會(huì)析出氣泡。 . .2323為了防止氣泡析出，必須滿足下列公式：為了防止氣泡析出，必須滿足下列公

22、式：rPPPmab/2式中：式中：bP氮?dú)馀莸男魏藟毫?；氮?dú)馀莸男魏藟毫?；aP 凝固體系上的壓力；凝固體系上的壓力；mP 鋼液的靜壓力；鋼液的靜壓力； 氣泡的表面張力；氣泡的表面張力；r 氣泡的半徑。氣泡的半徑。防止高氮鋼在凝固過(guò)程中氮?dú)馀莸奈龀觯悍乐垢叩撛谀踢^(guò)程中氮?dú)馀莸奈龀觯簂 可增加表面活性元素，增大可增加表面活性元素，增大 值值 ；l 增大體系壓力，即凝固過(guò)程在高壓下進(jìn)行增大體系壓力，即凝固過(guò)程在高壓下進(jìn)行 。 . .2424liqsolNNk/,0l Feichtinger研究了研究了Fe18Cr18Mn在凝固過(guò)在凝固過(guò)程中，程中，氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)氮分壓對(duì)氮分配系數(shù) 影影響。響

23、。l 陸利明等探討了對(duì)高氮鋼凝固過(guò)程及偏析陸利明等探討了對(duì)高氮鋼凝固過(guò)程及偏析進(jìn)行了理論計(jì)算，為避免氮在凝固過(guò)程中氣進(jìn)行了理論計(jì)算，為避免氮在凝固過(guò)程中氣泡析出的施加的泡析出的施加的最小壓力最小壓力進(jìn)行了計(jì)算。進(jìn)行了計(jì)算。但是但是該計(jì)算方法沒(méi)有考慮合金元素對(duì)氮溶解的影該計(jì)算方法沒(méi)有考慮合金元素對(duì)氮溶解的影響響。l M.R.R idolfi研究了研究了16%18%Cr高氮奧氏高氮奧氏體不銹鋼中氮?dú)馀莸奈龀鲂袨椋w不銹鋼中氮?dú)馀莸奈龀鲂袨?，調(diào)整鋼液成調(diào)整鋼液成分分可以避免氣泡的生成?？梢员苊鈿馀莸纳?。氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)的影響氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)的影響 . .2525 高氮鋼的開(kāi)發(fā)主要集中在兩個(gè)方面

24、：一方面高氮鋼的開(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)根據(jù)材料性能的要求設(shè)計(jì)高氮鋼的成分計(jì)高氮鋼的成分；另一方面是通過(guò)；另一方面是通過(guò)制備技術(shù)來(lái)得到合乎成分要求的高氮制備技術(shù)來(lái)得到合乎成分要求的高氮鋼鋼。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。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。分布。 目前，國(guó)外用于制備高氮鋼的方法有：目前，國(guó)外用于制備高氮鋼的方法有：常壓電渣重熔工藝常壓電渣重熔工藝、氮?dú)饧拥獨(dú)饧訅喝蹮挿▔喝蹮?/p>

25、法、粉末冶金法粉末冶金法和和表面滲氮法表面滲氮法。 類(lèi)型類(lèi)型發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀氮合金化方式及優(yōu)點(diǎn)氮合金化方式及優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)熱等靜壓熔煉熱等靜壓熔煉（HIP）實(shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氣相合金化氣相合金化機(jī)體中易形成氮化物沉淀機(jī)體中易形成氮化物沉淀加壓感應(yīng)爐熔煉加壓感應(yīng)爐熔煉相對(duì)于相對(duì)于HIP熔煉方法而言，加壓感應(yīng)爐熔煉高熔煉方法而言，加壓感應(yīng)爐熔煉高氮鋼的規(guī)模較大氮鋼的規(guī)模較大氣相合金化氣相合金化氣相熔體界面的表面積非常小時(shí)，氣相熔體界面的表面積非常小時(shí)，難以獲得很高的氮含量。難以獲得很高的氮含量。大熔池法（大熔池法（BSB）保加利亞工業(yè)化大規(guī)模，鋼包均保加利亞工業(yè)化大規(guī)模，鋼包均采用感應(yīng)加熱，其容量

26、的最小為采用感應(yīng)加熱，其容量的最小為0.5t，最大為，最大為10t氣相合金化氣相合金化鋼水來(lái)源廣；生產(chǎn)效鋼水來(lái)源廣；生產(chǎn)效率高；電耗低等優(yōu)點(diǎn)率高；電耗低等優(yōu)點(diǎn)工廠更加復(fù)雜；設(shè)備比較昂；需要特殊工廠更加復(fù)雜；設(shè)備比較昂；需要特殊技能的人去操作，生產(chǎn)成本比較高技能的人去操作，生產(chǎn)成本比較高加壓電渣重熔熔加壓電渣重熔熔煉（煉（PESR）商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法；德國(guó)最大德國(guó)最大20噸；日本噸；日本NIMS 1臺(tái)臺(tái)20kg的的實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)用PESR，最大壓力，最大壓力5MPa渣池中添加氮化合金顆粒（德渣池中添加氮化合金顆粒（德國(guó)）；制備復(fù)合電極（日本）國(guó)）；制備復(fù)合電極（日本

27、）氮均勻性存在一定問(wèn)題；制備復(fù)合電氮均勻性存在一定問(wèn)題；制備復(fù)合電極昂貴；硅超標(biāo)等問(wèn)題極昂貴；硅超標(biāo)等問(wèn)題加壓鋼包氮?dú)獯导訅轰摪獨(dú)獯迪捶ㄏ捶⊿yvazhin對(duì)鋼包中對(duì)鋼包中1t到到300t鋼水底吹氣鋼水底吹氣合金化，氮達(dá)到合金化，氮達(dá)到0.5%0-0.9%。Holzgruber提出加壓鋼包中電渣加熱提出加壓鋼包中電渣加熱底吹氮?dú)夂辖鸹状档獨(dú)夂辖鸹档峁┝艘环N廉價(jià)的合金化方法，溫吹氮提供了一種廉價(jià)的合金化方法，溫度和成分均勻分布；氮的控制很容易通過(guò)控制壓度和成分均勻分布；氮的控制很容易通過(guò)控制壓力來(lái)達(dá)到；可采用任何普通的鑄造方法力來(lái)達(dá)到；可采用任何普通的鑄造方法加壓等離子電弧加壓等離子電弧

28、熔煉（熔煉（PARP）Torkhov采用加壓等離子電弧爐獲了采用加壓等離子電弧爐獲了25Cr16Ni7Mn0.6N等離子弧滲氮等離子弧滲氮平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度學(xué)氮飽和濃度電能消耗高；壓力有限；氮分布不均勻電能消耗高；壓力有限；氮分布不均勻改進(jìn)型等離子加改進(jìn)型等離子加壓熔煉工藝壓熔煉工藝（PPMP）Siwka研究發(fā)現(xiàn)等離子體滲氮時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)等離子體滲氮時(shí)，鋼液面上添加精煉渣可極大提高氮鋼液面上添加精煉渣可極大提高氮的飽和度；氮壓力可以提高的飽和度；氮壓力可以提高1.2MPa ；底吹氮?dú)獾蜏囟鹊木鶆蚧状档獨(dú)獾蜏囟鹊木鶆蚧?；等離子弧滲氮等離子弧滲氮

29、氣相合金化氣相合金化推廣規(guī)模有限推廣規(guī)模有限加壓弧渣重容技加壓弧渣重容技（PASR）烏克蘭巴頓電焊研究院，工業(yè)化生產(chǎn)烏克蘭巴頓電焊研究院，工業(yè)化生產(chǎn)的加壓弧渣重熔設(shè)備的加壓弧渣重熔設(shè)備USh-180，氮?dú)鈮毫?，氮?dú)鈮毫蛇_(dá)可達(dá)4 MPa，可生產(chǎn)，可生產(chǎn)5 t錠錠氣相離子氣相離子氮均勻分布；電耗低；結(jié)晶質(zhì)量好等氮均勻分布；電耗低；結(jié)晶質(zhì)量好等推廣規(guī)模有限推廣規(guī)模有限高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎(chǔ)及其材料性能研究高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎(chǔ)及其材料性能研究. .2727+氮?dú)饧訅喝蹮捀叩讳P鋼鋼有兩個(gè)基本的機(jī)理（1）在氮?dú)馊垠w的界面上發(fā)生反應(yīng)）在氮?dú)馊垠w的界面上發(fā)生反應(yīng)N22N，雙原子氮?dú)夥纸獬?/p>

30、單原，雙原子氮?dú)夥纸獬蓡卧拥?，并被熔體吸收；子氮，并被熔體吸收； 這一類(lèi)熔煉高氮不銹鋼的方法包括：熱等靜壓熔煉（這一類(lèi)熔煉高氮不銹鋼的方法包括：熱等靜壓熔煉（HIP）、加壓）、加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣重熔（感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣重熔（PESR）、反壓鑄造法。）、反壓鑄造法。（2）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。）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。 . .2828 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)提高鋼水氮含量的。 熱等靜壓熔煉爐內(nèi)壓力最大可達(dá)熱等靜壓熔煉爐內(nèi)壓力最大可達(dá)200MPa，

31、制備的高氮鋼氮含量可達(dá)，制備的高氮鋼氮含量可達(dá)4%，但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀，但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀 ，氮分布均勻性存在問(wèn)題。，氮分布均勻性存在問(wèn)題。圖圖3 采用熱等靜壓法制備高氮不銹鋼的工藝曲線采用熱等靜壓法制備高氮不銹鋼的工藝曲線 . .2929+Stair-Uocorz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% 。+鋼液滲氮的過(guò)程中

32、，氣相熔體界面的表面積占主導(dǎo)地位，當(dāng)它非常小時(shí)，熔池中鋼液的氮飽和度就不高。 圖圖4 50kg加壓感應(yīng)爐設(shè)備示意圖加壓感應(yīng)爐設(shè)備示意圖 . .3030加壓電渣重熔是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。目前典型的合金化方式有兩種：設(shè)有合金添加裝置（德國(guó)）制造復(fù)合電極（日本）。 圖圖7 德國(guó)加壓電渣爐的設(shè)備示意圖德國(guó)加壓電渣爐的設(shè)備示意圖 德國(guó)最大加壓電渣爐為德國(guó)最大加壓電渣爐為20t，熔煉室運(yùn)行壓力，熔煉室運(yùn)行壓力4.2MPa，最大生產(chǎn)鑄錠直徑最大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重重20。 日本國(guó)家材料研究所（日本國(guó)家材料研究所（NIMS）在上世紀(jì)）在上世紀(jì)90年代研制了年代研制了1臺(tái)臺(tái)20kg的實(shí)驗(yàn)用高壓電渣爐實(shí)

33、驗(yàn)裝置，系統(tǒng)最大壓力為的實(shí)驗(yàn)用高壓電渣爐實(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，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)控制在4MPa。采用此高壓電渣設(shè)備。采用此高壓電渣設(shè)備生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達(dá)生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達(dá)1以上。以上。 . .31 31圖圖8 16噸高壓電渣爐照片噸高壓電渣爐照片 圖圖9 20噸高壓電渣爐照片噸高壓電渣爐照片 . .3232+Torkhov采用加壓等離子電弧爐制備25Cr16Ni7Mn0.6N高氮不銹鋼實(shí)驗(yàn)研究表明，采用等離子弧可以加速鋼水的滲氮，而且金屬雜質(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。 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

34、化學(xué)吸附和電場(chǎng)吸附用等離子弧滲氮時(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)吸附使鋼水增氮，其使鋼水增氮，其平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度。 存在缺點(diǎn)：存在缺點(diǎn)：1 1）電能消耗高；）電能消耗高；2 2）其壓力僅限在）其壓力僅限在0.45MPa0.45MPa以下；以下；3 3）由于等離子噴槍內(nèi)溫度的分布不均勻，造成氮不同程度的分解，從）由于等離子噴槍內(nèi)溫度的分布不均勻，造成氮不同程度的分解，從而造成熔池中氮的分布不均勻；而造成熔池中氮的分布不均勻；4 4）設(shè)備復(fù)雜昂貴，難以生產(chǎn)板坯，鍛錠和鑄錠。）設(shè)備復(fù)雜昂貴，難以生產(chǎn)板坯，鍛錠和鑄錠。 . .

35、3333n高氮不銹鋼冶煉的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究n高氮不銹鋼的制備 %102 . 3%024. 0%105 . 3%011. 0525MnMnNiNi)/log%105 . 3%048. 0%109 . 7%01. 0024252ppCrCrMoMoNpN%043. 0%118. 0%13. 075. 0328017. 1188)/lg(21lg%02SiCNTTppNN當(dāng)當(dāng)，0 . 1/02ppN；06.0pN，0 . 1/02ppN；0pNpN 壓力對(duì)氮活度的作用系數(shù)。壓力對(duì)氮活度的作用系數(shù)。l 氮溶解度與體系溫度、氮分壓和合金成分的熱力學(xué)計(jì)算模型氮溶解度與體系溫度、氮分壓和合金成分的熱力學(xué)計(jì)算模

36、型 . .3535氮溶解度的計(jì)算值與測(cè)量值比較氮溶解度的計(jì)算值與測(cè)量值比較 . .3636氮分壓對(duì)氮分壓對(duì)304和和316不銹鋼熔體氮溶解度影響不銹鋼熔體氮溶解度影響l 在氮分壓小于在氮分壓小于0.1MPa時(shí)，熔體中氮的溶解度與氮分壓符合時(shí)，熔體中氮的溶解度與氮分壓符合Sievert定律定律 l西華特定律定義為氣體在鋼中的溶解度與它在氣相中的分壓的平方根成正比。西華特定律定義為氣體在鋼中的溶解度與它在氣相中的分壓的平方根成正比。 . .3737在在1873K純鐵和純鐵和Fe-Cr、Fe-Mn合金體系中氮分壓對(duì)氮溶解度的影響合金體系中氮分壓對(duì)氮溶解度的影響l 當(dāng)?shù)謮捍笥诋?dāng)?shù)謮捍笥?.1MPa

37、，尤其是在熔體中合金元素含量較高時(shí)，不符合，尤其是在熔體中合金元素含量較高時(shí)，不符合Sievert定律定律l 氮溶解度隨氮分壓的增加顯著提高，因此加壓熔煉是制備高氮鋼的有效手段氮溶解度隨氮分壓的增加顯著提高，因此加壓熔煉是制備高氮鋼的有效手段 . .3838在在1873K、0.1MPa和和5MPa壓力下純鐵和不同的合金體系中溫度對(duì)氮溶解度的影響壓力下純鐵和不同的合金體系中溫度對(duì)氮溶解度的影響l 氮分壓一定，溫度對(duì)氮溶解度的影響取決于合金的成分氮分壓一定，溫度對(duì)氮溶解度的影響取決于合金的成分l 純鐵和純鐵和Fe-Ni合金，隨著溫度的增加，熔體中氮的溶解度增大合金，隨著溫度的增加，熔體中氮的溶解度增大 . .3939對(duì)于一定合金成分和氮分壓的熔體來(lái)說(shuō)，熔體中氮的溶解度可表示為：對(duì)于一定合金成分和氮分壓的熔體來(lái)說(shuō)，熔體中氮的溶解度可表示為：BTANlg% 其中其中A1883280 fN,1873,當(dāng)當(dāng)fN,1873=-0.057時(shí)，時(shí)，A0；當(dāng)；當(dāng)fN,18730，熔體中氮溶解度隨溫度的增加而減??；當(dāng)，熔體中氮溶解度隨溫度的增加而減??；當(dāng)fN,1873-0.057時(shí)，時(shí)，A0，熔體中氮溶解度隨溫度的增加而增大。熔體中氮溶解度隨溫度的增加而增大。 因此在一定的氮分壓條件下，溫度對(duì)熔體中氮溶解度的影響取決于因此在一定的氮分壓條件下，溫度對(duì)熔