不銹鋼高氮不銹鋼詳解

不(Bu)銹鋼高氮不(Bu)銹鋼詳解演示文稿第一頁，共四十頁。優(yōu)選不銹鋼(Gang)高氮不銹鋼(Gang)第二頁，共四十頁。不(Bu)銹鋼耐腐蝕機理

Cr與空氣中的O2反應(yīng)生成致密的氧化物保護膜“鈍化膜”，使機體得到保護。鈍化膜1-10nm機體鈍化膜主要成分：Cr2O3（普通Cr系不銹鋼而言）生成鈍化膜條件：%Cr＞12%CrO42-、Cr（OH）、MoO42-（含Mo等元素的不銹鋼體系）第三頁，共四十頁。不銹鋼中碳對其(Qi)耐腐蝕的影響

含碳量較高的不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)（600-950℃），晶界析出Cr23C6鉻從晶粒內(nèi)固溶體中擴充到晶界，因而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。（%Cr＜12%）遠小于抑制Cr23C6生成措施降%C＜0.03%，添加Ni補償添加TiorNb，抑制Cr23C6生成第四頁，共四十頁。不銹鋼(Gang)冶煉熱力學(xué)如何實現(xiàn)“去碳保鉻”2個反應(yīng)的競爭:(1)(2)(3)(4)(5)(6)不銹鋼冶煉工藝流程的演變及發(fā)展趨勢第五頁，共四十頁。去碳保鉻措(Cuo)施ΔGTTfPco=1Pco<1(2)(1)(1)Tf1降低CO分壓VOD和AOD冶煉不銹鋼“去碳保鉻”的理論基礎(chǔ)電弧爐冶煉不銹鋼“去碳保鉻”的理論基礎(chǔ)提高溫度：但耐火材料壽命降低第六頁，共四十頁。不銹(Xiu)鋼冶煉動力學(xué)電爐吹氧的工業(yè)表明，鋼液的脫碳速度可大致分為三個階段：（1）[%C]>0.1時，脫碳速度與碳含量無關(guān)，而僅取決于供氧強度。（2）[%C]=0.05~0.10時，脫碳速度與鋼液碳含量具有線性關(guān)系。（3）[%C]≤0.05時的極低碳區(qū)，脫碳速度與含碳量呈n次方指數(shù)關(guān)系第七頁，共四十頁。不銹鋼鋼種合金元(Yuan)素的作用

Cr

生成鈍化膜，提高耐腐蝕性能

Ni擴大奧氏體，提高抗磨蝕性，高溫韌性提高改善機械性能，可焊性

C

奧氏體穩(wěn)定化元素；易生成Cr23C6，減低耐腐蝕性能

Ti、Nb

消除晶間腐蝕

Mn穩(wěn)定奧氏體，降低耐腐蝕性能（MnS）

Mo、Cu提高某些不銹鋼耐腐蝕性能

N提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能，N和Mo的協(xié)同作用能顯著提高其耐腐蝕性能

稀土元素

主要在于改善工藝性能方面。奧氏體和奧氏體－鐵素體不銹鋼中加0.02~0.5％的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。第八頁，共四十頁。不銹鋼典型分(Fen)類、性能、用途

成分特點磁性主要性能主要用途鐵素體FerriticsCr:11-15%;16-20%；21-30%有導(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、耐點蝕,縫隙腐蝕強度高,冷加工性能好韌性、缺口敏感性、焊接性能差家用電器、廚房設(shè)備、交通運輸、環(huán)保及市政建設(shè)、汽車奧氏體Austenitics18%Cr+8Ni高Cr-Ni系列鋼在18%Cr+8Ni基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素?zé)o韌性和塑性較高，強度低，硬度小，加工性能好，耐晶間腐蝕性能較好，原料成本高石油、化學(xué)、輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中的應(yīng)用雙相鋼DuplexCr18%~28%，Ni3%~10%。含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等元素。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。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點石油、化工、造紙、海洋等領(lǐng)域馬氏體Martensitics12-18%Cr+0.2~1%C+Ni；Mo、Si、Ti、V有保持一定的耐腐蝕性能，具有較高硬度、強度、耐磨性能蒸汽輪機葉片、餐具、外科手術(shù)器械第九頁，共四十頁。不銹鋼的品種發(fā)(Fa)展

超純鐵素體不銹鋼高性能200系列奧氏體不銹鋼高氮不銹鋼抗菌不銹鋼第十頁，共四十頁。高氮不(Bu)銹鋼

高氮鋼是近年來隨著冶金科技的進步出現(xiàn)的一種新型的工程材料。高氮鋼----材料中的實際氮含量超過了在常壓下（0.1MPa）制備材料所能達到的極限值的鋼。含氮奧氏體不銹鋼：控氮型（氮含量0.05%～0.10%）中氮型（氮含量0.10%～0.40%）高氮型（氮含量在0.40%以上）鐵素鐵、馬氏體不銹鋼：氮含量大于0.08%時，便可稱為高氮鋼。N與其它元素(Mn,Cr,V,Nb,Ti等)作用,改善鋼的多種性能:高強度、高韌性、大的蠕變抗力、良好的耐腐蝕性能。高氮不銹鋼成為目前的主要研究熱點，尤其是高氮奧氏體不銹鋼第十一頁，共四十頁。高氮鋼分類、氮含量、主要鋼種(Zhong)及性能

分類[%N]主要鋼種性能特點奧氏體不銹鋼＜1.20～2.80Cr18Mn11NCr18Mn12Si2N0.7Cr25Mn11Si3NCr15Ni4Mo2N室溫強度顯著提高，低溫沖擊韌性明顯改善；持久強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；奧氏體化穩(wěn)定，無磁化化穩(wěn)定；鐵素體不銹鋼0.08～0.60Cr12MoVN高溫蠕變性能改善，蒸汽透平葉片工作溫度提高到873K高速工具鋼＜0.20W6Cr5V2NW5Cr5V2NW2Cr6V2N結(jié)晶組織細??；氮化物彌散分布，不易聚集；熱硬性強，粘著系數(shù)低；熱作模具鋼0.02～0.1655NiCrMoV7N3Cr4Mo2VN30WCrMoVN結(jié)晶組織細??；易加工，強度及韌性改善；工作溫度提高到973K；冷作模具鋼0.05～0.6055CrVMoN工作溫度可提高到773K結(jié)構(gòu)鋼0.05～0.2038CrNi3MoVN韌性改善，冷脆轉(zhuǎn)折溫度明顯下降；第十二頁，共四十頁。高氮不銹鋼力學(xué)性能(Neng)研究大量研究認為，氮可顯著提高不銹鋼的屈服強度和抗拉強度。高氮奧氏體不銹鋼具有高的屈服強度和抗拉強度，其屈服強度和抗拉強度可達到傳統(tǒng)AISI200(美國鋼鐵學(xué)會標準)和300系列不銹鋼的2-4倍以上，且仍能保持較高的斷裂韌性。

第十三頁，共四十頁。氮含量為1.0%的高氮奧氏體不銹(Xiu)鋼晶粒尺寸對其機械性能的影響氮固溶強化奧氏體不銹鋼晶粒大小和強度也完全符合Hall–Petch關(guān)系Speidel等人的研究表明，高氮不銹鋼的強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，且每個晶粒的變形都要受到周圍晶粒的牽制，故多晶體的室溫強度總是隨著晶粒的細化（即晶界總面積的增加）而提高。多晶體屈服強度σs與晶粒平均直徑d之間的關(guān)系可用霍爾-佩奇公式描述：os=σ0+kd-1/2式中σ0、k——與晶體類型有關(guān)的常數(shù)。第十四頁，共四十頁。氮合金化奧氏體不銹鋼韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)(Xian)象DefilippiJD在研究Cr-Mn-N合金體系中首先發(fā)現(xiàn)了氮合金化的奧氏體不銹鋼存在韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。Uggowitzer和Speidel等人發(fā)現(xiàn)，無鎳的高氮Cr-Mn-N奧氏體鋼中存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT），并且其與氮含量有關(guān)。大量的研究者針對不同體系的高氮奧氏體不銹鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象進行了研究，并對其低溫斷裂機理進行了解釋，目前看法尚不統(tǒng)一。

第十五頁，共四十頁。

氮對高氮不(Bu)銹鋼耐點蝕的影響合金成分對奧氏體不銹鋼耐點蝕性能影響氮是提高奧氏體不銹鋼耐點蝕性能最有效元素PREN=1[Cr]+3.3[Mo]+X[N]，X＝13~30奧氏體不銹鋼中合金元素對在Cl-環(huán)境中對點蝕電位的影響

PREN----耐點蝕當量。最常用的并被廣為接受的一種評定系統(tǒng)的數(shù)值評定方法。PREN是以金屬中某些元素的質(zhì)量分數(shù)為基礎(chǔ)計算的一個數(shù)值。第十六頁，共四十頁。氮對高氮奧氏體不銹鋼耐縫隙腐蝕(Shi)性能影響臨界縫隙腐蝕溫度和合金成分的關(guān)系N、Cr、Mo提高了合金的耐縫隙腐蝕的能力，而Mn和Ni降低了合金耐縫隙腐蝕的能力。

N和Mo的協(xié)同作用顯著地提高了高氮鋼耐縫隙腐蝕性能氮和鉬元素對高氮鋼縫隙腐蝕影響

第十七頁，共四十頁。氮對(Dui)高氮不銹鋼晶間腐蝕的影響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N影響敏化處理時Cr23C6的形核和長大，并降低了與Cr23C6平衡Cr的活度。高純奧氏體不銹鋼中，沒有碳化鉻析出，主要因為一方面氮增加了鈍化膜的穩(wěn)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鉻，但由于氮化鉻的析出速度很慢，敏化不會造成晶界貧鉻，對敏化態(tài)晶間腐蝕影響很小。

第十八頁，共四十頁。轉(zhuǎn)子主體與用P900制成的護環(huán)的裝(Zhuang)配情況

鹽霧實驗后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

高氮不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域

第十九頁，共四十頁。合(He)金元素對氮溶解的影響Ti、Zr、V、Nb等元素顯著提高氮溶解度，形成氮化物的趨勢強烈。

Cr顯著提高氮在不銹鋼中的溶解度，形成氮化物的趨勢較Ti、Zr等元素小。Mn在HNS中廣泛用來增加氮的溶解度，較Ni廉價，具有強烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，過高Mn對耐腐蝕性能不利。Ni不銹鋼中重要的合金元素，Ni減小了氮在鋼液中的溶解度，且鎳對人體有過敏反應(yīng)。Mo提高氮在鋼液中的溶解氮，主要作用是提高耐腐蝕性能。顯著提高氮溶液度，強烈形成氮化物元素平衡氮化物形成和氮溶解度元素中性元素強烈降低氮溶解度元素合金元素對鋼液中氮溶解度的影響

第二十頁，共四十頁。溫度對(Dui)氮溶解度的影響溫度和鉻含量對鋼中溶解的影響隨鉻含量增加，氮溶解度顯著增大，溫度對溶解度影響趨勢增大，且隨溫度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Mn、Mo）的鐵基合金中。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。

第二十一頁，共四十頁。氮在高氮不銹(Xiu)鋼凝固過程中的行為研究在凝固過程中由于鋼按L→δ-Fe→γ-Fe順序發(fā)生相變，由于氮在δ-Fe中溶解度很小，在凝固過程中氮在凝固相的前端富集，若鋼液中氮的含量很高，凝固過程中有可能會析出氣泡。

第二十二頁，共四十頁。防止氮(Dan)在凝固過程中析出措施為了防止氣泡析出，必須滿足下列公式：式中：—氮氣泡的形核壓力；—凝固體系上的壓力；—鋼液的靜壓力；—氣泡的表面張力；—氣泡的半徑。防止高氮鋼在凝固過程中氮氣泡的析出：可增加表面活性元素，增大值

；增大體系壓力，即凝固過程在高壓下進行。

第二十三頁，共四十頁。氮在凝固(Gu)過程中析出的相關(guān)研究Feichtinger研究了Fe18Cr18Mn在凝固過程中，氮分壓對氮分配系數(shù)影響。陸利明等探討了對高氮鋼凝固過程及偏析進行了理論計算，為避免氮在凝固過程中氣泡析出的施加的最小壓力進行了計算。但是該計算方法沒有考慮合金元素對氮溶解的影響。M.R.Ridolfi研究了16%~18%Cr高氮奧氏體不銹鋼中氮氣泡的析出行為，調(diào)整鋼液成分可以避免氣泡的生成。氮分壓對氮分配系數(shù)的影響

第二十四頁，共四十頁。高(Gao)氮不銹鋼制備技術(shù)高氮鋼的開發(fā)主要集中在兩個方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計高氮鋼的成分；另一方面是通過制備技術(shù)來得到合乎成分要求的高氮鋼。就高氮鋼制備而言，最關(guān)鍵的問題在于尋找廉價的氮源；在迅速提高氮含量的同時防止氮在高氮鋼凝固過程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布。目前，國外用于制備高氮鋼的方法有：常壓電渣重熔工藝、氮氣加壓熔煉法、粉末冶金法和表面滲氮法。

第二十五頁，共四十頁。氮氣加(Jia)壓熔煉法高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎(chǔ)及其材料性能研究類型發(fā)展現(xiàn)狀氮合金化方式及優(yōu)點缺點熱等靜壓熔煉（HIP）實驗室規(guī)模氣相合金化機體中易形成氮化物沉淀加壓感應(yīng)爐熔煉相對于HIP熔煉方法而言，加壓感應(yīng)爐熔煉高氮鋼的規(guī)模較大氣相合金化氣相－熔體界面的表面積非常小時，難以獲得很高的氮含量。大熔池法（BSB）保加利亞工業(yè)化大規(guī)模，鋼包均采用感應(yīng)加熱，其容量的最小為0.5t，最大為10t氣相合金化鋼水來源廣；生產(chǎn)效率高；電耗低等優(yōu)點工廠更加復(fù)雜；設(shè)備比較昂；需要特殊技能的人去操作，生產(chǎn)成本比較高加壓電渣重熔熔煉（PESR）商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法；德國最大20噸；日本NIMS1臺20kg的實驗用PESR，最大壓力5MPa渣池中添加氮化合金顆粒（德國）；制備復(fù)合電極（日本）氮均勻性存在一定問題；制備復(fù)合電極昂貴；硅超標等問題加壓鋼包氮氣吹洗法Syvazhin對鋼包中1t到300t鋼水底吹氣合金化，氮達到0.5%0-0.9%。Holzgruber提出加壓鋼包中電渣加熱底吹氮氣合金化吹氮提供了一種廉價的合金化方法，溫度和成分均勻分布；氮的控制很容易通過控制壓力來達到；可采用任何普通的鑄造方法加壓等離子電弧熔煉（PARP）Torkhov采用加壓等離子電弧爐獲了25Cr16Ni7Mn0.6N等離子弧滲氮平衡時氮的濃度遠遠大于熱力學(xué)氮飽和濃度電能消耗高；壓力有限；氮分布不均勻改進型等離子加壓熔煉工藝（PPMP）Siwka研究發(fā)現(xiàn)等離子體滲氮時，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1.2MPa；底吹氮氣氮和溫度的均勻化；等離子弧滲氮氣相合金化推廣規(guī)模有限加壓弧渣重容技（PASR）烏克蘭巴頓電焊研究院，工業(yè)化生產(chǎn)的加壓弧渣重熔設(shè)備USh-180，氮氣壓力可達4MPa，可生產(chǎn)5t錠氣相離子氮均勻分布；電耗低；結(jié)晶質(zhì)量好等推廣規(guī)模有限第二十六頁，共四十頁。高氮不銹鋼加壓(Ya)制備技術(shù)氮氣加壓熔煉高氮不銹鋼鋼有兩個基本的機理（1）在氮氣－熔體的界面上發(fā)生反應(yīng)N2＝2N，雙原子氮氣分解成單原子氮，并被熔體吸收；這一類熔煉高氮不銹鋼的方法包括：熱等靜壓熔煉（HIP）、加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣重熔（PESR）、反壓鑄造法。（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。

第二十七頁，共四十頁。熱等(Deng)靜壓熔煉（HIP）和加壓感應(yīng)爐熔煉熱等靜壓熔煉和加壓感應(yīng)爐熔煉是兩種實驗室規(guī)模制備高氮鋼的方法。他們都是通過氣液反應(yīng)提高鋼水氮含量的。

熱等靜壓熔煉爐內(nèi)壓力最大可達200MPa，制備的高氮鋼氮含量可達4%，但在高氮鋼機體中易形成氮化物沉淀

，氮分布均勻性存在問題。圖3采用熱等靜壓法制備高氮不銹鋼的工藝曲線

第二十八頁，共四十頁。加(Jia)壓感應(yīng)爐熔煉Stair-Uocorz利用實驗研究型加壓感應(yīng)熔煉爐研究氮在合金中溶解度行為時，將氮分壓提高到10MPa，制備合金中氮的質(zhì)量分數(shù)最高可達3％以上。

在保加利亞500kg加壓感應(yīng)爐進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%。鋼液滲氮的過程中，氣相－熔體界面的表面積占主導(dǎo)地位，當它非常小時，熔池中鋼液的氮飽和度就不高。

圖450kg加壓感應(yīng)爐設(shè)備示意圖

第二十九頁，共四十頁。加(Jia)壓電渣重熔熔煉（PESR）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）制造復(fù)合電極（日本）。圖7德國加壓電渣爐的設(shè)備示意圖

德國最大加壓電渣爐為20t，熔煉室運行壓力4.2MPa，最大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20ｔ。

日本國家材料研究所（NIMS）在上世紀90年代研制了1臺20kg的實驗用高壓電渣爐實驗裝置，系統(tǒng)最大壓力為5MPa，實際試驗時控制在4MPa。采用此高壓電渣設(shè)備生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達1％以上。

第三十頁，共四十頁。德國16噸和20噸的(De)高壓電渣爐圖片圖816噸高壓電渣爐照片圖920噸高壓電渣爐照片

第三十一頁，共四十頁。加壓等離子電(Dian)弧熔煉（PARP）Torkhov采用加壓等離子電弧爐制備25Cr16Ni7Mn0.6N高氮不銹鋼實驗研究表明，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，熔融金屬暴露于等離子弧中時利用化學(xué)吸附和電場吸附使鋼水增氮，其平衡時氮的濃度遠遠大于熱力學(xué)氮飽和濃度。

存在缺點：1）電能消耗高；2）其壓力僅限在0.45MPa以下；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，從而造成熔池中氮的分布不均勻；4）設(shè)備復(fù)雜昂貴，難以生產(chǎn)板坯，鍛錠和鑄錠。

第三十二頁，共四十頁。高氮不銹鋼冶煉的(De)冶金學(xué)基礎(chǔ)研究高氮不銹鋼的制備

實驗室對高氮不銹鋼的相關(guān)研究第三十三頁，共四十頁。當—壓力對氮活度的作用系數(shù)。氮溶解度與體系(Xi)溫度、氮分壓和合金成分的熱力學(xué)計算模型高氮不銹鋼冶煉的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究-NEU

第三十四頁，共四十頁。模型的驗(