節(jié)鎳型不銹鋼的開發(fā)研究

1、節(jié)鎳型不銹鋼的開發(fā)研究我國合金元索傑的供給量逐年減少，在不銹鋼生產(chǎn)中為滿足奧氏體組織的高強度面 心立方體鋼的需要，在aod轉(zhuǎn)爐上使用氮作為代替不同合金進行不銹鋼的合金化。氮不 僅使用在奧氏體鋼中，也應(yīng)用在雙相鋼屮，用氮和猛的復(fù)合合金代替昂貴的鎳述具冇捉 高氮溶解度的優(yōu)點。高強度不銹鋼一般泛指強度高于通用奧氏體銘銀不銹鋼，特別是強度高于雙相不銹 鋼的材料，一般包括沉淀碩化不銹鋼、馬氏體時效不銹鋼和鐵素體時效不銹鋼。沉淀碩 化不銹鋼的強度高，耐蝕性不低于304不銹鋼，但韌性及冷成型性較差。馬氏體時效不 銹鋼的冷熱加工性、低溫韌性以及強韌性配合均較好，但其耐蝕性較差；鐵素體吋效不 銹鋼具有較高的耐蝕

2、性，但強度一般不超過looompao為了在節(jié)約鎳的情況下，開發(fā)高強度的不銹鋼，通常以錨和氮等元素部分或全部替 代牒，因為猛和氮等元素可以部分或全部代替奧氏體不銹鋼中銀，口是最經(jīng)濟方法，而 碳有敏化鋼的趨勢，銅有熱脆性的問題，都不是合適元素。鐳是最有前景的元素，然而 對于鋸含量高于12%的不銹鋼，只加猛不能穩(wěn)定奧氏體，需要兩倍的猛含量才能彌補每 單位的傑含量，這是形成200系列不銹鋼合金成份的基礎(chǔ)。不銹鋼中鐮含量減少相當(dāng)于 鎰含量增加，一般在大氣情況下，生產(chǎn)這樣高銘高鎰鋼，由于鎰對氮的相互作用參數(shù)為 負(fù)值，且作用的同時約需要0.2%的增氮量，這導(dǎo)致了含鋸量12%-18%的不銹鋼產(chǎn)生。1節(jié)鎳型不銹

3、鋼的特點節(jié)銀型不銹鋼主要是指200系列不銹鋼。200系列和400系列也是節(jié)約型、緩解銀 資源短缺的不銹鋼。為降低奧氏體不銹鋼的成本，節(jié)鋅型不銹鋼的開發(fā)受到重視，如用n來部分替代牒, 但n只有在固溶狀態(tài)下才能發(fā)揮其奧氏體穩(wěn)定作用。cr和mo元素可以增加鋼液中n的 固溶度，在得到較高含n量的同時，還可以加入一定數(shù)量的鎰元索。奧氏體不銹鋼按成分可分為cr-ni系和cr-mn-n系兩個系列。300系列（cr-ni系） 不銹鋼是最早開發(fā)的奧氏體不銹鋼，其代表鋼種為304和316,該系列鋼屮含有足夠的 cr和ni元素，通過較高ni元素的加入來獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，這類鋼的特點是在室 溫和低溫卜都具有良好的

4、塑性和韌性、高的彈性模數(shù)、低的熱導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率及良好的可焊接性能和耐腐蝕能力。雖然這類鋼的機械性能比較低，口和鐵素體不銹鋼一 樣不能通過熱處理進行強化，但可以通過冷加工變形的方法，利用加工碩化作用提高它 的強度，這種鋼缺點是對品問腐蝕及應(yīng)力腐蝕比較敏感，需要通過添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?及工藝措施進行消除。這種鋼為了獲得特殊性能，可在鋼液中添加其它元索，如si元 素含量一般在1.3%時，可顯著提高鋼的抗氧化能力。為了提高不銹鋼的層錯能，可在 節(jié)約ni元素的同時，可適當(dāng)添加cu元素；為防止品界貧cr和產(chǎn)生品間腐蝕現(xiàn)彖，在 不銹鋼中添加ti、nb等元素以穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)；為提高鋼的抗點腐蝕能力，可在鋼

5、中添 加一定量的m。元索，這對促進固溶強化作用是十分冇利的。200系列（cr-mn-n 奧氏 體不銹鋼具有高mn、n低ni的特點，是為節(jié)約ni資源而開發(fā)出來的，它的奧氏體化元 素除mn z外述有n,其屮ni含量低于300系列不銹鋼，鋼中mn元素起穩(wěn)定奧氏體的作 用。由丁*是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體的元素，且能起到很好的固溶強化作用，提高了奧 氏體不銹鋼的強度，因此這個系列的不銹鋼，適宜在承受較重負(fù)荷而耐蝕性乂要求不太 高的設(shè)備和部件上使用。節(jié)傑型cr-ni-n系奧氏體不銹鋼因為其具有低傑、低成本的特點而受到廣泛關(guān)注， 但是由于其成份與傳統(tǒng)的cr-ni系奧氏體不銹鋼不同，因此該系列不銹鋼在軋制過程中

6、 容易出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。這種產(chǎn)品質(zhì)量的產(chǎn)生與凝同模式冇關(guān)，奧氏體不銹鋼的凝固模 式主要曲化學(xué)成分決定，同時受冷卻速度的影響。1.1400系列節(jié)鎳型不銹鋼的特性（1）從節(jié)ni角度而言，400系列鐵素體不銹鋼具有耐大氣腐蝕性能，r其加工性 能和耐高溫性能都非常優(yōu)良，完全可以替代304的部分應(yīng)用，應(yīng)該說大量生產(chǎn)和使用鐵 素體型不銹鋼是節(jié)約ni合金、發(fā)展不銹鋼的方向和出路。（2）鐵素體不銹鋼含碳量一般較低在0. 12%以下，含有cr量一般為12%-30%,較 馬氏體的銘含量高，其結(jié)構(gòu)組織基本上是鐵素體，它在加熱到較高溫度時只有一小部分 轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，大部分仍為鐵索體。含銘較高的鋼在加熱過程中一般不發(fā)生

7、相變，鋼中 含縮量越高，則其塑性和耐蝕性就越高，但這種鋼在退火或正火后的組織為鐵素體及少 量的碳化物組成，碳含量越高則其硬度和耐磨性就越高。當(dāng)鐵素體不銹鋼中鉆含量超過 17%吋，會在475°c時發(fā)生脆性、6相脆性及高溫脆性現(xiàn)象。（3）不銹鋼中銘含量為12%-18%和碳含量為0. 1-0. 4%時，其正火后的組織基本上是馬氏體不銹鋼;1.2 200系列節(jié)鎳型不銹鋼特點和性能200系列節(jié)鎳型不銹鋼是以mn、n代替部分ni,部分鋼種屮還加入了少量的cu以 提高鋼的腐蝕性能。對于具有耐蝕性的鋼，要求銘含量最低為12%,所有工業(yè)化生產(chǎn)的 奧氏體鋼銘含量一般為18%。在不銹鋼中鉆含量18%的情況

8、下，生產(chǎn)完全奧氏體鋼要求 最低的謀含量為8%,以18%銘為界限增加或降低銘含量都會影響到昂貴謀含量的增加， 而18%鋸及8%繚成份的鋼是完全的奧氏體鋼，并且由于低溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)的停滯，在室溫 下完全保留了奧氏體組織。200系列不銹鋼的性能特點：1）對于奧氏體不銹鋼，雖然蜩性良好，但變形抗力大，為了便于進行熱加工，就 不得不在熱加工前加熱到較高的溫度，否則在軋制過程屮，將因?qū)挾仍黾?，容易岀現(xiàn)制 耳等缺陷。2）鎰鋼屬于木質(zhì)粗晶粒鋼，木質(zhì)粗晶粒鋼在700-800°c吋晶粒開始長大，但木質(zhì)細 晶粒鋼在930-950°c溫度下尚不足長大，只有在超過這個溫度以后才開始粗化，并隨著 溫度的

9、升高，它的長大趨勢比本質(zhì)粗晶粒還要大。3）對于鋼的品粒粗人，加熱溫度及加熱吋間有著決定性的作用。合金元素有增犬 晶粒長大的傾向，按其影響程度的強弱順序為mn、p和c。減少晶粒長大傾向的元素有 v、ti、ai、zr、w、mo、cr> si和ni,大多數(shù)合金鋼的過熱敏感性都要比碳鋼低。4）奧氏體不銹鋼當(dāng)銘含量低于6-7%時，在冷態(tài)塑性變形過程屮容易發(fā)生因奧氏體 不穩(wěn)定而誘發(fā)的馬氏體轉(zhuǎn)變使鋼碩化。5）奧氏體不銹鋼當(dāng)含碳量大于0.06%時，在溫度為500-600°c時慢冷或長時間加熱 時，容易沿晶界析岀鉆的碳化物。6）不銹鋼在進行焊接時，熱影響區(qū)溫度在600-800°c時最容

10、易產(chǎn)生晶間腐蝕。2合金元素對節(jié)鎳型不銹鋼組織的影響在節(jié)傑型不銹鋼中，一般含有鎔、牒、氮、銅、鎰等主要元索，現(xiàn)對各元索作用分 別說明如下：2.1鉛的影響1）餡是不銹鋼獲得耐腐蝕性能的主要合金元素，對耐蝕性起著決定作用，且對于 氧化性環(huán)境特別有效。鋼中添加鉆后會在鋼的表面形成一種化學(xué)配比為（fe、cr）203的 致密氧化物膜，起到強烈的鈍化作用；鈕又能提高鋼在電介質(zhì)中的電極電位，提高鋼的 點蝕電位值，降低鋼對點蝕的敏感性，當(dāng)cr與mo配合使用時，不銹鋼抗點蝕效果更好。 因此，鋸質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般高于10.5%的鋼就被認(rèn)為在大氣環(huán)境屮是不銹的，但在腐蝕性介 質(zhì)中要形成穩(wěn)定的氧化物還需要更高的銘含量。2）縮

11、是一種鐵素體形成元素，當(dāng)銘含量超過12. 7%時，fe. cr合金變成單一的鐵 素體組織，而在fe.c、c系或fe. cr.ni.c系合金中，增加鋸含量將在奧氏體不銹鋼中 可促使鐵素體的形成和殘留。3）鉆是一種很強的碳化物形成元索，最主要的碳化物是m23c6,其中m主要是鉆。 不銹鋼中能形成cr7c3型碳化物、復(fù)合碳化物和碳氮化物m 13（cn）6等。珞可與氮形成 氮化物，最常見的化合物是cr2no4）餡是形成金屬間化合物的重耍成份，而金屬間化合物有使不銹鋼催化的傾向， 最常見的是§相,在fe.cr系中這是一種在815°c以下形成的（fe、cr）化合物。相可 以在任何一種不

12、銹鋼中形成，但是在高餡奧氏體、鐵素體和雙相不銹鋼中最為普遍。此 外，鉆也存在于x相和laves相金屬間化合物中。5）輅由于在晶格中作為置換原子，因而可以起到固溶強化的作用。但當(dāng)鋼中碳和 氮共存時，較高的含鉆量可使鋼的韌性和塑性急劇變差，因而，高錚含量的鐵素體鋼屮 應(yīng)把碳和氮含量降得較低。2.2鎳的影響銀是擴大奧氏體區(qū)的元素，在不銹鋼中鎳與鉆配合，可獲得單相奧氏體組織，使鋼 具有更好的耐蝕性、良好的成形性能和焊接性能。鎳能使合金表面鈍化，擴大鋼在酸中 的鈍化范圍，但不能改善鋼對稀硝酸的耐蝕性，它能提高不銹鋼抗硫酸、鹽酸等腐蝕介 質(zhì)的性能，是耐蝕鋼的主要合金元素。如果單獨使用鎳作為合金元素，其質(zhì)量

13、分?jǐn)?shù)要高 達24%才能得到完全奧氏體組織，而在低碳高鎔不銹鋼基礎(chǔ)上加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的鐮， 即可獲得耐蝕性、綜合力學(xué)性能較好、室溫下穩(wěn)定的奧氏體組織，既能滿足鋼的耐蝕性 要求，又能捉高鋼的高溫強度和抗氧化性能，成為優(yōu)良綜合性能的鋼種。2.3碳的影響碳是奧氏體形成元素，碳對提高奧氏體鋼耐熱性有重要作用，但碳對不銹鋼的耐蝕 性不利，這是因為碳是一種強烈的碳化物形成元素，在不同溫度下碳與縮能形成多種化 合物如cr23c6. cr7c3. （fecr）23c6等。碳在不銹鋼中大多數(shù)能形成（fecr）23c6混合化 合物及m23c6。在鐵素體不銹鋼或銘銀奧氏體不銹鋼中，若碳在過飽和情況下受到適當(dāng) 溫度加熱

14、，則會發(fā)生碳化物m23c6析出。這些固溶體層的縮碳化合物最容易在品界處生 成。在較高碳含量11鋼中cr<12%時，晶粒邊界就會岀現(xiàn)貧鉆，即減少了晶界上鉆的有 效含量，導(dǎo)致鋼的耐腐蝕性能降低，產(chǎn)生晶間腐蝕。因而碳是降低耐腐蝕性的一種有害 元素，在不銹鋼屮應(yīng)盡量控制碳的含量。2.4猛的影響1）鎰是鋼屮普遍存在的-種元素，在奧氏體不銹鋼屮鎰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1%-2% 范圍內(nèi)，而在鐵素體和馬氏體不銹鋼中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常低于1%。歷史上加入猛是為了 防止鑄造時的熱脆性，這種熱脆性是由于形成了 fe.s低熔點共晶組分而導(dǎo)致產(chǎn)生了凝 固裂紋。因為鎰比鐵更容易與硫結(jié)合，添加足夠的鎰會形成穩(wěn)定的硫化鎰（mn

15、s）,從而 有效地消除熱脆性問題。2）錨與鎳一樣是奧氏體形成元素，mn可以擴大y相區(qū)，使y-q轉(zhuǎn)變線向低溫方向 移動。所以，在低溫吋，鎰可以有效地穩(wěn)定奧氏體，阻止奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但在高 溫時，猛能促使鋼形成奧氏體的能力取決于鋼的總體成份。在奧氏體不銹鋼（如304鋼） 中，相對于鐵素體來說，猛在促使奧氏體形成方面沒有特殊作用。3）有時在一些專門的合金中加入猛是為了增加氮在奧氏體中的溶解度，例如在 fe. 20cr合金鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的犠可以使氮的溶解度從0.25%提高到0.4%左 右。4）在高鎰鋼中，若含碳量過低，會使鋼的耐磨性降低；含碳量過高，又將損壞鋼 的韌性；含鎰量過低，鋼的強

16、度、韌性達不到要求；猛含量過高乂會在加熱時產(chǎn)生縮孔 或裂紋。5）高鎰鋼會產(chǎn)生較大的脆性是i大i為碳化物沿晶界析出，其加熱溫度不能過高，否 則引起奧氏體品粒的長大，同吋加熱速度應(yīng)該緩慢，因為其導(dǎo)熱系數(shù)只有碳鋼的1/3, 而膨脹系數(shù)是碳鋼的2倍，若加熱速度太快，容易使鑄件產(chǎn)生裂紋，其700°c以前應(yīng)緩 慢加熱。高鐳鋼在使用過程中容易產(chǎn)生變形或斷裂，是因為在其加熱的過程中產(chǎn)生了較 多的氧化及脫碳，表面得不到純奧氏體組織，容易產(chǎn)生氣泡或裂紋所致。2.5銅的影響不銹鋼屮銅對氧的親和力小，在生成鐵磷的過程屮，銅會在形成的鐵磷層下富集， 這是由于銅通過滲透進入晶界。這種銅的富集會導(dǎo)致低熔點鐵、銅共

17、晶形成，并導(dǎo)致表 面裂紋的產(chǎn)生。但是當(dāng)珞含量較高時，例如在奧氏體的鈕、牒鋼中，薄而口附著良好的 鐵磷層抑制了銅的這一不利影響。2.6硅的影響硅作為一種不銹鋼的合金元素，由于其含量在4%-5%時大大提高了奧氏體c、ni 不銹鋼耐強酸的抗腐蝕性而顯示出其重要性。在輅和輅的耐熱鋼中，加入1%-3%的si 可以捉高抗氧化性。在奧氏體不銹鋼中硅含量在1%以下時對相平衡沒有什么重要影響, 而更高的硅含量會促使鐵索體形成。當(dāng)硅含量大于5%時，就會岀現(xiàn)了許多脆硬的鐵硅 化合物(fe3si, fe2si, fe5si, fesi),這對不銹鋼是有害的。硅對低熔點相的形成，特別是對焊縫金屈屮熱裂紋的產(chǎn)生也冇重要影

18、響。低鎳奧氏 體不銹鋼組織與凝固模式在si.fc、si.ni和si.cr二元系中，所形成共晶的熔點耍遠 遠低于單個金屬的熔點，尤其是在ni.si系中最為明顯。為此，通常把硅的含量保持在 1%以下。3非金屬元素對節(jié)鎳型不銹鋼組織性能的影響節(jié)謀型不銹鋼中非金屬元素主要是指氮和碳元素的作用。氮和碳原了占據(jù)了面心立 方休的八面體位置，能提供較大的休積。這個位置上間隙導(dǎo)致的變形不改變立方休的對 稱。氮原子半徑比碳原子小，而氮在鐵的面心立方體與碳相比晶格膨脹人、金屬特性強。 晶格的膨脹提高了奧氏體強度。氮排斥碳的這種特殊行為是由于合金屮最外層電子軌道 復(fù)雜的變化所引起的。高氮鋼與碳鋼的主耍區(qū)別：高氮鋼優(yōu)于

19、碳鋼可能與原了、電了水平有關(guān)，氮在奧氏 體的溶解度人于碳，但溶解氮與碳不同，氮可加強局部耐腐蝕能力，氮化物在基體中均 勻分布而不像碳偏向晶界擇優(yōu)分布，并且在氮鋼中沒有脆性相，由于氮原子的存在，提 高了原子間結(jié)合鍵的金屈鍵屈性，而碳原子只是共價鍵。3.1氮在節(jié)鎳型不銹鋼中的作用發(fā)展高氮合金鋼的主要動力在于能提高不銹鋼的力學(xué)性能和耐蝕性，相比一般奧氏 體不銹鋼，高氮不銹鋼可以達到較高的屈服和拉仲強度。不銹鋼通過加氮實現(xiàn)力學(xué)性能 及耐蝕性的改善，并口通過控制氮的加入量影響其它性能，如奧氏體穩(wěn)定性、磁性和熱 膨脹性等，從而擴大了高氮鋼的應(yīng)用領(lǐng)域。200系列節(jié)練型不銹鋼一般都含有氮。鋼中加入氮有很大的好

20、處，氮不僅能提高鋼 的力學(xué)性能，而且還能改善鋼的耐腐蝕性能。因此，在奧氏體不銹鋼中，氮口j以降低傑 的含量，通過氮來提高屈服強度、抗拉強度及蜩性，同吋改善耐蝕點、耐縫隙腐蝕及耐 濟損的性能。一般認(rèn)為，氮在鋼屮含量超過一定量時，就屈于冇害成份，例如在高強度 低合金鋼中，通常氮的含量為50mmg/kg,但是，當(dāng)?shù)窟_到150-200 mg/kg,卻可很 好地改善鋼的力學(xué)性能。由于含氮鋼具有良好的力學(xué)性能及耐蝕性、耐氧化和耐磨性能, 高氮鋼越來越廣泛地應(yīng)用于能源、鋼鐵等領(lǐng)域。在奧氏體不銹鋼(18% cr-9%ni)中，提高ni和mo的含量,可提高鋼的屈服強度。 在抗腐蝕方面，要求盡量減少c的含量，

21、但卻導(dǎo)致鋼的屈服強度降低，而鋼中加人n及 提咼mo的含量口j彌補這一不足。n是最有效的同溶強化元索，mn和cr 口j提咼n在鋼屮 的溶解度，固溶n對奧氏體鋼抗拉強度的影響大于對屈服強度的影響。加n奧氏體不銹 鋼在強度提高的同時，對蜩性和韌性影響卻不大。奧氏體不銹鋼的抗蠕變性能隨氮含量 的增加而提高，其原因是由于彌散強化作用的增強，特別是鋼中含有nb時，生成nb(cn) 彌散強化相。3.1.1氮在節(jié)鎳型不銹鋼中的優(yōu)點在鋼中加入氮，可以非常強烈地形成并穩(wěn)定奧氏體組織且擴大奧氏體相區(qū)，顯著提 高奧氏體不銹鋼的強度而其斷裂韌性并不降低，捉高奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，特別 是耐局部腐蝕，比如晶間腐蝕、點

22、腐蝕和縫隙腐蝕。由于不銹鋼煉鋼條件的限制，在人 氣壓下能加入的氮濃度非常低，因此作用不明顯，不足以引起冶金學(xué)家和材料學(xué)家的重 視。隨著加壓冶金技術(shù)的發(fā)展，氮作為強烈間隙元素，以其廉價、易得等特點再次引起 人們的重視。氮作為合金元素加入不銹鋼中，可提高奧氏體的穩(wěn)定性，平衡雙相鋼中的 雙和比例，并在不影響鋼的塑性和韌性情況下提高鋼的強度，部分代替不銹鋼中的謀。1) 氮是強烈的奧氏體形成和穩(wěn)定元索，在奧氏體不銹鋼屮利用氮來部分取代或與 鐳元素結(jié)合來完全取代貴金屬鐮，可以更加穩(wěn)定奧氏體組織，在顯著提高不銹鋼強度的 同時不損害其延伸性，而且能夠提高不銹鋼的耐局部腐蝕能力（如晶間腐蝕、點腐蝕和 縫隙腐蝕等

23、）。同時，氮在自然界大量存在，成本低廉，正是由于不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量和成 本方面的雙收益，近年來高氮低傑奧氏體不銹鋼的研究已成為材料科學(xué)與工程學(xué)科中一 個十分活躍的前沿領(lǐng)域。2）n對奧氏體不銹鋼抗各種酸腐蝕能力影響微弱且規(guī)律不明顯。n能明顯捉高含cr、 ni、mo、n的奧氏體以及雙相不銹鋼的抗點腐蝕性能。n在提高點蝕發(fā)生臨界溫度方面, 1%的n作用效果與30% cr相當(dāng)。n可提高鋼的點蝕電位,但0. 15-0. 3%的n及3%的mo 綜合作用乂大幅丿旻提咼點蝕電位，口j見mo能提咼含n鋼的抗點蝕能力。3）氮元素可促使不銹鋼形成奧氏體組織。在ni當(dāng)量（表示鋼小奧氏體的形成傾向） 計算中，n當(dāng)量是ni的

24、30倍，因此目前有些鋼種可用廉價的mn、n替代貴重金屬ni, 以獲得奧氏體不銹鋼。4）氮作為固溶強化元素能提高奧氏體不銹鋼強度，但不明顯損害鋼的塑性和韌性。 每加入0. 10%氮可提高鉆傑奧氏體不銹鋼的室溫強度60-100 mp“左右。5）氮可以明顯提高不銹鋼的耐點蝕性能。氮不但能抑制點蝕的發(fā)生，也可減小點 蝕的溶解速度。在一些標(biāo)準(zhǔn)鋼種中，對于殘余氮量，有的進行上限控制，使其達到 0. 05%0.07%水平，提高了實物產(chǎn)品的耐蝕性。6）當(dāng)n含量小于0.16%吋，由于cr2n能抑制cr23c6沿晶界析出，可以提高奧氏 體不銹鋼耐晶界的腐蝕性能。7）氮作為奧氏體形成元素，對雙相不銹鋼有重要作用：（

25、a）在焊接接頭熱影響區(qū)快 速冷卻時，氮促進高溫下形成的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐虻亩螉W氏體，以維持必要的和平衡, 提高接頭的耐蝕性；（b）氮可以提高高氮奧氏休相的耐孔蝕能力，與高珞、鋁的鐵索休 相平衡，并提高材料整體的耐蝕性能；（c）氮能減輕銘、鎳等元素在兩相中的分布差異, 降低選擇腐蝕的傾向性。8）氮含量的影響鋼的氮含量及溫度對晶粒有重要影響。隨含氮量的增加，晶粒尺寸強化作用更加有 效，而高溫下氮的這種作用變小英至消失。加氮后鋼的抗拉強度和屈服強度升高，仲長 率略有降低，這是由于氮的間隙強化、固溶強化造成的。氮作為固溶強化元素可以提高 奧氏體不銹鋼的強度，而冃并不顯著損害鋼的塑性和韌性。氮的強化效應(yīng)

26、比碳強，加入 0. 1%的氮可使cr.ni奧氏體不銹鋼的室溫強度（o , o 0. 2）提高約60-loompa。3.1.2氮在節(jié)鎳型不銹鋼中作用氮在節(jié)繚型不銹鋼中的作用最主要體現(xiàn)在三個方面，即對不銹鋼組織的影響、對不 銹鋼力學(xué)性能的影響和對不銹鋼耐蝕性能的影響。1）氮在不銹鋼中的有利作用不銹鋼中氮合金化的影響是雙重的，氮在不銹鋼中存在有害和有利止反兩方面的作 用。氮像碳一樣以間隙形式強化奧氏體，但不會像碳會導(dǎo)致晶間碳化物的析出，這是在 奧氏體及雙相不銹鋼中應(yīng)用氮做為奧氏體穩(wěn)定劑的原因之一。除此之外，氮還冇其它優(yōu) 點，使得高氮合金的使用比其它合金更為有利，這些優(yōu)點包括：（1）屈服強度、抗拉強

27、度和延展性好；（2）同時具備高強度與高斷裂韌性；（3）較高的應(yīng)變碩化潛力；（4）可 阻止形成誘導(dǎo)馬氏體的產(chǎn)生；（5）低磁導(dǎo)率；（6）良好的耐蝕性能；（7）氮作為合金化 元素，使其成木降低。（8）氮對奧氏體具有穩(wěn)定性作用；（9）氮具有固溶強化作用；（10） 氮具有細化晶粒作用；（11）氮能提高加工碩化系數(shù)；（12）氮能提高耐點蝕性能；（ 氮能提高耐縫隙腐蝕性能；（14）氮是高強度和耐應(yīng)力開裂的必要元素。氮的合金化一般在奧氏體、馬氏體和雙相不銹鋼中起作用。氮在奧氏體鋼中有節(jié)約 繚的附加效益。氮在奧氏體不銹鋼屮的含量范圍為0. 15%-0. 5%,這時氮對自由電子濃度 影響最大，鎳、銅、鋁、硅能提高

28、自由電子濃度，血猛、銘、鉗減少自由電子濃度。2）氮在不銹鋼屮的不利作用（1）在鐵素體不銹鋼中，氮能惡化晶間腐蝕、低溫沖擊韌性、缺口敏感性和焊接 等性能。由于不銹鋼鋼液屮氮的飽和溶解度較大，當(dāng)在冶煉過程屮加入的鋸鐵含氮量又 較高時，很容易造成不銹鋼中氮含量偏高。（2）在奧氏體不銹鋼屮，氮在一定條件下有有害作用。氮會顯著降低奧氏體不銹 鋼的應(yīng)力腐蝕性能，含氮量大丁 0.16%的奧氏體不銹鋼，由于品間析出cr2n |fij對品間 腐蝕不利（相反，n含量小于0.16%時，由于抑制cr23c6沿晶界析出，對晶間腐蝕是 有利的）。（3）氮在含鈦不銹鋼中，由于生成tin夾雜，嚴(yán)重影響成品和坯料表面質(zhì)量。當(dāng)

29、連鑄坯鈦、氮含量分別控制在0.3%和0.012%以下時，可有效地解決鋼的表面質(zhì)量問 題。3）氮對節(jié)銀型不銹鋼耐蝕性的影響一般而言，具有良好抗點蝕能力的不銹鋼也具有良好的抗縫隙腐蝕能力。奧氏體不 銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，如均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕性能，但它能在高溫壞境 中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。氮作為合金元素加人不銹鋼中，可捉高奧氏體穩(wěn)定性、平衡雙相鋼屮相的比例，在 不影響鋼的塑性和韌性情況下提高鋼的強度，并可部分代替不銹鋼中的ni。不銹鋼煉鋼 屮的aod和vod等精煉技術(shù)的應(yīng)用，為生產(chǎn)純凈的含氮超低c奧氏體不銹鋼、雙相不銹 鋼和馬氏體不銹鋼等捉供了先進的生產(chǎn)工藝。氮除了對馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能有

30、影響外，它對不銹鋼的耐蝕性也有一定的影 響。到目前為止，人們對于氮對馬氏體不銹鋼耐蝕性方面的研究已經(jīng)有了一定的進展。 研究發(fā)現(xiàn)，馬氏休不銹鋼屮添加氮可以增強其在一些環(huán)境中的耐腐蝕能力，對其耐腐蝕 性有一定的促進作用。氮改善不銹鋼耐腐蝕性的機理主要是因為：(1)溶解在表面附近的氮可形成nh4+ 離了，使金屬表面點蝕處的ph值提高，局部處表面重新鈍化；(2)由于保護性的氧-氮 化物薄膜的形成和cr、mo元素的偏聚使鈍化層加強；(3)延緩了高cr碳化物在基體中 的形核和(或)長大。4) 氮對節(jié)銀型不銹鋼組織的影響氮是強烈的奧氏體穩(wěn)定化元素。不銹鋼屮加人氮會抑制鋼屮鐵素體相的形成，顯著 降低鐵索體的含

31、量，使奧氏體相更加穩(wěn)定，甚至在劇烈冷加工駛化條件下避免發(fā)生應(yīng)力 而誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。為了獲得完全的無磁性的奧氏體組織，應(yīng)合理選擇各合金元素的成 分配比，但過高的氮含量會造成高氮鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的升高。為了確保鋼的韌性，氮含 量一般不應(yīng)超過1%1.2%。鋼中珞和鑰的加入可以提高鋼的氮溶解度和耐蝕性，而猛 的加入則會明顯提高氮的固溶度。高氮不銹鋼的顯微組織與氮的含量有關(guān)。當(dāng)?shù)砍^奧氏體的同溶極限時就會以 氮化物形式析出，一般認(rèn)為是氮述可以阻礙有害金屈間相及碳化物的析出，其原因是氮 在這些相屮具有低溶解度或能減緩cr. mo原子的擴散。氮提高不銹鋼強度的途徑主要有三種；固溶強化、晶粒尺寸強化和形變硬

32、化。與普 通的ais1304鋼相比，在相同晶粒大小的情況卜：氮的加入明顯提高了鋼的機械抗力。 氮對奧氏體不銹鋼的形變硬化作用也很顯箸，氮的增加會導(dǎo)致滑移平面和形變彎晶增 加，而活躍的滑移面和攣晶層能有效阻止位錯運動和李晶擴展，從而強烈地增大了奧氏 體鋼的形變硬化率。氮對鋼的強化效應(yīng)比碳和其它合金元索更強的原因在于：氮在鋼中以間隙固溶形式 存在，其原子占據(jù)在八面體間隙位置，因此氮原子更易于在固溶體中均勻分布。鐵基和 氮化物之間的界面能小于鐵基和碳化物之間的界面能，所以氮化物更易形成彌散的細小 強化相。氮降低奧氏體屮密排不完全位錯，限制了含間隙雜質(zhì)原子團的位錯運動。3.2氮對節(jié)鎳型不銹鋼性能的影響

33、3.2.1奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼奧氏體不銹鋼具有良好的韌性、抗均勻腐蝕、抗局部腐蝕(點蝕、縫隙等)性能，然 而，奧氏體不銹鋼(如aisi304l,316l)在高溫壞境中，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，此時適 合采用高銀不銹鋼和鐵素體不銹鋼，但用ni合金化的奧氏體不銹鋼成本昂貴，而鐵素 體不銹鋼韌性和厚鋼板焊接性能差。因此介于二種z間(奧氏體和鐵素體不銹鋼)的雙相 不銹鋼被研制岀來，它具冇較好的力學(xué)性能與抗腐蝕性能(包括應(yīng)力腐蝕性能)。雙相不 銹鋼成份范圍寬，可針對不同使用條件進行選材，且價格低廉。近年來，隨著低碳、超 低碳奧氏體不銹鋼、雙相鋼的大量生產(chǎn)，強度不足已成為限制此類鋼使用的主要問題， 如何

34、保證降碳后鋼的強度維持或超過原有的性能指標(biāo)，己成為一個重要課題。雙和不銹鋼的屈服強度大約是不含氮的常用奧氏體不銹鋼的二倍，含n雙和鋼的抗 拉強度700-900mpa,延伸率大于20%。而在雙相不銹鋼中，提高n含量并不總會提高屈 服強度，i大i雙相不銹鋼的屈服強度取決于較軟相的屈服強度。鋼中n含量的增加對雙相鋼的抗腐蝕性能有重耍影響。合金元素mo含量的降低對 腐蝕性能的不利影響可以通過n含量增加來彌補，高n含量的雙相鋼具有良好的抗均勻 腐蝕及局部腐蝕性能。曲于雙相不銹鋼將奧氏體不銹鋼所具冇的優(yōu)良特性和焊接性與鐵索體不銹鋼具冇 的較高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，具有三大顯著特點：一是較高

35、的屈服 強度，二是優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕開裂、品間腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕性能，三是冇較大的經(jīng) 濟效益。因而，雙相不銹鋼近年來已成為國際上不銹鋼鋼種開發(fā)的重點，越來越受到廣 泛重視。由于氮在雙相不銹鋼屮的特殊作用，新一代雙相不銹鋼(超級雙相不銹鋼)成 分設(shè)計上的特點呈現(xiàn)含碳量低(001%-0.02%)、含鋁量高(30%-50%)和含氮量 高(02%-03%)的特點。3.2.2馬氏體不銹鋼對馬氏體鋼強度影響最大的因素是間隙原子含量。隨著間隙原子如c、n含量的增 高，馬氏體的強度增加。c、n原子對馬氏體組織的硬度影響規(guī)律相同，即間隙原子濃度 低時，隨濃度值的升高碩度增高，當(dāng)濃度繼續(xù)升高時，碩度反而降低。（1

36、）氮對馬氏體不銹鋼組織結(jié)構(gòu)的影響氮在馬氏體不銹鋼的有益作用主要有：氮在顯著提高不銹鋼強度（屈服強度、抗拉 強度）的同時，并不降低鋼的塑性和韌性，可以同吋具備高強度和高斷裂韌性，氮也可 以提高不銹鋼的抗蠕變、抗疲勞、耐磨損以及低溫性能等，氮具有強烈抑制脆性相析出 的作用，它捉高了不銹鋼的耐蝕性，主要表現(xiàn)在耐點蝕和縫隙腐蝕方而。氮在馬氏體不銹鋼中以間隙原了形式存在，它與其它元素形成的氮化物分布于晶界 上，能提高鋼的硬化能力，防止高溫冋火時奧氏體和鐵素體晶粒的長大，這對馬氏體不 銹鋼的強度有很大的影響，并隨著間隙原子的含量增加，馬氏體不銹鋼的強度提高。為 了提高馬氏體不銹鋼的耐蝕性和焊接性能，最有效

37、的方法是降低鋼中的碳含量，從而出 現(xiàn)了超低碳含氮馬氏體不銹鋼。氮元素的加入對提高馬氏體不銹鋼的耐蝕性有一定的作 用，尤其是對提高馬氏休不銹鋼的力學(xué)性能作用較為明顯，并且在未來不銹鋼的發(fā)展過 程屮有代替金屬鎳的趨勢。應(yīng)該指出，雖然氮的引入可顯著改善鋼的性能，但并不是氮 含量越高越好，而是存在著最佳含氮量。（2）氮對馬氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響氮在鋼屮的作用除了部分替代金屈銀外，主要是作為固溶強化元素捉高了不銹鋼的 強度，而且并不顯著損害鋼的塑性和韌性，氮元索提高鋼的強度作用比碳及其他合會元 素強，氮減少奧氏體屮密排的不全位，限制了含間隙雜質(zhì)原子團的位錯運動。馬氏體不銹鋼可以通過滲氮處理來捉高英摩擦

38、和磨損性能，但是硬度的捉高會伴隨 著抗腐蝕能力的降低，特別是在高溫環(huán)境下（400°c）。利用離了表面注入改性技術(shù)可以 得到一層高氮層，從而提高表面硬度、耐磨性及抗蝕性。不銹鋼中可能是出于注入的氮 原子位錯作用，從而顯著強化了不銹鋼的表面，提高了表面硬度，該項技術(shù)改變了以往 表面沉積、電鍍、化學(xué)鍍等鍍層與基體結(jié)合力差的問題。4節(jié)鎳型不銹鋼氮合金化的方法雖然氮在不銹鋼屮的有益作用可以增加合金鋼的屈服強度，每增加0.001%氮，可 增加約6mpa的強度，并ii與工藝條件無關(guān)。但是由于氮在馬氏體不銹鋼中的溶解度很 小（1600°c時僅為0.045%）,因此 采用何種方法來得到馬氏體

39、不銹鋼中高的氮含量也 是研究的一個重點。不銹鋼中加氮的方法主要有冶煉過程中的氮合金化和表而滲氮。氮在純?nèi)坭F中的溶解度人約為0. 04%,隨cr. mn含量的提高，氮的溶解度也隨之提 高。由于在鋼屮鎳和氮的相互作用系數(shù)為正值，所以氮在含銀鋼屮的溶解度較低。隨著 溫度的降低，氮在同態(tài)奧氏體相屮溶解度捉高并達到很高值。不銹鋼冶煉屮氮轉(zhuǎn)移到鋼 液中的步驟有：氮從氣相擴散到液態(tài)金屈表面，氮分了在熔融金屬表面吸收，包括氮分 子分解成氮原子的化學(xué)反應(yīng)和氮從界面轉(zhuǎn)移到金屬液體內(nèi)部兩部分。含氮不銹鋼可分為含氮奧氏體不銹鋼和含氮雙相不銹鋼兩大類，在冶煉上的難點之 一是如何精確地控制鋼液屮的氮含量。由于氮合金化可以

40、采取氣相滲氮和加入氮化銘鐵 兩種方式。前者rtr丁生產(chǎn)成本低，得到了不銹鋼生產(chǎn)廠家的重視，但是控制aod過程的 脫氮和吸氮過程是其難點z-,目前主要依靠理論和經(jīng)驗和結(jié)合的辦法來控制。生產(chǎn)高 氮鋼的另一個難點是防止鋼水凝固過程中n的逸出和凝固偏析。更高的氮含量控制要 采用特姝技術(shù)，例如德國曾用高壓屯渣爐生產(chǎn)岀氮含量超過1.0%的不銹鋼。4.1節(jié)鎳型不銹鋼氮合金化生產(chǎn)技術(shù)節(jié)鐮型不銹鋼冶煉過程中的氮合金化是含氮鋼的主要生產(chǎn)方法。不銹鋼的冶煉采用 高壓熔煉實驗方法、加壓屯渣重熔、電渣加熱高壓滲氮、高壓下等離子熔煉和粉術(shù)冶金 等方法。但是，這些冶煉工藝均需要特殊的設(shè)備，生產(chǎn)成本較高。直接采用真空感應(yīng)爐

41、冶煉高氮鋼是一種最近發(fā)展的冶煉方法。采用真空感應(yīng)熔煉不僅金屈在熔煉、熔化、合 金化及澆注均在真空條件下進行，避免了鋼液與大氣的相互作用而污染，而且可以精確 地控制不銹鋼的化學(xué)成分，除去低熔點的有害雜質(zhì)和微量元素，另外強烈的電磁攪拌可 以加快反應(yīng)速度，并使熔池內(nèi)的溫度、成分均勻。冶煉超低氮鋼主要依靠真空技術(shù)，因為真空可以顯著降低氣相中氮的分壓，相應(yīng)降 低鋼液中的溶解氮。氮分壓除與真空度有關(guān)外，還與脫碳速率和底吹氟攪拌強度有關(guān)。 當(dāng)吹氧速率高、脫碳速度大時，產(chǎn)生的co氣泡量大，氣泡中氮分壓低。因而，鋼中氮 含量就低。另一方面，當(dāng)鋼液中co. 1%時，吹氧流量減少，co氣泡量相應(yīng)減少，此 吋脫氮速度

42、主要取決于底吹氮的攪拌強度。在超低氮鋼冶煉時，各工序都要采取相應(yīng)的技術(shù)措施對氮含量進行控制。首先，控 制初煉爐（轉(zhuǎn)爐或電弧爐）在出鋼時的鋼水吸氮。電弧爐采用偏心爐底出鋼，由于出鋼 速度快，鋼水卷入n量少。另一方面，要特別注意在較高氧位下的出鋼。在精煉爐內(nèi)， 特別是真空下，要充分脫氧和脫硫，以提高脫氮效果。另外，噴吹還原性氣體，如碳氫 化物可以促進脫氮。在精煉結(jié)束至澆注完畢的過程中，要加強鋼水保護，特別是澆鑄過 程對鋼水的保護，防止鋼水與空氣接觸，產(chǎn)生增氮現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)資料的介紹，通過對cr和血含量實驗結(jié)果表明：cr含量大于17.8%吋, 凝固模式由大部分液相先析出鐵素體而剩余液相直接析出奧氏體

43、模式傳變?yōu)閒a模式。 cr含量為18.8%時，n含量較低的試樣組織變?yōu)殍F素體和奧氏體各占約50%的雙相鋼, n含量較高的試樣組織仍為奧氏體基體上分布有網(wǎng)狀鐵索體。cr含量大于11%時，mn 由奧氏體化元索轉(zhuǎn)變?yōu)殍F索體化元索，使得凝同模式由液相先析岀鐵索體而剩余液相直 接析出奧氏體模式轉(zhuǎn)變?yōu)閒a模式，較高的血含量增加了固、液界而前沿的成份過冷度。n的性質(zhì)與c相類似，是生成間隙相的主耍元素，這是由于它較小的原子尺寸及電 了層結(jié)構(gòu)所決定的。在奧氏體型不銹鋼中，n絕大部分固溶于奧氏體中，固溶于鐵素體 中的n量很少。在馬氏體中n是重耍間隙元素，對馬氏體相變和性能起決定性作用。n在擴大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體

44、的作用相當(dāng)于ni的25倍左右，在常規(guī)的18-8型奧 氏體不銹鋼中會有少量鐵素體存在，隨著鋼中c含量的降低，鋼中鐵素體量將增加，而 加人n則彌補了降c對組織帶來的不利影響,n的增加在減少鋼屮鐵素體相比例的同時, 對其存在形態(tài)也有較大影響，使鐵索體逐漸曲網(wǎng)狀、長條狀向短棒狀和弧島狀轉(zhuǎn)變，從 而降低了網(wǎng)狀鐵素體對奧氏體鋼強度和蜩性的不良影響。4.2節(jié)鎳型不銹鋼的氮合金化生產(chǎn)工藝高氮鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是提高鋼中氮的溶解度，防止冷凝過程中鋼中氮的逸出，保 證氮在鋼中均勻分布。為此，人們研究并開發(fā)了許多生產(chǎn)方法，大致可分為氮氣加壓熔 煉法和粉末冶金法兩大類。不銹鋼冶煉中氮的溶解度隨氣氛中氮分壓的增加而顯著提

45、高，而ii伴隨溫度的降低 也有一定的提高。因此在較低的冶煉溫度下，向鋼液吹氮有利于增加不銹鋼的氮含量。 在氮分壓為1個大氣壓條件下，即采用純氮吹煉，氮的飽和溶解度可達0.2%左右，此 值止好滿足常見含氮奧氏體不銹鋼對氮含量的耍求。因此，在實際a0d生產(chǎn)中，以氮氣 部分替代氮氣進行吹煉，可以實現(xiàn)低成木生產(chǎn)含氮奧氏體不銹鋼的口標(biāo)。高氮不銹鋼要獲得更高氮含量，可以采用加壓冶煉設(shè)備，使不銹鋼冶煉和凝固在高 壓氮氣氛下進行。在1550°c卜，氮氣壓力± 0. 1 mpa增加到4. 0 mpa時，304不銹鋼氮 的飽和溶解度可達1.348%。因此，采用高壓熔煉技術(shù)叮以生產(chǎn)出氮含量在1.

46、0%以上 的高氮鋼。而降低壓力可以使氮的溶解度顯著降低。在同樣條件下，氮氣壓力從0. impa 減少到100 pa以下時，304不銹鋼氮的飽和溶解度小-f 67. 4ppmo因此，在高真空度情 況下，有可能獲得超低氮不銹鋼。1）氮氣加壓熔煉法不銹鋼煉鋼在常壓下，氮在液相鐵中的溶解度很低（1600°c時僅為0.045%）,這成 為限制高氮鋼生產(chǎn)的一個最大障礙，但該難題可通過高壓熔化和合理設(shè)計合金成分來解 決，因為n在鐵液中的溶解度隨著熔液上氮氣分壓的升高而增加，同時隨合金元索cr、 mn等元素的加入會進一步提高氮的溶解度。氮氣加壓熔煉法中，氮進入熔體的機理有兩種：氮氣在熔體界而發(fā)生n2

47、-2n反 應(yīng)，氣體分子分解后生成的氮原子被吸附進熔體而使鋼液中的n提高；盲接向液態(tài) 渣或熔體中加入固態(tài)的含氮合金或氮化物（如顆粒狀的氮化硅等）。在這兩種情況下， 液態(tài)金屬中氮的濃度由熔體和作用其上的氮氣壓力z間建立的熱力學(xué)平衡來確定。目両 采用加壓熔煉法主要冇加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子爐熔煉、加壓屯渣重熔熔煉和反壓 鑄造法等。采用這些方法可以生產(chǎn)出含氮量在1.0%以上的高氮鋼，但缺點是在不同程 度上存在著設(shè)備復(fù)雜、高壓氣體危險、氮分布不均勻、工藝控制困難和生產(chǎn)成本高等問 題。2）金屬氮化物及其彌散現(xiàn)象不銹鋼冶煉屮n與鋼屮的合金元素的相互作用是v分重要的，主要表現(xiàn)在氮化物的 彌散現(xiàn)象。在奧氏體鋼

48、中存在許多的彌散氮化物，其主要是crn的彌散。"n為立方晶 格結(jié)構(gòu)，在cr. ni含量較高的ais1310中的溶解度要比在ais1304鋼中的溶解度低。 在含有ti和nb的鋼屮，會有tin和nbn形成。在含有nb的a1s1347鋼中，n與nbc 或c與nbn結(jié)合可提高它們在奧氏體中的溶解度，盡管nbn溶解度要比nbc小得多，但 在含nb鋼中，人們也發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜的cr3nb3n crnbn, 一般稱為z相，z相在晶粒邊界 發(fā)生彌散現(xiàn)象，而提高鋼的強度。在奧氏體鋼中，n延緩碳化物m23c6及金屬間化合物 的析出，這可能是由于cryn的析出減少了固溶的cr含量。在雙相鋼中，n延緩了金屬間化合物彌散析出及n的強烈奧氏體穩(wěn)定化作用，對不 銹鋼的相比例平衡和改善焊接性能是很重要的。在含lo的雙相鋼中，很大比