高氮低鎳不銹鋼的國內(nèi)外發(fā)展過程及現(xiàn)狀

  目前廣泛使用的奧氏體不銹鋼主要包括鉻鎳系和鉻錳兩大系列，鉻鎳系列的性能相比鉻錳系列的不銹鋼而言性能更加優(yōu)越，但是匱乏的鎳元素導(dǎo)致鉻鎳系不銹鋼生產(chǎn)成本提高，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到束縛；另外，人體對(duì)含鎳生物不銹鋼存在過敏現(xiàn)象，嚴(yán)重危害身體健康，因此節(jié)鎳、無鎳型醫(yī)用不銹鋼受到廣大學(xué)者的青睞。以氮代鎳資源節(jié)約型高氮鋼是奧氏體不銹鋼中的一種，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在石油、化工、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著更為廣泛的使用前景。

 高氮鋼的定義為：把鐵素體、馬氏體不銹鋼中氮含量大于0.08%的不銹鋼稱之為高氮鋼；對(duì)于含氮奧氏體不銹鋼而言，根據(jù)氮含量的不同可將其分為控氮型、中氮型和高氮型三大類不銹鋼。控氮型不銹鋼的氮含量一般在0.05%～0.10%之間，中氮型不銹鋼的氮含量一般在0.10%～0.40%之間，高氮型不銹鋼的氮含量則一般控制在0.40%以上。從1988年以來，高氮鋼國際會(huì)議在世界各國定期舉行，這一舉動(dòng)為世界各國高氮鋼研究學(xué)者之間進(jìn)行學(xué)術(shù)的相互交流搭建了一個(gè)平臺(tái)，能夠進(jìn)一步加深對(duì)高氮鋼的認(rèn)識(shí)和了解，促進(jìn)高氮鋼在理論和實(shí)踐兩方面的發(fā)展，因此能夠?yàn)橘Y源節(jié)約型不銹鋼的發(fā)展和生產(chǎn)使用提供理論依據(jù)。

一、國外高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

 氮在鋼中極易產(chǎn)生偏析、氣孔、時(shí)效硬化等現(xiàn)象，降低鐵素體不銹鋼的塑性，嚴(yán)重時(shí)甚至造成鋼鑄件報(bào)廢?；谝陨系獙?duì)鋼的不利影響，在過去很長一段時(shí)間對(duì)氮在鋼中的認(rèn)識(shí)都處于停滯不前的狀態(tài)，直到20世紀(jì)初人們才開始對(duì)氮在鋼中的有利影響開始了新的認(rèn)識(shí)。1926年首先發(fā)現(xiàn)了氮的奧氏體化能力和氮對(duì)不銹鋼力學(xué)性能的影響。通過氮對(duì)不銹鋼的影響提出了氮可以提高奧氏體不銹鋼強(qiáng)度的觀點(diǎn)。隨后在基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了氮還可以改善鋼的耐腐蝕性的觀點(diǎn)。二戰(zhàn)期間，為了促進(jìn)不銹鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和解決當(dāng)前鎳資源匱乏的問題，世界各國開始對(duì)不銹鋼的研發(fā)尋找新的出路。德國和美國率先在高氮鋼領(lǐng)域成功的開發(fā)出以錳、氮代鎳的不銹鋼。于此同時(shí)，美國研制出的201、202兩個(gè)含氮高錳系列奧氏體不銹鋼鋼種得到了廣泛的應(yīng)用。以此為基礎(chǔ)，氮元素在AISI300系列奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中也得到更為廣泛的研究和應(yīng)用。瑞典的Avesta公司和美國的Allegheny Ludlum工業(yè)有限公司分別在20世紀(jì)中后期也相繼研究出了氮合金化鉬鋼鋼種254SMo和氮合金化AL6XN鋼鋼種。20世紀(jì)中期，利用加壓感應(yīng)爐設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室冶煉出不同氮含量的高氮奧氏體不銹鋼，才開始對(duì)高氮不銹鋼進(jìn)行研究，直到20世紀(jì)60年代后期，對(duì)高氮奧氏體不銹鋼才開始商業(yè)化的生產(chǎn)。但是高氮鋼的發(fā)展由于受到冶煉技術(shù)的限制，氮含量不超過0.6%，因此高氮鋼在當(dāng)時(shí)并沒有得到廣泛應(yīng)用。

 高氮鋼的制備技術(shù)方面在20世紀(jì)中后期取得了一定進(jìn)步，因此利用改進(jìn)后的加壓冶煉設(shè)備研發(fā)出了一系列含鉻、錳和鉬的高氮不銹鋼。例如德國的VSG公司在1975年首次成功的研制出了大型火力發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)用鋼P(yáng)900，緊接著在1981年研發(fā)出P900-N和1996年研發(fā)出P2000火力發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)用鋼。在發(fā)達(dá)國家，對(duì)高氮不銹鋼在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)上的應(yīng)用受到很高程度的重視，到目前為止已經(jīng)取得了很好的市場(chǎng)，得到了廣泛的應(yīng)用。西德采用增壓電渣重熔工藝，日本采用VOD底吹氮?dú)夤に嚭头畚匆苯鸸に嚕＜永麃啿捎梅磯鸿T造工藝等已經(jīng)成功的開發(fā)出多種新型廉價(jià)高氮鋼種，氮含量高達(dá)l%以上，高氮鋼的發(fā)展以及應(yīng)用又出現(xiàn)了新的高潮[30]，德國、美國、日本在此領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到較高的水平。綜上所述，資源節(jié)約型不銹鋼吸引了國外學(xué)者的關(guān)注并且已經(jīng)對(duì)高氮鋼展開了廣泛的研究，近幾年在高氮鋼的冶煉基礎(chǔ)、性能、應(yīng)用研究等方面又有了新的進(jìn)步且發(fā)展勢(shì)頭很好，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。國內(nèi)高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

二、國內(nèi)高氮低鎳不銹鋼的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

  高氮奧氏體不銹鋼以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能吸引了國內(nèi)外材料和冶金學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)由于受到實(shí)驗(yàn)裝備的限制，直到20世紀(jì)五十年代才開始對(duì)高氮鋼進(jìn)行研究，導(dǎo)致國內(nèi)含氮不銹鋼的研究落后于世界許多國家。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)不銹鋼的需求和性能的要求進(jìn)一步提高，而國內(nèi)有限的鎳資源已經(jīng)不能達(dá)到不銹鋼產(chǎn)業(yè)和不銹鋼消費(fèi)的飛速發(fā)展。那么，在目前對(duì)低鎳或無鎳的資源節(jié)約型不銹鋼的開發(fā)和研究具有實(shí)際意義。

  近年來，把高氮鋼的研究列為重大基礎(chǔ)研究，不僅體現(xiàn)在國家自然科學(xué)基金的支持上，國內(nèi)許多高校、許多大型的鋼鐵企業(yè)也投入了大量的人力物力來開展高氮鋼的組織與性能、疲勞與磨損性能、耐蝕性能、塑性加工性能等研究。北京鋼鐵研究總院在2003年利用真空冶煉技術(shù)成功的研制出塑性保持不變，強(qiáng)度提高2倍且氮含量超過0.7%的高氮鋼。在國家863項(xiàng)目的大力支持之下，中科院金屬所到目前為止已經(jīng)成功的研究出了含氮醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼（Fe-17Cr-14Mn-2Mo-0.46N），并對(duì)該鋼種的力學(xué)性能、腐蝕性能、生物相容性等進(jìn)行了較為全面的研究，結(jié)果證明該鋼種具有更優(yōu)異的力學(xué)性能、腐蝕性能和生物相容性。近幾年我國不銹鋼企業(yè)通過不斷的努力也成功地研制出一種冶煉含氮不銹鋼的工藝—?dú)庀酀B氮法。2005年，湖州久立特鋼股份有限公司采用AOD精煉，同時(shí)吹氧氣、氮?dú)?，加電解錳及氮化合金，冶煉獲得高氮奧氏體不銹鋼，并對(duì)成品進(jìn)行力學(xué)性能和耐腐蝕性能測(cè)試，結(jié)果證明，1Cr22Mn15N高氮奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到565~585 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到920~955 MPa，延伸率達(dá)到54.5%~56.5%，耐腐蝕性能提高。東北大學(xué)和中科院金屬所在2006年強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，共同承擔(dān)了一項(xiàng)國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金“高氮鋼及其作用機(jī)理研究”項(xiàng)目的研究，該項(xiàng)目主要從冶煉設(shè)備、組織和性能三個(gè)大方向著手對(duì)高氮鋼進(jìn)行研究。截至目前為止已經(jīng)能冶煉出氮含量超過1.0%的高氮不銹鋼，其固溶態(tài)屈服強(qiáng)度超過600 MPa，PREN值遠(yuǎn)高于316L等傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼。北京科技大學(xué)采用高能球磨和高溫滲氮結(jié)合的方法研制出了Cr18Mn12MoN無鎳高氮不銹鋼粉末，接著采取冷壓燒結(jié)工藝獲得含氮量為0.79%的無鎳高氮奧氏體不銹鋼材料。含氮鋼已經(jīng)是高水平冶金技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，自從人們對(duì)含氮鋼的性能有了新的認(rèn)識(shí)之后，迄今為止含氮鋼的研制和生產(chǎn)得到了長足的進(jìn)步和發(fā)展。由于國內(nèi)對(duì)高氮鋼的研究起步較晚，再加上早期國內(nèi)高氮鋼的研究與開發(fā)因受到冶煉技術(shù)和設(shè)備的限制，所以在對(duì)高氮鋼的研究中氮含量主要集中在0.4~0.6％之間，一般不超出0.65％。通過對(duì)國內(nèi)外高氮鋼發(fā)展過程的回顧，經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)室冶煉探究，提出了被外界承認(rèn)的高氮鋼的冶煉方法—常壓冶煉。冶金工作者采取在常壓下冶煉高氮奧氏體不銹鋼，主要目的是為了簡(jiǎn)化冶煉工藝、提高冶煉的安全性、降低生產(chǎn)成本，到目前為止，已經(jīng)取得了較為成熟的冶煉工藝，因此冶煉高氮不銹鋼將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。通過展望高氮鋼的應(yīng)用前景發(fā)現(xiàn)高氮不銹鋼具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以預(yù)見高氮不銹鋼在石油、化工、醫(yī)療器械、交通運(yùn)輸、建筑、海洋工程、原子能和軍事工業(yè)等許多領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛應(yīng)用。

三、高氮低鎳不銹鋼發(fā)展中存在的問題

  高氮低鎳不銹鋼是采取以氮代鎳獲得奧氏體組織的節(jié)鎳型不銹鋼材料，它不但可以節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，解決含鎳較高對(duì)人體引起過敏的現(xiàn)象，還可以提高不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。近年來，世界各國冶金工作者在高氮不銹鋼領(lǐng)域開展了較多的研究，也獲得了一些顯著的成就，并開發(fā)出了許多牌號(hào)的高氮鋼鋼種。但基于氮在不銹鋼中的作用機(jī)理，特別是與其它合金元素的微合金化作用、氮對(duì)相變過程的影響等冶金方面基本規(guī)律的研究卻一直未取得進(jìn)步，致使人們對(duì)氮在鋼中和其它合金元素之間的最佳配比和其對(duì)性能的作用規(guī)律很難把握，為了能夠達(dá)到使高氮鋼廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的目的，目前急需從以下問題著手：

 1. 理論研究

  氮在高氮不銹鋼中的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)為固溶強(qiáng)化。氮在常壓或低壓液態(tài)鋼中的溶解度計(jì)算均是借助sivert平方根定律實(shí)現(xiàn)，高壓下sivert平方根定律對(duì)計(jì)算氮的溶解度已經(jīng)不適用。氮在鋼中的固溶度模型對(duì)高氮鋼在凝固過程中氮化物的析出和偏析、氮?dú)馀莸男纬赡酥粮叩摰男阅茴A(yù)測(cè)等有著重要意義，但是對(duì)這些模型需要進(jìn)一步的證實(shí)其正確性，這就需要加強(qiáng)對(duì)氮在高氮不銹鋼中溶解度的理論研究。另外，對(duì)鋼液中含氮合金的熱力學(xué)性質(zhì)也需要進(jìn)一步研究，通過對(duì)高氮合金的熱力學(xué)研究，有利于合理控制高氮合金加入時(shí)間、加入溫度和加入比重，提高合金的收得率。

 2. 應(yīng)用研究

  高氮低鎳節(jié)約型不銹鋼的生產(chǎn)研究已經(jīng)成為一種不可阻擋的趨勢(shì)，雖然高氮鋼的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但是大量的產(chǎn)品出爐就需要加大市場(chǎng)對(duì)高氮低鎳節(jié)約型不銹鋼的需求，進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)大高氮鋼的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域也可以擴(kuò)大對(duì)高氮鋼的市場(chǎng)需求。市場(chǎng)有需求的同時(shí)也需要及時(shí)解決好高氮鋼在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)可能出現(xiàn)的各種問題，比如高氮鋼的可焊性對(duì)其用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)的應(yīng)用和推廣起到至關(guān)重要的作用。普通的含氮不銹鋼按照傳統(tǒng)的焊接方法就已經(jīng)能滿足產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)度的要求，但是對(duì)于高氮鋼而言，由于鋼中含有過飽和的氮，若仍然按照傳統(tǒng)的焊接方法則會(huì)引起氮的逸出、焊接開裂以及晶界處析出氮化物等問題。由于高氮低鎳型不銹鋼跟傳統(tǒng)的高鎳不銹鋼的成分上有很大的區(qū)別，在熱軋過程中體現(xiàn)出熱塑性上的差異，容易出現(xiàn)邊裂。奧氏體不銹鋼的熱塑性與高溫殘留的鐵素體有關(guān)[47,48]，S和P元素在鋼中的含量對(duì)熱裂紋的產(chǎn)生有密切的關(guān)系，對(duì)奧氏體不銹鋼而言，S和P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即使低到0.02%也會(huì)產(chǎn)生裂紋的影響，另外，雜質(zhì)元素在奧氏體不銹鋼中的溶解能力低，在凝固的過程中易產(chǎn)生晶間偏析，這也會(huì)降低奧氏體不銹鋼的熱塑性[49]。高氮鋼選擇不同的處理工藝之后，材料所獲得的性能也不同，因此，為了獲得高氮鋼最佳的材料性能，擴(kuò)大高氮鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)高氮鋼的處理工藝和性能之間的關(guān)系做比較系統(tǒng)的研究必不可少。

3. 新鋼種開發(fā)

 目前，對(duì)高氮奧氏體鋼、鐵素體和馬氏體鋼研究的比較多。對(duì)高氮鋼種的研發(fā)主要體現(xiàn)在根據(jù)對(duì)材料性能的要求合理的設(shè)計(jì)高氮鋼的化學(xué)成分和通過高氮鋼的冶煉之后獲得符合成分要求的高氮鋼兩個(gè)方面。為此，通過對(duì)理論研究和應(yīng)用的研究可以開發(fā)出許多新型的高性能含氮鋼種。