由于含氮鋼常常出現時效硬化,氮在鋼中容易出現偏析和氣孔,甚至造成鋼鑄件報廢,而且氮增加了鐵素體鋼的脆性,因此在過去很長一段時間,人們對氮的認識都是負面的。對氮在鋼中的有益影響的認識,開始于20世紀初。1912年Andrew首先發現了氮對力學性能的影響以及氮的奧氏體化能力。1926年Adcodk研究證明氮的加入能夠提高含鉻鋼的強度。之后,Uhlig首先提出氮除了提高強度以外還能提高鋼的耐腐蝕性能。第二次世界大戰期間由于鎳供應嚴重不足,德國人首先研制出以錳、氮代替部分鎳的不銹鋼。20世紀50年代,隨著對含氮合金潛在特性認識的深入和含氮鋼制備技術的發展,尤其氬氧脫碳法(argon-oxygen decarburization,AOD)的出現,含氮不銹鋼在美國變得很流行,開發了含氮的高錳系列奧氏體不銹鋼,即AISI 200系列不銹鋼,其典型成分為18Cr-5Ni-8Mn-0.15N,具有明顯優于304不(bu)銹鋼(gang)的強度和耐腐蝕性能。同時,氮在不銹鋼中作用的研究也不斷深入。60年代之后,氮作為合金元素在AISI 300 系列奧氏體不(bu)銹鋼和雙相(xiang)不銹鋼中得到廣泛應用,逐漸形成許多含氮的不銹鋼品種系列。
然而,上述含氮不銹鋼均未達到“高氮鋼”的氮含量要求。高(gao)氮(dan)不(bu)銹鋼研究開始于20世紀60年代初期,研究人員在實驗室內采用加壓感應爐實驗了多種氮含量的高氮奧氏體鋼。基于加壓下氮在合金中的溶解行為研究,Bezobrazov等、Chipman和Corriganl14建立了氮在合金中的溶解度模型,有力推進了高氮不銹鋼的研發。到60年代后期,氮對力學性能和耐腐蝕性能的影響機理逐步得到了豐富和完善。在1976年美國腐蝕工程師協會(NationalAssociation of Corrosion Engineers,NACE)國際會議上,Osozawa和Okada提出了NH3/NH1形成理論。然而,受當時高氮鋼冶煉技術的限制,氮含量均低于0.6%,高氮鋼并沒有得到廣泛應用。
從(cong)1988年召開第一屆(jie)高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)(hui)議(yi)后,相繼在聯(lian)邦德國(guo)(guo)、日本、比利(li)時和中國(guo)(guo)等(deng)召開了(le)(le)12屆(jie),各國(guo)(guo)的(de)(de)科研(yan)人員就高氮(dan)鋼的(de)(de)研(yan)究與(yu)開發等(deng)議(yi)題(ti)進(jin)行(xing)了(le)(le)深入的(de)(de)交流與(yu)探討(tao)。高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)(hui)議(yi)的(de)(de)連續(xu)召開極(ji)大地推動了(le)(le)世界高氮(dan)鋼的(de)(de)發展,也進(jin)一步(bu)加深了(le)(le)人們對氮(dan)在鋼中作用(yong)機理(li)的(de)(de)認識。
到20世(shi)紀80~90年代(dai),高(gao)(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)制(zhi)備(bei)(bei)技術,特別是(shi)加(jia)壓(ya)冶煉(lian)設備(bei)(bei)取得了(le)(le)長足(zu)的(de)發(fa)展,研(yan)發(fa)出加(jia)壓(ya)等(deng)離子(zi)電弧(hu)熔煉(lian)、加(jia)壓(ya)鋼(gang)(gang)包氮(dan)氣吹洗法(fa)、加(jia)壓(ya)感應熔煉(lian)等(deng)技術。1980年以來,德國Krupp和(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司(si)相(xiang)繼建成(cheng)了(le)(le)用于工業(ye)化生產高(gao)(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)的(de)16t和(he)20t 加(jia)壓(ya)電渣爐,其壓(ya)力(li)(li)可達4.2MPa,主要通過添加(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)化合(he)金來完成(cheng)增氮(dan)任務(wu)。利用該技術,德國VSG公(gong)司(si)分別于1975年、1981年和(he)1996年成(cheng)功(gong)研(yan)制(zhi)出大型火力(li)(li)發(fa)電機護(hu)(hu)環用鋼(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)(hu)環用高(gao)(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)已在發(fa)達國家得到廣(guang)泛應用。南(nan)非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司(si)商(shang)業(ye)化生產了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)種在強度(du)、韌(ren)性(xing)、延展性(xing)、加(jia)工硬化能(neng)(neng)力(li)(li)以及耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)方面(mian)表現優異(yi)。后來,瑞士(shi)的(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)司(si)改進(jin)了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研(yan)制(zhi)了(le)(le)一(yi)種加(jia)工硬化能(neng)(neng)力(li)(li)極高(gao)(gao),并(bing)具有較高(gao)(gao)的(de)硬度(du)、良好的(de)韌(ren)性(xing)和(he)優異(yi)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)的(de)高(gao)(gao)氮(dan)鋼(gang)(gang)。
隨(sui)著人們對氮(dan)在不(bu)銹鋼(gang)中作用(yong)機(ji)(ji)制認識的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷深入,基于(yu)以氮(dan)代碳的(de)(de)(de)(de)合金設計理(li)念,開發出一系列性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)(you)異的(de)(de)(de)(de)高(gao)氮(dan)不(bu)銹軸(zhou)(zhou)承鋼(gang)及耐(nai)(nai)蝕(shi)(shi)塑料(liao)(liao)模具(ju)(ju)鋼(gang)。德(de)國VSG 公司采用(yong)加(jia)壓電(dian)渣重熔和精密鍛造(zao)技術開發出高(gao)氮(dan)不(bu)銹軸(zhou)(zhou)承鋼(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)(ju)備強(qiang)度和硬度高(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)好(hao)、耐(nai)(nai)腐蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)(you)異和回(hui)火穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)強(qiang)等(deng)特(te)點,其(qi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)明顯優(you)(you)于(yu)目前航(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)天(tian)領域(yu)的(de)(de)(de)(de)商用(yong)軸(zhou)(zhou)承鋼(gang)(M50和M50NiL等(deng)),已應(ying)用(yong)于(yu)航(hang)(hang)天(tian)飛(fei)機(ji)(ji)燃料(liao)(liao)泵軸(zhou)(zhou)承、遙感衛星控(kong)制力矩陀螺高(gao)速轉子軸(zhou)(zhou)承、飛(fei)機(ji)(ji)渦輪發動(dong)機(ji)(ji)主(zhu)軸(zhou)(zhou)承、起落架(jia)滾珠絲(si)杠(gang)、直(zhi)升機(ji)(ji)旋轉斜盤軸(zhou)(zhou)承等(deng)部件。奧(ao)地利(li)B?hler公司利(li)用(yong)加(jia)壓電(dian)渣重熔工藝,開發了性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)(you)異的(de)(de)(de)(de)含氮(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和M340(0.2%N)耐(nai)(nai)蝕(shi)(shi)塑料(liao)(liao)模具(ju)(ju)鋼(gang),其(qi)純凈(jing)度更(geng)高(gao),組(zu)織(zhi)更(geng)均勻細(xi)小,同時具(ju)(ju)有極佳(jia)的(de)(de)(de)(de)拋(pao)光和耐(nai)(nai)腐蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)、良好(hao)的(de)(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、加(jia)工性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)以及尺寸穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(xing),滿足(zu)了高(gao)端耐(nai)(nai)蝕(shi)(shi)鏡(jing)面塑料(liao)(liao)模具(ju)(ju)市場需求。
日本國家材料研究所于1997年開始(shi)進(jin)行(xing)日本超級鋼開發(fa)計劃(STX21)中的“耐(nai)海(hai)水(shui)(shui)腐蝕不銹(xiu)鋼的開發(fa)”工(gong)作,利用復合電極(ji)的加壓電渣爐在(zai)4MPa下開發(fa)出節省資源型高性(xing)能耐(nai)海(hai)水(shui)(shui)腐蝕高氮不銹(xiu)鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼種具有(you)(you)極(ji)其優異(yi)的耐(nai)蝕性(xing),抗拉(la)強度達到1200MPa以上(shang),延伸(shen)率與(yu)SUS 304不銹(xiu)鋼相當,并且(qie)在(zai)-196~500℃范圍內具有(you)(you)同樣的特性(xing)。