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(xiu)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不銹鋼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(ti)不(bu)銹鋼(gang)和雙相不銹鋼(gang)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。高氮不銹鋼研究開始于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1988年召(zhao)開第(di)一屆高(gao)氮(dan)鋼國(guo)際會(hui)議后,相(xiang)繼在聯邦德國(guo)、日本、比利時和(he)中國(guo)等(deng)召(zhao)開了(le)12屆,各國(guo)的(de)(de)(de)科研(yan)人員就高(gao)氮(dan)鋼的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)與(yu)開發等(deng)議題進行(xing)了(le)深(shen)入的(de)(de)(de)交流(liu)與(yu)探討。高(gao)氮(dan)鋼國(guo)際會(hui)議的(de)(de)(de)連(lian)續召(zhao)開極大地(di)推動(dong)了(le)世界高(gao)氮(dan)鋼的(de)(de)(de)發展,也進一步加深(shen)了(le)人們對氮(dan)在鋼中作用(yong)機理(li)的(de)(de)(de)認識。
到20世紀80~90年(nian)代,高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的制備(bei)技(ji)(ji)術,特別是加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)(lian)設(she)備(bei)取得了(le)(le)長足的發展,研發出(chu)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)等離(li)子電(dian)弧(hu)熔煉(lian)(lian)、加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)鋼(gang)包氮(dan)(dan)(dan)氣吹(chui)洗法、加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)感應(ying)熔煉(lian)(lian)等技(ji)(ji)術。1980年(nian)以來(lai)(lai),德(de)國(guo)Krupp和VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司(si)(si)(si)(si)相(xiang)繼建(jian)成(cheng)了(le)(le)用于(yu)工(gong)業化(hua)生產高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的16t和20t 加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)電(dian)渣爐,其壓(ya)(ya)力(li)(li)可達4.2MPa,主要(yao)通過添加(jia)(jia)(jia)Si3N4等氮(dan)(dan)(dan)化(hua)合金(jin)來(lai)(lai)完成(cheng)增氮(dan)(dan)(dan)任務(wu)。利用該技(ji)(ji)術,德(de)國(guo)VSG公(gong)司(si)(si)(si)(si)分別于(yu)1975年(nian)、1981年(nian)和1996年(nian)成(cheng)功研制出(chu)大型火力(li)(li)發電(dian)機護環用鋼(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護環用高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)已在(zai)發達國(guo)家得到廣泛應(ying)用。南非(fei) Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司(si)(si)(si)(si)商業化(hua)生產了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此(ci)鋼(gang)種在(zai)強度(du)、韌性、延展性、加(jia)(jia)(jia)工(gong)硬化(hua)能力(li)(li)以及耐腐(fu)蝕(shi)性能方面表現優異(yi)。后來(lai)(lai),瑞士的Nitrofer AG(NAG)公(gong)司(si)(si)(si)(si)改進(jin)了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了(le)(le)一種加(jia)(jia)(jia)工(gong)硬化(hua)能力(li)(li)極高(gao),并具有(you)較高(gao)的硬度(du)、良好的韌性和優異(yi)耐腐(fu)蝕(shi)性能的高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)。
隨著人們對氮(dan)在不(bu)銹鋼中作用(yong)(yong)機制認識(shi)的(de)不(bu)斷深入,基于以氮(dan)代碳的(de)合金設計理(li)念,開發(fa)出一系列性(xing)(xing)能(neng)優異的(de)高(gao)氮(dan)不(bu)銹軸(zhou)承(cheng)(cheng)鋼及耐(nai)蝕(shi)塑(su)料(liao)模(mo)具(ju)(ju)鋼。德國VSG 公司采用(yong)(yong)加壓(ya)電(dian)(dian)渣重(zhong)(zhong)熔和(he)精密鍛(duan)造(zao)技術開發(fa)出高(gao)氮(dan)不(bu)銹軸(zhou)承(cheng)(cheng)鋼 Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)(ju)備強(qiang)(qiang)度(du)和(he)硬度(du)高(gao)、韌性(xing)(xing)好、耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)優異和(he)回火(huo)穩定性(xing)(xing)強(qiang)(qiang)等(deng)特點,其(qi)(qi)性(xing)(xing)能(neng)明顯優于目前(qian)航空(kong)航天(tian)領域(yu)的(de)商用(yong)(yong)軸(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(M50和(he)M50NiL等(deng)),已應用(yong)(yong)于航天(tian)飛機燃(ran)料(liao)泵(beng)軸(zhou)承(cheng)(cheng)、遙感衛星控制力矩陀螺高(gao)速(su)轉(zhuan)子軸(zhou)承(cheng)(cheng)、飛機渦輪發(fa)動(dong)機主(zhu)軸(zhou)承(cheng)(cheng)、起落架(jia)滾珠絲杠、直升機旋轉(zhuan)斜盤(pan)軸(zhou)承(cheng)(cheng)等(deng)部件。奧地利B?hler公司利用(yong)(yong)加壓(ya)電(dian)(dian)渣重(zhong)(zhong)熔工(gong)(gong)藝,開發(fa)了性(xing)(xing)能(neng)優異的(de)含氮(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐(nai)蝕(shi)塑(su)料(liao)模(mo)具(ju)(ju)鋼,其(qi)(qi)純(chun)凈(jing)度(du)更(geng)高(gao),組織(zhi)更(geng)均勻(yun)細小,同時具(ju)(ju)有極(ji)佳的(de)拋光(guang)和(he)耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)、良好的(de)韌性(xing)(xing)、加工(gong)(gong)性(xing)(xing)能(neng)以及尺寸穩定性(xing)(xing),滿足了高(gao)端耐(nai)蝕(shi)鏡面塑(su)料(liao)模(mo)具(ju)(ju)市場需求。
日(ri)本(ben)國家材料研究(jiu)所于1997年開始進行(xing)日(ri)本(ben)超(chao)級鋼開發計劃(STX21)中的(de)“耐海水(shui)腐蝕(shi)不(bu)銹鋼的(de)開發”工作,利用(yong)復合(he)電極(ji)的(de)加壓電渣爐(lu)在4MPa下(xia)開發出節省資源型高性(xing)(xing)能(neng)耐海水(shui)腐蝕(shi)高氮(dan)不(bu)銹鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼種具(ju)有極(ji)其優(you)異的(de)耐蝕(shi)性(xing)(xing),抗拉強(qiang)度達到1200MPa以上,延(yan)伸率(lv)與SUS 304不(bu)銹鋼相當,并且在-196~500℃范(fan)圍內(nei)具(ju)有同樣的(de)特性(xing)(xing)。

