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(ti)不銹鋼和雙相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。高氮(dan)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)(zhao)開(kai)第(di)一(yi)屆(jie)高(gao)(gao)氮鋼(gang)國(guo)際(ji)會(hui)議后,相繼在聯邦德國(guo)、日本、比利(li)時(shi)和中國(guo)等召(zhao)(zhao)開(kai)了(le)(le)12屆(jie),各國(guo)的(de)科(ke)研人員就(jiu)高(gao)(gao)氮鋼(gang)的(de)研究與開(kai)發等議題進(jin)行了(le)(le)深入(ru)的(de)交流與探討。高(gao)(gao)氮鋼(gang)國(guo)際(ji)會(hui)議的(de)連續召(zhao)(zhao)開(kai)極(ji)大地推動了(le)(le)世界(jie)高(gao)(gao)氮鋼(gang)的(de)發展,也進(jin)一(yi)步加深了(le)(le)人們對氮在鋼(gang)中作用機理的(de)認識(shi)。
到(dao)20世紀(ji)80~90年(nian)(nian)代,高氮(dan)(dan)(dan)鋼的(de)制備技術(shu),特別是(shi)加(jia)(jia)壓冶煉(lian)設備取得了(le)(le)長足的(de)發(fa)展(zhan)(zhan),研(yan)發(fa)出加(jia)(jia)壓等(deng)離子電弧熔(rong)煉(lian)、加(jia)(jia)壓鋼包氮(dan)(dan)(dan)氣吹(chui)洗法、加(jia)(jia)壓感應熔(rong)煉(lian)等(deng)技術(shu)。1980年(nian)(nian)以來(lai),德國(guo)Krupp和VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司(si)相繼建(jian)成了(le)(le)用(yong)(yong)于(yu)工(gong)業(ye)化(hua)生(sheng)產高氮(dan)(dan)(dan)鋼的(de)16t和20t 加(jia)(jia)壓電渣爐,其壓力(li)可達4.2MPa,主要通過添加(jia)(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)合金來(lai)完成增氮(dan)(dan)(dan)任務。利(li)用(yong)(yong)該技術(shu),德國(guo)VSG公(gong)司(si)分(fen)別于(yu)1975年(nian)(nian)、1981年(nian)(nian)和1996年(nian)(nian)成功研(yan)制出大型(xing)火(huo)力(li)發(fa)電機護環(huan)用(yong)(yong)鋼P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護環(huan)用(yong)(yong)高氮(dan)(dan)(dan)鋼已在發(fa)達國(guo)家得到(dao)廣泛(fan)應用(yong)(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司(si)商業(ye)化(hua)生(sheng)產了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼種(zhong)在強度、韌性、延展(zhan)(zhan)性、加(jia)(jia)工(gong)硬化(hua)能(neng)力(li)以及耐腐蝕性能(neng)方面表現優異(yi)。后來(lai),瑞士的(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)司(si)改進了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研(yan)制了(le)(le)一種(zhong)加(jia)(jia)工(gong)硬化(hua)能(neng)力(li)極高,并具有(you)較高的(de)硬度、良(liang)好的(de)韌性和優異(yi)耐腐蝕性能(neng)的(de)高氮(dan)(dan)(dan)鋼。
隨(sui)著人們(men)對氮在(zai)不銹鋼(gang)(gang)中作用(yong)機(ji)制認(ren)識的(de)(de)不斷深入,基于(yu)以氮代碳(tan)的(de)(de)合金設計理念(nian),開發(fa)出一系列性(xing)(xing)能(neng)優異(yi)的(de)(de)高(gao)氮不銹軸(zhou)承鋼(gang)(gang)及(ji)耐(nai)蝕(shi)塑料模具鋼(gang)(gang)。德國VSG 公司(si)采用(yong)加(jia)壓電(dian)渣重熔和(he)精(jing)密(mi)鍛造技(ji)術開發(fa)出高(gao)氮不銹軸(zhou)承鋼(gang)(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具備強度和(he)硬度高(gao)、韌性(xing)(xing)好、耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)優異(yi)和(he)回火穩定(ding)性(xing)(xing)強等特點,其性(xing)(xing)能(neng)明顯(xian)優于(yu)目前航空(kong)航天領域的(de)(de)商(shang)用(yong)軸(zhou)承鋼(gang)(gang)(M50和(he)M50NiL等),已應用(yong)于(yu)航天飛機(ji)燃料泵(beng)軸(zhou)承、遙感(gan)衛星控制力矩陀(tuo)螺高(gao)速轉子軸(zhou)承、飛機(ji)渦輪(lun)發(fa)動(dong)機(ji)主(zhu)軸(zhou)承、起落(luo)架滾珠絲(si)杠、直升機(ji)旋轉斜盤(pan)軸(zhou)承等部件。奧地利(li)(li)B?hler公司(si)利(li)(li)用(yong)加(jia)壓電(dian)渣重熔工(gong)藝,開發(fa)了性(xing)(xing)能(neng)優異(yi)的(de)(de)含氮M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐(nai)蝕(shi)塑料模具鋼(gang)(gang),其純凈度更高(gao),組織更均勻細小(xiao),同(tong)時(shi)具有極佳的(de)(de)拋光和(he)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)、良好的(de)(de)韌性(xing)(xing)、加(jia)工(gong)性(xing)(xing)能(neng)以及(ji)尺寸穩定(ding)性(xing)(xing),滿(man)足了高(gao)端耐(nai)蝕(shi)鏡面塑料模具市場需求。
日(ri)本(ben)國家(jia)材(cai)料研究所于(yu)1997年開始進行(xing)日(ri)本(ben)超(chao)級鋼(gang)開發計(ji)劃(STX21)中的“耐(nai)海(hai)水(shui)腐蝕不(bu)銹鋼(gang)的開發”工(gong)作(zuo),利用復(fu)合電極的加壓電渣爐(lu)在4MPa下開發出節(jie)省(sheng)資源(yuan)型高性能(neng)耐(nai)海(hai)水(shui)腐蝕高氮不(bu)銹鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該(gai)鋼(gang)種具(ju)有極其優異(yi)的耐(nai)蝕性,抗拉強度達(da)到1200MPa以上(shang),延伸率(lv)與SUS 304不(bu)銹鋼(gang)相當(dang),并且在-196~500℃范(fan)圍內具(ju)有同樣(yang)的特(te)性。