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(gang)。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 系列奧氏體不(bu)銹鋼和雙相不銹(xiu)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(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1988年召(zhao)開(kai)第一屆高氮(dan)鋼(gang)國(guo)際會(hui)議后,相繼在聯邦(bang)德國(guo)、日本、比利時和(he)中(zhong)國(guo)等(deng)召(zhao)開(kai)了(le)(le)12屆,各國(guo)的(de)科(ke)研人(ren)員就高氮(dan)鋼(gang)的(de)研究(jiu)與開(kai)發(fa)等(deng)議題進行了(le)(le)深(shen)入的(de)交流與探(tan)討。高氮(dan)鋼(gang)國(guo)際會(hui)議的(de)連續召(zhao)開(kai)極大(da)地推動了(le)(le)世界(jie)高氮(dan)鋼(gang)的(de)發(fa)展,也進一步加深(shen)了(le)(le)人(ren)們對氮(dan)在鋼(gang)中(zhong)作用機理的(de)認識。
到20世(shi)紀80~90年(nian)代,高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的制備(bei)技(ji)術(shu),特別(bie)是(shi)加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶煉(lian)設備(bei)取得(de)了(le)(le)長(chang)足的發展(zhan),研發出加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)等離(li)子(zi)電弧熔煉(lian)、加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)鋼(gang)包氮(dan)(dan)氣吹(chui)洗法、加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)感應(ying)熔煉(lian)等技(ji)術(shu)。1980年(nian)以(yi)來(lai),德(de)國Krupp和VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司(si)相繼建(jian)成(cheng)了(le)(le)用(yong)(yong)于(yu)工(gong)業化(hua)(hua)(hua)生產高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的16t和20t 加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)電渣爐,其壓(ya)(ya)力(li)可達4.2MPa,主(zhu)要通過(guo)添加(jia)(jia)(jia)Si3N4等氮(dan)(dan)化(hua)(hua)(hua)合金來(lai)完(wan)成(cheng)增氮(dan)(dan)任務(wu)。利(li)用(yong)(yong)該技(ji)術(shu),德(de)國VSG公(gong)司(si)分別(bie)于(yu)1975年(nian)、1981年(nian)和1996年(nian)成(cheng)功研制出大型(xing)火力(li)發電機護環(huan)用(yong)(yong)鋼(gang)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(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)已在(zai)發達國家得(de)到廣(guang)泛應(ying)用(yong)(yong)。南(nan)非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司(si)商(shang)業化(hua)(hua)(hua)生產了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)種在(zai)強度、韌性、延展(zhan)性、加(jia)(jia)(jia)工(gong)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)能力(li)以(yi)及耐腐(fu)蝕性能方面表現(xian)優(you)異。后來(lai),瑞士的Nitrofer AG(NAG)公(gong)司(si)改進了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了(le)(le)一(yi)種加(jia)(jia)(jia)工(gong)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)能力(li)極高(gao),并具有較(jiao)高(gao)的硬(ying)度、良好的韌性和優(you)異耐腐(fu)蝕性能的高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)。
隨著人們對(dui)氮在不銹鋼(gang)(gang)中(zhong)作用(yong)(yong)機制(zhi)(zhi)認識的不斷深入,基于以(yi)氮代碳的合金設計理念,開發出一系(xi)列(lie)性(xing)(xing)能優異的高(gao)氮不銹軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)及耐蝕(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)(ju)(ju)鋼(gang)(gang)。德國VSG 公司采(cai)用(yong)(yong)加(jia)(jia)壓電渣重熔(rong)和(he)精(jing)密(mi)鍛造技術開發出高(gao)氮不銹軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)(ju)(ju)備強(qiang)度(du)和(he)硬度(du)高(gao)、韌性(xing)(xing)好、耐腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能優異和(he)回火穩定(ding)性(xing)(xing)強(qiang)等特點,其性(xing)(xing)能明(ming)顯優于目(mu)前航空航天領域的商(shang)用(yong)(yong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)(M50和(he)M50NiL等),已應用(yong)(yong)于航天飛機燃料(liao)泵(beng)軸(zhou)(zhou)承(cheng)、遙感衛星(xing)控制(zhi)(zhi)力(li)矩陀螺高(gao)速轉(zhuan)子(zi)軸(zhou)(zhou)承(cheng)、飛機渦輪發動機主軸(zhou)(zhou)承(cheng)、起落架滾珠絲杠、直升機旋轉(zhuan)斜盤軸(zhou)(zhou)承(cheng)等部(bu)件。奧地利B?hler公司利用(yong)(yong)加(jia)(jia)壓電渣重熔(rong)工(gong)藝,開發了(le)性(xing)(xing)能優異的含氮M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐蝕(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)(ju)(ju)鋼(gang)(gang),其純凈度(du)更高(gao),組織更均勻細(xi)小,同時(shi)具(ju)(ju)(ju)有極(ji)佳的拋光和(he)耐腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能、良(liang)好的韌性(xing)(xing)、加(jia)(jia)工(gong)性(xing)(xing)能以(yi)及尺(chi)寸穩定(ding)性(xing)(xing),滿足了(le)高(gao)端耐蝕(shi)鏡面塑料(liao)模(mo)具(ju)(ju)(ju)市場需求。
日(ri)本國(guo)家材料研究所于1997年開始進行日(ri)本超(chao)級鋼(gang)(gang)(gang)開發(fa)計劃(STX21)中的(de)“耐(nai)海水腐蝕(shi)不銹鋼(gang)(gang)(gang)的(de)開發(fa)”工作(zuo),利用復合電極(ji)的(de)加壓電渣(zha)爐在(zai)4MPa下開發(fa)出(chu)節省(sheng)資源型高性能耐(nai)海水腐蝕(shi)高氮(dan)不銹鋼(gang)(gang)(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼(gang)(gang)(gang)種(zhong)具(ju)有極(ji)其優異的(de)耐(nai)蝕(shi)性,抗拉強度達到1200MPa以上,延伸率與SUS 304不銹鋼(gang)(gang)(gang)相(xiang)當,并且在(zai)-196~500℃范圍內具(ju)有同樣(yang)的(de)特性。

