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 系列奧氏體不銹鋼雙相不(bu)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年召開(kai)(kai)第一屆(jie)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)國(guo)際(ji)會議(yi)后,相繼在聯邦德國(guo)、日本、比利時(shi)和(he)中(zhong)國(guo)等召開(kai)(kai)了(le)12屆(jie),各國(guo)的(de)(de)(de)科研人員就高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)研究與(yu)開(kai)(kai)發(fa)等議(yi)題進(jin)(jin)行了(le)深(shen)入的(de)(de)(de)交(jiao)流與(yu)探討。高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)國(guo)際(ji)會議(yi)的(de)(de)(de)連續(xu)召開(kai)(kai)極大地推(tui)動了(le)世界高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)發(fa)展,也(ye)進(jin)(jin)一步加深(shen)了(le)人們(men)對(dui)氮(dan)(dan)在鋼(gang)(gang)中(zhong)作用(yong)機理(li)的(de)(de)(de)認識。


  到20世紀80~90年代,高氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)制備技術(shu),特別是(shi)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)冶煉(lian)設(she)備取得了長足的(de)(de)(de)發(fa)展,研(yan)(yan)發(fa)出加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)等離子電弧熔(rong)煉(lian)、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)鋼(gang)包(bao)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)吹(chui)洗法、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)感應熔(rong)煉(lian)等技術(shu)。1980年以來,德(de)國Krupp和(he)(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司(si)相(xiang)繼(ji)建成(cheng)了用(yong)于工業(ye)化(hua)生產(chan)高氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)16t和(he)(he)20t 加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)電渣爐,其壓(ya)力(li)可達(da)4.2MPa,主要(yao)通過添加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)Si3N4等氮(dan)(dan)(dan)化(hua)合金來完成(cheng)增(zeng)氮(dan)(dan)(dan)任務。利用(yong)該(gai)技術(shu),德(de)國VSG公司(si)分(fen)別于1975年、1981年和(he)(he)1996年成(cheng)功研(yan)(yan)制出大型(xing)火(huo)力(li)發(fa)電機護環(huan)用(yong)鋼(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護環(huan)用(yong)高氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)已在(zai)發(fa)達(da)國家(jia)得到廣(guang)泛應用(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公司(si)商業(ye)化(hua)生產(chan)了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此(ci)鋼(gang)種在(zai)強(qiang)度(du)、韌性、延展性、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工硬(ying)化(hua)能力(li)以及耐(nai)腐蝕性能方面(mian)表現優(you)異。后來,瑞士的(de)(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公司(si)改進了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研(yan)(yan)制了一種加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工硬(ying)化(hua)能力(li)極(ji)高,并(bing)具有(you)較高的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)、良好的(de)(de)(de)韌性和(he)(he)優(you)異耐(nai)腐蝕性能的(de)(de)(de)高氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)。


  隨著人們對氮(dan)(dan)在不(bu)(bu)銹鋼(gang)中作用(yong)機制(zhi)認識的(de)不(bu)(bu)斷(duan)深入(ru),基(ji)于以氮(dan)(dan)代碳的(de)合金設計(ji)理念,開發(fa)(fa)出一系列性(xing)(xing)(xing)(xing)能優(you)異(yi)的(de)高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)(bu)銹軸承鋼(gang)及耐(nai)蝕(shi)(shi)(shi)塑料(liao)(liao)模(mo)具鋼(gang)。德國VSG 公(gong)司采(cai)用(yong)加(jia)壓(ya)電(dian)渣(zha)重熔(rong)和(he)(he)精密鍛造技術(shu)開發(fa)(fa)出高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)(bu)銹軸承鋼(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具備(bei)強度(du)和(he)(he)硬度(du)高(gao)、韌性(xing)(xing)(xing)(xing)好、耐(nai)腐蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)能優(you)異(yi)和(he)(he)回火穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)強等特點(dian),其性(xing)(xing)(xing)(xing)能明(ming)顯(xian)優(you)于目前航空航天領域(yu)的(de)商用(yong)軸承鋼(gang)(M50和(he)(he)M50NiL等),已應用(yong)于航天飛機燃料(liao)(liao)泵軸承、遙感衛星(xing)控制(zhi)力矩陀螺高(gao)速轉子軸承、飛機渦輪發(fa)(fa)動機主(zhu)軸承、起(qi)落架滾(gun)珠絲杠、直升(sheng)機旋轉斜(xie)盤(pan)軸承等部(bu)件。奧地(di)利(li)B?hler公(gong)司利(li)用(yong)加(jia)壓(ya)電(dian)渣(zha)重熔(rong)工藝,開發(fa)(fa)了(le)(le)性(xing)(xing)(xing)(xing)能優(you)異(yi)的(de)含氮(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)(he)M340(0.2%N)耐(nai)蝕(shi)(shi)(shi)塑料(liao)(liao)模(mo)具鋼(gang),其純凈度(du)更高(gao),組織更均勻細小,同時(shi)具有極佳的(de)拋(pao)光(guang)和(he)(he)耐(nai)腐蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)能、良好的(de)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)、加(jia)工性(xing)(xing)(xing)(xing)能以及尺寸穩定性(xing)(xing)(xing)(xing),滿足了(le)(le)高(gao)端(duan)耐(nai)蝕(shi)(shi)(shi)鏡面塑料(liao)(liao)模(mo)具市場需求(qiu)。


  日(ri)本國家(jia)材料研究所于(yu)1997年開始(shi)進行日(ri)本超(chao)級鋼開發計劃(STX21)中的(de)“耐海(hai)水腐蝕不銹鋼的(de)開發”工作,利(li)用復合(he)電極(ji)的(de)加壓電渣爐在4MPa下開發出(chu)節(jie)省資源型高(gao)性(xing)能(neng)耐海(hai)水腐蝕高(gao)氮不銹鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼種具有(you)極(ji)其優(you)異的(de)耐蝕性(xing),抗(kang)拉強(qiang)度達到1200MPa以上,延伸率(lv)與(yu)SUS 304不銹鋼相(xiang)當,并且在-196~500℃范圍(wei)內具有(you)同樣的(de)特性(xing)。




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