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含氮不锈钢、氮合金钢简介
高氮钢属于不锈钢的一个种类。对一般钢种而言,钢中的氮含量超过一定限度就认为是有害成分,而高氮不锈钢却并非如此。这种特殊材料由于其优异的力学性能及耐蚀性、耐氧化、耐磨损性能,越来越应用地应用于化工、石化、能源、化肥生产、石油天然气、采矿及交通运输等领域。氮资源丰富而价廉,在奥氏体不锈钢中能替代昂贵的镍而保持奥氏体相的稳定。
在20世纪以前,人们怀疑氮在钢中会使钢变脆,并且存在向钢中加氮困难的问题,所以刚开始,在钢中一般不进行氮合金化。氮的有利作用直至20世纪初才被认可,Andrew在19112年首次研究了氮加入钢中的作用,通过这项重要工作,首次在文献中记载了氮对钢力学性能及奥氏体稳定性的重大影响。
20世纪50年代,开始开发氮合金钢的潜在性能及工艺技术。当AOD工艺使氮作为气体代替不同的合金成为可能时,就开始普遍用氮进行不锈钢的合金化。现在氮不仅常用在奥氏体钢中,也用在奥氏体-铁素体双相不锈钢中。用氮和锰的复合合金代替昂贵的镍还具有提高氮溶解度的优点,并且通过这个研究结果标准化了AISI200系列新合金。这类钢的典型成分是18Cr-5Ni-8Mn-0.15N,它比AISI标准中的304牌号的不锈钢具有更高的强度和耐蚀性。现在印度是AISI200系列不锈钢最大的生产者,几乎占全世纪50万t产量的70%。
最近国外又推出了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N和18Cr-18Mn-1Ni-4Mo-0.6N的高氮奥氏体不锈钢,其最明显的特点是集高强度、高韧性、高延展性、良好的加工硬化及耐蚀性于一体,已成功地应用于冶金、煤炭及电力工业材料,在潮湿、高冲击磨擦环境中使用,明显优于其他不锈钢。
在奥氏体不锈钢中氮和碳有许多共同性,如增加奥氏体稳定性,能有效提高钢的冷加工强度等。加适量的氮能在提高钢的强度和耐氧化性能的同时,不降低不锈钢的耐晶间腐蚀性。以氮代碳,开发含氮不锈钢已成为热门话题。
目前,应用的含气温不锈钢在我国新的国家标准中已有36种,占不锈钢总数的1/4,其中奥氏体不锈钢中已有22种,占奥氏体不锈钢总数的1/3,双相不锈钢中的含氮不锈钢已占80%以上,马氏体不锈钢、铁素体不锈钢及沉淀硬化型不锈钢中均有含氮不锈钢。而含氮不锈钢又可分为控氮型、中氮型和高氮型三种。控氮型奥氏体不锈钢是在超低碳(ω(C)=0.02%~0.03%)铬镍奥氏体不锈钢中加入0.05%~0.10%(质量分数)氮,用以提高钢的强度,使之达到含稳定化元素钛的奥氏体不锈钢或普通低碳(ω(C)≤0.08%)奥氏体不锈钢的水平,同时耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀性能优良;中氮型奥氏体不锈钢是ω(N)=0.10%~0.40%,在正常大气压力条件下冶炼和浇注,所得到的氮合金化奥氏体不锈钢(包括铬镍氮、铬锰氮和铬锰镍氮型钢)。我国含氮奥氏体不锈钢基本上属于中氮型奥氏体不锈钢,如022Cr17Ni7N、022Cr19Ni10N、05Cr19Ni10Si2CeN、12Cr17Mn6Ni5N、10Cr17Mn9Ni4N、20Cr15Mn15Ni2N等奥氏体不锈钢的氮含量都在0.10%~0.30%(质量分数)之间,这类钢以耐蚀性为主要目的,同时具有较高的强度;高氮型奥氏体不锈钢的ω(N)>0。40%,该类钢既具有高强度,又具有耐蚀性。目前,国内含氮钢中只有53Cr2M9Ni4N钢中的ω(N)=0.35%~0.50%,基本上达到高氮钢标准。现在ω(N)-=0.8%~1.0%的高氮奥氏体不锈钢已开始工业化生产,并获得了实际应用。
由于高氮合金钢具有较高的强度及良好的耐蚀性,可作为重要的工程材料,因此具有广阔的发展前景。高氮钢的发燕尾服潜力和应用极具吸引力,并且含氮不锈钢的使用和需求已扩大并迅速增长。
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