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(bu)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(bu)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(ao)氏體不銹鋼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(gao)氮不(bu)銹鋼(gang)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)(kai)第一屆高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會(hui)議后(hou),相繼在聯邦德國(guo)、日本(ben)、比利(li)時和中(zhong)國(guo)等召(zhao)開(kai)(kai)了(le)12屆,各國(guo)的(de)(de)(de)科研(yan)人員(yuan)就高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)研(yan)究與開(kai)(kai)發等議題進行了(le)深入的(de)(de)(de)交流與探討。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會(hui)議的(de)(de)(de)連續召(zhao)開(kai)(kai)極大地推(tui)動了(le)世界高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)發展,也進一步加深了(le)人們對(dui)氮(dan)(dan)(dan)在鋼(gang)中(zhong)作用機理的(de)(de)(de)認(ren)識。


  到(dao)20世紀80~90年(nian)代,高氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)制備技(ji)術(shu)(shu),特別(bie)(bie)是加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)煉(lian)(lian)設(she)備取得(de)了長足的(de)(de)發展,研發出加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)等(deng)離子電弧熔煉(lian)(lian)、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)鋼(gang)(gang)(gang)包氮(dan)氣吹洗法、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)感應熔煉(lian)(lian)等(deng)技(ji)術(shu)(shu)。1980年(nian)以(yi)來(lai)(lai),德國Krupp和(he)(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司(si)(si)相繼(ji)建成(cheng)了用于(yu)工(gong)(gong)業化(hua)生產高氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)16t和(he)(he)20t 加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)電渣爐,其(qi)壓(ya)(ya)力(li)可達4.2MPa,主(zhu)要(yao)通過添(tian)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)化(hua)合金來(lai)(lai)完成(cheng)增氮(dan)任務。利用該技(ji)術(shu)(shu),德國VSG公司(si)(si)分別(bie)(bie)于(yu)1975年(nian)、1981年(nian)和(he)(he)1996年(nian)成(cheng)功研制出大(da)型火力(li)發電機(ji)護(hu)環(huan)用鋼(gang)(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)環(huan)用高氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)已在(zai)發達國家得(de)到(dao)廣(guang)泛應用。南非(fei) Columbus Joint Venture(CJV)公司(si)(si)商業化(hua)生產了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)(gang)種在(zai)強度(du)、韌性(xing)、延(yan)展性(xing)、加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化(hua)能力(li)以(yi)及耐腐蝕性(xing)能方(fang)面表現(xian)優異。后來(lai)(lai),瑞士的(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公司(si)(si)改進(jin)了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了一種加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化(hua)能力(li)極高,并具有(you)較高的(de)(de)硬(ying)度(du)、良好(hao)的(de)(de)韌性(xing)和(he)(he)優異耐腐蝕性(xing)能的(de)(de)高氮(dan)鋼(gang)(gang)(gang)。


  隨著人們對(dui)氮(dan)在不(bu)銹(xiu)鋼(gang)中(zhong)作用機(ji)(ji)制(zhi)認識(shi)的(de)(de)(de)不(bu)斷深入,基于以氮(dan)代碳的(de)(de)(de)合金(jin)設(she)計理(li)念,開發(fa)出一系列性(xing)(xing)能(neng)(neng)優異的(de)(de)(de)高(gao)氮(dan)不(bu)銹(xiu)軸(zhou)(zhou)(zhou)承鋼(gang)及耐蝕(shi)塑料模(mo)具(ju)鋼(gang)。德國VSG 公(gong)司(si)采(cai)用加壓電渣重熔和(he)精(jing)密鍛造技術(shu)開發(fa)出高(gao)氮(dan)不(bu)銹(xiu)軸(zhou)(zhou)(zhou)承鋼(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備(bei)強(qiang)度(du)和(he)硬度(du)高(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)好、耐腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優異和(he)回火(huo)穩定(ding)性(xing)(xing)強(qiang)等特點(dian),其(qi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)明顯優于目(mu)前航空航天領域的(de)(de)(de)商用軸(zhou)(zhou)(zhou)承鋼(gang)(M50和(he)M50NiL等),已應用于航天飛機(ji)(ji)燃料泵軸(zhou)(zhou)(zhou)承、遙感衛星控制(zhi)力矩陀螺高(gao)速轉(zhuan)子軸(zhou)(zhou)(zhou)承、飛機(ji)(ji)渦輪發(fa)動機(ji)(ji)主軸(zhou)(zhou)(zhou)承、起落架滾珠(zhu)絲(si)杠(gang)、直(zhi)升機(ji)(ji)旋轉(zhuan)斜盤軸(zhou)(zhou)(zhou)承等部(bu)件。奧地利(li)(li)B?hler公(gong)司(si)利(li)(li)用加壓電渣重熔工藝,開發(fa)了(le)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優異的(de)(de)(de)含氮(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐蝕(shi)塑料模(mo)具(ju)鋼(gang),其(qi)純(chun)凈度(du)更高(gao),組織更均勻(yun)細小,同(tong)時具(ju)有(you)極佳的(de)(de)(de)拋光和(he)耐腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)、良好的(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)、加工性(xing)(xing)能(neng)(neng)以及尺寸穩定(ding)性(xing)(xing),滿足了(le)高(gao)端耐蝕(shi)鏡面(mian)塑料模(mo)具(ju)市場需(xu)求。


  日(ri)本國家(jia)材料(liao)研究所于1997年開始進(jin)行(xing)日(ri)本超級(ji)鋼(gang)開發計(ji)劃(STX21)中的“耐(nai)(nai)海水腐(fu)蝕不(bu)銹鋼(gang)的開發”工(gong)作,利用(yong)復合電極的加壓電渣(zha)爐在4MPa下開發出節省資源型高性能耐(nai)(nai)海水腐(fu)蝕高氮不(bu)銹鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該(gai)鋼(gang)種(zhong)具(ju)有極其(qi)優異的耐(nai)(nai)蝕性,抗拉強度達到1200MPa以上,延伸率(lv)與(yu)SUS 304不(bu)銹鋼(gang)相當,并且在-196~500℃范圍內具(ju)有同樣的特性。




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