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(xiu)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(gang)和雙相(xiang)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)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)開第一(yi)屆高氮鋼國(guo)際會(hui)議(yi)后,相(xiang)繼在(zai)聯邦德國(guo)、日本、比利時和(he)中國(guo)等召(zhao)開了12屆,各國(guo)的(de)(de)(de)科研人(ren)員就高氮鋼的(de)(de)(de)研究與開發(fa)等議(yi)題進行了深入的(de)(de)(de)交(jiao)流與探討(tao)。高氮鋼國(guo)際會(hui)議(yi)的(de)(de)(de)連續召(zhao)開極大地推(tui)動了世界高氮鋼的(de)(de)(de)發(fa)展,也進一(yi)步加深了人(ren)們對氮在(zai)鋼中作用機理(li)的(de)(de)(de)認識。
到20世(shi)紀80~90年(nian)代(dai),高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)制備技術(shu),特別是加(jia)壓(ya)(ya)(ya)冶煉(lian)設備取(qu)得(de)(de)了(le)長足的(de)(de)發展(zhan),研(yan)發出加(jia)壓(ya)(ya)(ya)等(deng)離子電弧熔煉(lian)、加(jia)壓(ya)(ya)(ya)鋼(gang)(gang)(gang)包氮(dan)(dan)氣吹洗(xi)法、加(jia)壓(ya)(ya)(ya)感應(ying)熔煉(lian)等(deng)技術(shu)。1980年(nian)以(yi)來(lai),德國(guo)Krupp和(he)(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司相繼(ji)建成(cheng)了(le)用(yong)(yong)于工(gong)業(ye)化(hua)(hua)(hua)生產高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)16t和(he)(he)20t 加(jia)壓(ya)(ya)(ya)電渣爐,其壓(ya)(ya)(ya)力可達(da)4.2MPa,主要通過添加(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)(dan)化(hua)(hua)(hua)合(he)金來(lai)完成(cheng)增氮(dan)(dan)任務。利用(yong)(yong)該技術(shu),德國(guo)VSG公(gong)司分別于1975年(nian)、1981年(nian)和(he)(he)1996年(nian)成(cheng)功(gong)研(yan)制出大型火力發電機護環(huan)用(yong)(yong)鋼(gang)(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護環(huan)用(yong)(yong)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)(gang)已在(zai)發達(da)國(guo)家得(de)(de)到廣泛應(ying)用(yong)(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司商業(ye)化(hua)(hua)(hua)生產了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)(gang)種(zhong)在(zai)強度(du)、韌性、延展(zhan)性、加(jia)工(gong)硬化(hua)(hua)(hua)能(neng)力以(yi)及(ji)耐腐(fu)蝕性能(neng)方(fang)面表現優異。后來(lai),瑞(rui)士(shi)的(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)司改進(jin)了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研(yan)制了(le)一種(zhong)加(jia)工(gong)硬化(hua)(hua)(hua)能(neng)力極(ji)高(gao),并(bing)具有(you)較高(gao)的(de)(de)硬度(du)、良(liang)好(hao)的(de)(de)韌性和(he)(he)優異耐腐(fu)蝕性能(neng)的(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)(gang)。
隨(sui)著人們對氮(dan)(dan)在不(bu)銹鋼中作用(yong)機(ji)制(zhi)認識的(de)(de)(de)不(bu)斷深入,基于以氮(dan)(dan)代碳(tan)的(de)(de)(de)合(he)金設計(ji)理念,開發出(chu)一系列(lie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹軸(zhou)承(cheng)鋼及耐(nai)(nai)蝕(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)鋼。德國VSG 公司采用(yong)加壓電渣重熔(rong)(rong)和(he)精密鍛造技術開發出(chu)高(gao)(gao)(gao)(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹軸(zhou)承(cheng)鋼 Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備強度(du)和(he)硬度(du)高(gao)(gao)(gao)(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)好、耐(nai)(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異(yi)和(he)回火穩定(ding)性(xing)(xing)強等特點,其性(xing)(xing)能(neng)(neng)明顯優(you)于目(mu)前航(hang)(hang)(hang)空航(hang)(hang)(hang)天(tian)領(ling)域的(de)(de)(de)商用(yong)軸(zhou)承(cheng)鋼(M50和(he)M50NiL等),已(yi)應用(yong)于航(hang)(hang)(hang)天(tian)飛機(ji)燃料(liao)泵軸(zhou)承(cheng)、遙(yao)感衛星控(kong)制(zhi)力矩陀螺高(gao)(gao)(gao)(gao)速轉(zhuan)子軸(zhou)承(cheng)、飛機(ji)渦輪(lun)發動機(ji)主軸(zhou)承(cheng)、起落架(jia)滾珠(zhu)絲杠、直升機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)斜(xie)盤軸(zhou)承(cheng)等部件。奧地利B?hler公司利用(yong)加壓電渣重熔(rong)(rong)工藝,開發了(le)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)(de)含氮(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐(nai)(nai)蝕(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)鋼,其純凈度(du)更(geng)高(gao)(gao)(gao)(gao),組(zu)織更(geng)均勻細小,同時具(ju)有極佳的(de)(de)(de)拋光和(he)耐(nai)(nai)腐(fu)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(zu)了(le)高(gao)(gao)(gao)(gao)端耐(nai)(nai)蝕(shi)鏡面塑料(liao)模(mo)具(ju)市場需求。
日(ri)本(ben)國家材料研究所于1997年開始進(jin)行日(ri)本(ben)超(chao)級鋼(gang)開發計劃(STX21)中的(de)“耐海水腐蝕不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)的(de)開發”工作,利用復合(he)電極的(de)加壓電渣爐在4MPa下開發出節省資源型高性能耐海水腐蝕高氮不銹(xiu)(xiu)鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼(gang)種具(ju)有極其優(you)異的(de)耐蝕性,抗(kang)拉強(qiang)度達到1200MPa以上,延伸率與SUS 304不銹(xiu)(xiu)鋼(gang)相(xiang)當,并且在-196~500℃范圍內具(ju)有同(tong)樣的(de)特性。