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。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(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼和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(nian)召開(kai)第一(yi)屆高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際(ji)會議(yi)后,相繼在聯邦德(de)國(guo)(guo)、日本、比利(li)時和(he)中國(guo)(guo)等召開(kai)了(le)12屆,各國(guo)(guo)的(de)科(ke)研(yan)人(ren)員就高氮(dan)鋼的(de)研(yan)究與開(kai)發(fa)等議(yi)題進行了(le)深(shen)入的(de)交流與探討。高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際(ji)會議(yi)的(de)連續召開(kai)極大地推動了(le)世界高氮(dan)鋼的(de)發(fa)展,也進一(yi)步加(jia)深(shen)了(le)人(ren)們對(dui)氮(dan)在鋼中作用機(ji)理(li)的(de)認識。
到20世紀80~90年代,高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)制(zhi)備(bei)技術(shu),特別是(shi)加壓(ya)(ya)(ya)冶煉設(she)備(bei)取得(de)了長足的(de)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan),研發(fa)(fa)出加壓(ya)(ya)(ya)等離子電弧熔煉、加壓(ya)(ya)(ya)鋼(gang)(gang)包(bao)氮(dan)(dan)氣吹洗法、加壓(ya)(ya)(ya)感應熔煉等技術(shu)。1980年以(yi)來,德國(guo)Krupp和(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司(si)相繼建成(cheng)了用于工業化生產高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)16t和(he)20t 加壓(ya)(ya)(ya)電渣爐,其壓(ya)(ya)(ya)力(li)可達4.2MPa,主要通(tong)過添加Si3N4等氮(dan)(dan)化合(he)金來完成(cheng)增氮(dan)(dan)任務。利用該技術(shu),德國(guo)VSG公(gong)司(si)分別于1975年、1981年和(he)1996年成(cheng)功研制(zhi)出大型火力(li)發(fa)(fa)電機護(hu)環用鋼(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)環用高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)已在發(fa)(fa)達國(guo)家得(de)到廣泛應用。南(nan)非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司(si)商業化生產了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)種(zhong)在強度、韌性、延(yan)展(zhan)(zhan)性、加工硬(ying)(ying)(ying)化能(neng)力(li)以(yi)及(ji)耐腐蝕(shi)性能(neng)方面表現優異。后來,瑞士的(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)司(si)改進了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制(zhi)了一種(zhong)加工硬(ying)(ying)(ying)化能(neng)力(li)極高(gao),并(bing)具有(you)較高(gao)的(de)硬(ying)(ying)(ying)度、良(liang)好的(de)韌性和(he)優異耐腐蝕(shi)性能(neng)的(de)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)。
隨(sui)著人們對氮(dan)(dan)(dan)(dan)在不銹(xiu)鋼中作用(yong)(yong)機(ji)(ji)制認識的(de)(de)(de)不斷深入(ru),基(ji)于以(yi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)代碳(tan)的(de)(de)(de)合(he)金設計理念,開發(fa)出(chu)一系列(lie)性(xing)(xing)能(neng)優(you)異的(de)(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承鋼及(ji)耐(nai)(nai)蝕塑(su)(su)料(liao)模具(ju)鋼。德國(guo)VSG 公(gong)司采用(yong)(yong)加(jia)壓電(dian)渣(zha)重熔(rong)和精密鍛造技術(shu)開發(fa)出(chu)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)(dan)(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承鋼 Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備強度和硬度高(gao)(gao)、韌性(xing)(xing)好、耐(nai)(nai)腐蝕性(xing)(xing)能(neng)優(you)異和回火穩定(ding)性(xing)(xing)強等特(te)點(dian),其性(xing)(xing)能(neng)明(ming)顯優(you)于目前航空航天領域(yu)的(de)(de)(de)商用(yong)(yong)軸(zhou)(zhou)承鋼(M50和M50NiL等),已應用(yong)(yong)于航天飛(fei)機(ji)(ji)燃料(liao)泵軸(zhou)(zhou)承、遙感衛星控制力矩(ju)陀螺高(gao)(gao)速轉子軸(zhou)(zhou)承、飛(fei)機(ji)(ji)渦輪發(fa)動機(ji)(ji)主軸(zhou)(zhou)承、起落(luo)架滾珠(zhu)絲杠、直升(sheng)機(ji)(ji)旋轉斜盤軸(zhou)(zhou)承等部(bu)件。奧地利B?hler公(gong)司利用(yong)(yong)加(jia)壓電(dian)渣(zha)重熔(rong)工藝,開發(fa)了性(xing)(xing)能(neng)優(you)異的(de)(de)(de)含氮(dan)(dan)(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和M340(0.2%N)耐(nai)(nai)蝕塑(su)(su)料(liao)模具(ju)鋼,其純凈度更高(gao)(gao),組織更均勻細小,同時(shi)具(ju)有(you)極佳的(de)(de)(de)拋光和耐(nai)(nai)腐蝕性(xing)(xing)能(neng)、良好的(de)(de)(de)韌性(xing)(xing)、加(jia)工性(xing)(xing)能(neng)以(yi)及(ji)尺寸(cun)穩定(ding)性(xing)(xing),滿足了高(gao)(gao)端耐(nai)(nai)蝕鏡面塑(su)(su)料(liao)模具(ju)市場需求。
日本(ben)國家材料(liao)研究所于1997年開(kai)(kai)始(shi)進行日本(ben)超級鋼(gang)開(kai)(kai)發計(ji)劃(STX21)中(zhong)的“耐海(hai)水(shui)(shui)腐蝕(shi)不銹(xiu)鋼(gang)的開(kai)(kai)發”工作,利(li)用復合電極的加壓電渣爐在4MPa下(xia)開(kai)(kai)發出(chu)節省資源(yuan)型高性能耐海(hai)水(shui)(shui)腐蝕(shi)高氮不銹(xiu)鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼(gang)種具有(you)(you)極其優異的耐蝕(shi)性,抗拉強度達到1200MPa以上,延(yan)伸率(lv)與SUS 304不銹(xiu)鋼(gang)相當(dang),并且在-196~500℃范圍內(nei)具有(you)(you)同樣的特性。

