节镍型不锈钢的开发研究

1、节镍型不锈钢的开发研究我国合金元素镍的供给量逐年减少，在不锈钢生产中为满足奥氏体组织的高强度面心立方体钢的需要，在AOD转炉上使用氮作为代替不同合金进行不锈钢的合金化。氮不仅使用在奥氏体钢中，也应用在双相钢中，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。高强度不锈钢一般泛指强度高于通用奥氏体铬镍不锈钢，特别是强度高于双相不锈钢的材料，一般包括沉淀硬化不锈钢、马氏体时效不锈钢和铁素体时效不锈钢。沉淀硬化不锈钢的强度高，耐蚀性不低于304不锈钢，但韧性及冷成型性较差。马氏体时效不锈钢的冷热加工性、低温韧性以及强韧性配合均较好，但其耐蚀性较差；铁素体时效不锈钢具有较高的耐蚀性，但强度一般

2、不超过1000MPa。为了在节约镍的情况下，开发高强度的不锈钢，通常以锰和氮等元素部分或全部替代镍，因为锰和氮等元素可以部分或全部代替奥氏体不锈钢中镍，且是最经济方法，而碳有敏化钢的趋势，铜有热脆性的问题，都不是合适元素。锰是最有前景的元素，然而对于铬含量高于12%的不锈钢，只加锰不能稳定奥氏体，需要两倍的锰含量才能弥补每单位的镍含量，这是形成200系列不锈钢合金成份的基础。不锈钢中镍含量减少相当于锰含量增加，一般在大气情况下，生产这样高铬高锰钢，由于锰对氮的相互作用参数为负值，且作用的同时约需要0.2%的增氮量，这导致了含铬量12%-18%的不锈钢产生。1节镍型不锈钢的特点节镍型不锈钢主要是

3、指200系列不锈钢。200系列和400系列也是节约型、缓解镍资源短缺的不锈钢。为降低奥氏体不锈钢的成本，节镍型不锈钢的开发受到重视，如用N来部分替代镍，但N只有在固溶状态下才能发挥其奥氏体稳定作用。Cr和Mo元素可以增加钢液中N的固溶度，在得到较高含N量的同时，还可以加入一定数量的锰元素。奥氏体不锈钢按成分可分为Cr-Ni系和Cr-Mn-N系两个系列。300系列(Cr-Ni系)不锈钢是最早开发的奥氏体不锈钢，其代表钢种为304和316，该系列钢中含有足够的Cr和Ni元素，通过较高Ni元素的加入来获得稳定的奥氏体组织，这类钢的特点是在室温和低温下都具有良好的塑性和韧性、高的弹性模数、低的热导率、

4、磁导率和电导率及良好的可焊接性能和耐腐蚀能力。虽然这类钢的机械性能比较低，且和铁素体不锈钢一样不能通过热处理进行强化，但可以通过冷加工变形的方法，利用加工硬化作用提高它的强度，这种钢缺点是对晶问腐蚀及应力腐蚀比较敏感，需要通过添加适当的合金元素及工艺措施进行消除。这种钢为了获得特殊性能，可在钢液中添加其它元素，如Si元素含量一般在1.3时，可显著提高钢的抗氧化能力。为了提高不锈钢的层错能，可在节约Ni元素的同时，可适当添加Cu元素；为防止晶界贫Cr和产生晶间腐蚀现象，在不锈钢中添加Ti、Nb等元素以稳定组织结构；为提高钢的抗点腐蚀能力，可在钢中添加一定量的Mo元素，这对促进固溶强化作用是十分有

5、利的。200系列(Cr-Mn-N系)奥氏体不锈钢具有高Mn、N低Ni的特点，是为节约Ni资源而开发出来的，它的奥氏体化元素除Mn之外还有N，其中Ni含量低于300系列不锈钢，钢中Mn元素起稳定奥氏体的作用。由于N是强烈形成并稳定奥氏体的元素，且能起到很好的固溶强化作用，提高了奥氏体不锈钢的强度，因此这个系列的不锈钢，适宜在承受较重负荷而耐蚀性又要求不太高的设备和部件上使用。节镍型Cr-Ni-N系奥氏体不锈钢因为其具有低镍、低成本的特点而受到广泛关注，但是由于其成份与传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢不同，因此该系列不锈钢在轧制过程中容易出现产品质量问题。这种产品质量的产生与凝固模式有关，奥氏体不锈

6、钢的凝固模式主要由化学成分决定，同时受冷却速度的影响。1.1 400系列节镍型不锈钢的特性（1）从节Ni角度而言，400系列铁素体不锈钢具有耐大气腐蚀性能，且其加工性能和耐高温性能都非常优良，完全可以替代304的部分应用，应该说大量生产和使用铁素体型不锈钢是节约Ni合金、发展不锈钢的方向和出路。（2）铁素体不锈钢含碳量一般较低在0.12%以下，含有Cr量一般为 12%-30%，较马氏体的铬含量高，其结构组织基本上是铁素体，它在加热到较高温度时只有一小部分转变为奥氏体，大部分仍为铁素体。含铬较高的钢在加热过程中一般不发生相变，钢中含铬量越高，则其塑性和耐蚀性就越高，但这种钢在退火或正火后的组织为

7、铁素体及少量的碳化物组成，碳含量越高则其硬度和耐磨性就越高。当铁素体不锈钢中铬含量超过17%时，会在475时发生脆性、相脆性及高温脆性现象。（3）不锈钢中铬含量为12%-18%和碳含量为0.1-0.4%时，其正火后的组织基本上是马氏体不锈钢；1.2 200系列节镍型不锈钢特点和性能200系列节镍型不锈钢是以Mn、N代替部分Ni，部分钢种中还加入了少量的Cu以提高钢的腐蚀性能。对于具有耐蚀性的钢，要求铬含量最低为12%，所有工业化生产的奥氏体钢铬含量一般为18%。在不锈钢中铬含量18%的情况下，生产完全奥氏体钢要求最低的镍含量为8%，以18%铬为界限增加或降低铬含量都会影响到昂贵镍含量的增加，而

8、18%铬及8%镍成份的钢是完全的奥氏体钢，并且由于低温转变动力学的停滞，在室温下完全保留了奥氏体组织。200系列不锈钢的性能特点：1）对于奥氏体不锈钢，虽然塑性良好，但变形抗力大，为了便于进行热加工，就不得不在热加工前加热到较高的温度，否则在轧制过程中，将因宽度增加，容易出现制耳等缺陷。2）锰钢属于本质粗晶粒钢，本质粗晶粒钢在700-800时晶粒开始长大，但本质细晶粒钢在930-950温度下尚不足长大，只有在超过这个温度以后才开始粗化，并随着温度的升高，它的长大趋势比本质粗晶粒还要大。3）对于钢的晶粒粗大，加热温度及加热时间有着决定性的作用。合金元素有增大晶粒长大的倾向，按其影响程度的强弱顺序

9、为Mn、P和C。减少晶粒长大倾向的元素有V、Ti、Ai、Zr、W、Mo、Cr、Si和Ni，大多数合金钢的过热敏感性都要比碳钢低。4）奥氏体不锈钢当铬含量低于6-7%时，在冷态塑性变形过程中容易发生因奥氏体不稳定而诱发的马氏体转变使钢硬化。5）奥氏体不锈钢当含碳量大于0.06%时，在温度为500-600时慢冷或长时间加热时，容易沿晶界析出铬的碳化物。6）不锈钢在进行焊接时，热影响区温度在600-800时最容易产生晶间腐蚀。2 合金元素对节镍型不锈钢组织的影响在节镍型不锈钢中，一般含有铬、镍、氮、铜、锰等主要元素，现对各元素作用分别说明如下：2.1铬的影响1）铬是不锈钢获得耐腐蚀性能的主要合金元素

10、，对耐蚀性起着决定作用，且对于氧化性环境特别有效。钢中添加铬后会在钢的表面形成一种化学配比为(Fe、Cr)2O3的致密氧化物膜，起到强烈的钝化作用；铬又能提高钢在电介质中的电极电位，提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性，当Cr与Mo配合使用时，不锈钢抗点蚀效果更好。因此，铬质量分数一般高于10.5的钢就被认为在大气环境中是不锈的，但在腐蚀性介质中要形成稳定的氧化物还需要更高的铬含量。2）铬是一种铁素体形成元素，当铬含量超过12.7时，Fe.Cr合金变成单一的铁素体组织，而在Fe.C、C系或Fe.Cr.Ni.C系合金中，增加铬含量将在奥氏体不锈钢中可促使铁素体的形成和残留。3）铬是一种很强的

11、碳化物形成元素，最主要的碳化物是M23C6，其中M主要是铬。不锈钢中能形成Cr7C3型碳化物、复合碳化物和碳氮化物M13(CN)6等。铬可与氮形成氮化物，最常见的化合物是Cr2N。4）铬是形成金属间化合物的重要成份，而金属间化合物有使不锈钢催化的倾向，最常见的是相，在Fe.Cr系中这是一种在815以下形成的(Fe、Cr)化合物。相可以在任何一种不锈钢中形成，但是在高铬奥氏体、铁素体和双相不锈钢中最为普遍。此外，铬也存在于相和Laves相金属间化合物中。5）铬由于在晶格中作为置换原子，因而可以起到固溶强化的作用。但当钢中碳和氮共存时，较高的含铬量可使钢的韧性和塑性急剧变差，因而，高铬含量的铁素体

12、钢中应把碳和氮含量降得较低。2.2镍的影响镍是扩大奥氏体区的元素，在不锈钢中镍与铬配合，可获得单相奥氏体组织，使钢具有更好的耐蚀性、良好的成形性能和焊接性能。镍能使合金表面钝化，扩大钢在酸中的钝化范围，但不能改善钢对稀硝酸的耐蚀性，它能提高不锈钢抗硫酸、盐酸等腐蚀介质的性能，是耐蚀钢的主要合金元素。如果单独使用镍作为合金元素，其质量分数要高达24才能得到完全奥氏体组织，而在低碳高铬不锈钢基础上加入质量分数9的镍，即可获得耐蚀性、综合力学性能较好、室温下稳定的奥氏体组织，既能满足钢的耐蚀性要求，又能提高钢的高温强度和抗氧化性能，成为优良综合性能的钢种。2.3碳的影响碳是奥氏体形成元素，碳对提高奥

13、氏体钢耐热性有重要作用，但碳对不锈钢的耐蚀性不利，这是因为碳是一种强烈的碳化物形成元素，在不同温度下碳与铬能形成多种化合物如Cr23C6、Cr7C3、(FeCr)23C6等。碳在不锈钢中大多数能形成(FeCr)23C6混合化合物及M23C6。在铁素体不锈钢或铬镍奥氏体不锈钢中，若碳在过饱和情况下受到适当温度加热，则会发生碳化物M23C6析出。这些固溶体层的铬碳化合物最容易在晶界处生成。在较高碳含量且钢中Cr<12时，晶粒边界就会出现贫铬，即减少了晶界上铬的有效含量，导致钢的耐腐蚀性能降低，产生晶间腐蚀。因而碳是降低耐腐蚀性的一种有害元素，在不锈钢中应尽量控制碳的含量。2.4锰的影响1）锰

14、是钢中普遍存在的一种元素，在奥氏体不锈钢中锰的质量分数一般在1-2范围内，而在铁素体和马氏体不锈钢中其质量分数通常低于1。历史上加入锰是为了防止铸造时的热脆性，这种热脆性是由于形成了Fe.S低熔点共晶组分而导致产生了凝固裂纹。因为锰比铁更容易与硫结合，添加足够的锰会形成稳定的硫化锰(MnS)，从而有效地消除热脆性问题。2）锰与镍一样是奥氏体形成元素，Mn可以扩大相区，使-转变线向低温方向移动。所以，在低温时，锰可以有效地稳定奥氏体，阻止奥氏体转变为马氏体，但在高温时，锰能促使钢形成奥氏体的能力取决于钢的总体成份。在奥氏体不锈钢（如304钢）中，相对于铁素体来说，锰在促使奥氏体形成方面没有特殊作

15、用。3）有时在一些专门的合金中加入锰是为了增加氮在奥氏体中的溶解度，例如在Fe.20Cr合金钢中加入质量分数为15的锰可以使氮的溶解度从O.25提高到0.4左右。4）在高锰钢中，若含碳量过低，会使钢的耐磨性降低；含碳量过高，又将损坏钢的韧性；含锰量过低，钢的强度、韧性达不到要求；锰含量过高又会在加热时产生缩孔或裂纹。5）高锰钢会产生较大的脆性是因为碳化物沿晶界析出，其加热温度不能过高，否则引起奥氏体晶粒的长大，同时加热速度应该缓慢，因为其导热系数只有碳钢的1/3，而膨胀系数是碳钢的2倍，若加热速度太快，容易使铸件产生裂纹，其700以前应缓慢加热。高锰钢在使用过程中容易产生变形或断裂，是因为在其

16、加热的过程中产生了较多的氧化及脱碳，表面得不到纯奥氏体组织，容易产生气泡或裂纹所致。2.5铜的影响不锈钢中铜对氧的亲和力小，在生成铁磷的过程中，铜会在形成的铁磷层下富集，这是由于铜通过渗透进入晶界。这种铜的富集会导致低熔点铁、铜共晶形成，并导致表面裂纹的产生。但是当铬含量较高时，例如在奥氏体的铬、镍钢中，薄而且附着良好的铁磷层抑制了铜的这一不利影响。2.6硅的影响硅作为一种不锈钢的合金元素，由于其含量在4-5时大大提高了奥氏体C、Ni不锈钢耐强酸的抗腐蚀性而显示出其重要性。在铬和铬的耐热钢中，加入l-3的Si可以提高抗氧化性。在奥氏体不锈钢中硅含量在1以下时对相平衡没有什么重要影响，而更高的硅

17、含量会促使铁素体形成。当硅含量大于5时，就会出现了许多脆硬的铁硅化合物(Fe3Si，Fe2Si，Fe5Si，FeSi)，这对不锈钢是有害的。硅对低熔点相的形成，特别是对焊缝金属中热裂纹的产生也有重要影响。低镍奥氏体不锈钢组织与凝固模式在Si.Fe、Si.Ni和Si.Cr二元系中，所形成共晶的熔点要远远低于单个金属的熔点，尤其是在Ni.Si系中最为明显。为此，通常把硅的含量保持在1以下。3 非金属元素对节镍型不锈钢组织性能的影响节镍型不锈钢中非金属元素主要是指氮和碳元素的作用。氮和碳原子占据了面心立方体的八面体位置，能提供较大的体积。这个位置上间隙导致的变形不改变立方体的对称。氮原子半径比碳原子

18、小，而氮在铁的面心立方体与碳相比晶格膨胀大、金属特性强。晶格的膨胀提高了奥氏体强度。氮排斥碳的这种特殊行为是由于合金中最外层电子轨道复杂的变化所引起的。高氮钢与碳钢的主要区别：高氮钢优于碳钢可能与原子、电子水平有关，氮在奥氏体的溶解度大于碳，但溶解氮与碳不同，氮可加强局部耐腐蚀能力，氮化物在基体中均匀分布而不像碳偏向晶界择优分布，并且在氮钢中没有脆性相，由于氮原子的存在，提高了原子间结合键的金属键属性，而碳原子只是共价键。3.1氮在节镍型不锈钢中的作用发展高氮合金钢的主要动力在于能提高不锈钢的力学性能和耐蚀性，相比一般奥氏体不锈钢，高氮不锈钢可以达到较高的屈服和拉伸强度。不锈钢通过加氮实现力学

19、性能及耐蚀性的改善，并且通过控制氮的加入量影响其它性能，如奥氏体稳定性、磁性和热膨胀性等，从而扩大了高氮钢的应用领域。200系列节镍型不锈钢一般都含有氮。钢中加入氮有很大的好处，氮不仅能提高钢的力学性能，而且还能改善钢的耐腐蚀性能。因此，在奥氏体不锈钢中，氮可以降低镍的含量，通过氮来提高屈服强度、抗拉强度及塑性，同时改善耐蚀点、耐缝隙腐蚀及耐磨损的性能。一般认为，氮在钢中含量超过一定量时，就属于有害成份，例如在高强度低合金钢中，通常氮的含量为50mmg/kg，但是，当氮含量达到150-200 mg/kg，却可很好地改善钢的力学性能。由于含氮钢具有良好的力学性能及耐蚀性、耐氧化和耐磨性能，高氮钢

20、越来越广泛地应用于能源、钢铁等领域。在奥氏体不锈钢（18% Cr-9% Ni）中，提高Ni和Mo的含量，可提高钢的屈服强度。在抗腐蚀方面，要求尽量减少C的含量，但却导致钢的屈服强度降低，而钢中加人N及提高Mo的含量可弥补这一不足。N是最有效的固溶强化元素，Mn和Cr可提高N在钢中的溶解度，固溶N对奥氏体钢抗拉强度的影响大于对屈服强度的影响。加N奥氏体不锈钢在强度提高的同时，对塑性和韧性影响却不大。奥氏体不锈钢的抗蠕变性能随氮含量的增加而提高，其原因是由于弥散强化作用的增强，特别是钢中含有Nb时，生成Nb(CN)弥散强化相。氮在节镍型不锈钢中的优点在钢中加入氮，可以非常强烈地形成并稳定奥氏体组织

21、且扩大奥氏体相区，显著提高奥氏体不锈钢的强度而其断裂韧性并不降低，提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀，比如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀。由于不锈钢炼钢条件的限制，在大气压下能加入的氮浓度非常低，因此作用不明显，不足以引起冶金学家和材料学家的重视。随着加压冶金技术的发展，氮作为强烈间隙元素，以其廉价、易得等特点再次引起人们的重视。氮作为合金元素加入不锈钢中，可提高奥氏体的稳定性，平衡双相钢中的双相比例，并在不影响钢的塑性和韧性情况下提高钢的强度，部分代替不锈钢中的镍。1）氮是强烈的奥氏体形成和稳定元素，在奥氏体不锈钢中利用氮来部分取代或与锰元素结合来完全取代贵金属镍，可以更加稳定奥氏体

22、组织，在显著提高不锈钢强度的同时不损害其延伸性，而且能够提高不锈钢的耐局部腐蚀能力（如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等）。同时，氮在自然界大量存在，成本低廉，正是由于不锈钢产品质量和成本方面的双收益，近年来高氮低镍奥氏体不锈钢的研究已成为材料科学与工程学科中一个十分活跃的前沿领域。2）N对奥氏体不锈钢抗各种酸腐蚀能力影响微弱且规律不明显。N能明显提高含Cr、Ni、Mo、N的奥氏体以及双相不锈钢的抗点腐蚀性能。N在提高点蚀发生临界温度方面，1%的N作用效果与30% Cr相当。N可提高钢的点蚀电位，但0.15-0.3%的N及3%的Mo综合作用又大幅度提高点蚀电位，可见Mo能提高含N钢的抗点蚀能力。3）

23、氮元素可促使不锈钢形成奥氏体组织。在Ni当量（表示钢中奥氏体的形成倾向）计算中，N当量是Ni的30倍，因此目前有些钢种可用廉价的Mn、N替代贵重金属Ni，以获得奥氏体不锈钢。4）氮作为固溶强化元素能提高奥氏体不锈钢强度，但不明显损害钢的塑性和韧性。每加入0.10氮可提高铬镍奥氏体不锈钢的室温强度60-100 MPa左右。5）氮可以明显提高不锈钢的耐点蚀性能。氮不但能抑制点蚀的发生，也可减小点蚀的溶解速度。在一些标准钢种中，对于残余氮量，有的进行上限控制，使其达到0.050.07水平，提高了实物产品的耐蚀性。6）当N含量小于0.16时，由于Cr2N能抑制Cr23C6沿晶界析出，可以提高奥氏体不锈

24、钢耐晶界的腐蚀性能。7）氮作为奥氏体形成元素，对双相不锈钢有重要作用：(a)在焊接接头热影响区快速冷却时，氮促进高温下形成的铁素体转变为足够的二次奥氏体，以维持必要的相平衡，提高接头的耐蚀性；(b)氮可以提高高氮奥氏体相的耐孔蚀能力，与高铬、钼的铁素体相平衡，并提高材料整体的耐蚀性能；(C)氮能减轻铬、镍等元素在两相中的分布差异，降低选择腐蚀的倾向性。8）氮含量的影响钢的氮含量及温度对晶粒有重要影响。随含氮量的增加，晶粒尺寸强化作用更加有效，而高温下氮的这种作用变小甚至消失。加氮后钢的抗拉强度和屈服强度升高，伸长率略有降低，这是由于氮的间隙强化、固溶强化造成的。氮作为固溶强化元素可以提高奥氏体

25、不锈钢的强度，而且并不显著损害钢的塑性和韧性。氮的强化效应比碳强，加入0.1的氮可使Cr.Ni奥氏体不锈钢的室温强度(,0.2)提高约60-100MPa。氮在节镍型不锈钢中作用氮在节镍型不锈钢中的作用最主要体现在三个方面，即对不锈钢组织的影响、对不锈钢力学性能的影响和对不锈钢耐蚀性能的影响。1）氮在不锈钢中的有利作用不锈钢中氮合金化的影响是双重的，氮在不锈钢中存在有害和有利正反两方面的作用。氮像碳一样以间隙形式强化奥氏体，但不会像碳会导致晶间碳化物的析出，这是在奥氏体及双相不锈钢中应用氮做为奥氏体稳定剂的原因之一。除此之外，氮还有其它优点，使得高氮合金的使用比其它合金更为有利，这些优点包括：（

26、1）屈服强度、抗拉强度和延展性好；（2）同时具备高强度与高断裂韧性；（3）较高的应变硬化潜力；（4）可阻止形成诱导马氏体的产生；（5）低磁导率；（6）良好的耐蚀性能；（7）氮作为合金化元素，使其成本降低。（8）氮对奥氏体具有稳定性作用；（9）氮具有固溶强化作用；（10）氮具有细化晶粒作用；（11）氮能提高加工硬化系数；（12）氮能提高耐点蚀性能；（13）氮能提高耐缝隙腐蚀性能；（14）氮是高强度和耐应力开裂的必要元素。氮的合金化一般在奥氏体、马氏体和双相不锈钢中起作用。氮在奥氏体钢中有节约镍的附加效益。氮在奥氏体不锈钢中的含量范围为0.15%-0.5%，这时氮对自由电子浓度影响最大，镍、铜、铝

27、、硅能提高自由电子浓度，而锰、铬、钼减少自由电子浓度。2）氮在不锈钢中的不利作用（1）在铁素体不锈钢中，氮能恶化晶间腐蚀、低温冲击韧性、缺口敏感性和焊接等性能。由于不锈钢钢液中氮的饱和溶解度较大，当在冶炼过程中加入的铬铁含氮量又较高时，很容易造成不锈钢中氮含量偏高。（2）在奥氏体不锈钢中，氮在一定条件下有有害作用。氮会显著降低奥氏体不锈钢的应力腐蚀性能，含氮量大于0.16的奥氏体不锈钢，由于晶间析出Cr2N而对晶间腐蚀不利（相反，N含量小于0.16时，由于抑制Cr23C6沿晶界析出，对晶间腐蚀是有利的）。（3）氮在含钛不锈钢中，由于生成TiN夹杂，严重影响成品和坯料表面质量。当连铸坯钛、氮含量

28、分别控制在0.3和0.012以下时，可有效地解决钢的表面质量问题。3）氮对节镍型不锈钢耐蚀性的影响一般而言，具有良好抗点蚀能力的不锈钢也具有良好的抗缝隙腐蚀能力。奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，如均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀性能，但它能在高温环境中产生应力腐蚀裂纹。氮作为合金元素加人不锈钢中，可提高奥氏体稳定性、平衡双相钢中相的比例，在不影响钢的塑性和韧性情况下提高钢的强度，并可部分代替不锈钢中的Ni。不锈钢炼钢中的AOD和VOD等精炼技术的应用，为生产纯净的含氮超低C奥氏体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢等提供了先进的生产工艺。氮除了对马氏体不锈钢的力学性能有影响外，它对不锈钢的耐蚀性也有一

29、定的影响。到目前为止，人们对于氮对马氏体不锈钢耐蚀性方面的研究已经有了一定的进展。研究发现，马氏体不锈钢中添加氮可以增强其在一些环境中的耐腐蚀能力，对其耐腐蚀性有一定的促进作用。氮改善不锈钢耐腐蚀性的机理主要是因为：（1）溶解在表面附近的氮可形成NH4+离子，使金属表面点蚀处的pH值提高，局部处表面重新钝化；（2）由于保护性的氧-氮化物薄膜的形成和Cr、Mo元素的偏聚使钝化层加强；（3）延缓了高Cr碳化物在基体中的形核和(或)长大。4）氮对节镍型不锈钢组织的影响氮是强烈的奥氏体稳定化元素。不锈钢中加人氮会抑制钢中铁素体相的形成，显著降低铁素体的含量，使奥氏体相更加稳定，甚至在剧烈冷加工硬化条件

30、下避免发生应力而诱发马氏体转变。为了获得完全的无磁性的奥氏体组织，应合理选择各合金元素的成分配比，但过高的氮含量会造成高氮钢韧脆转变温度的升高。为了确保钢的韧性，氮含量一般不应超过11.2。钢中铬和钼的加入可以提高钢的氮溶解度和耐蚀性，而锰的加入则会明显提高氮的固溶度。高氮不锈钢的显微组织与氮的含量有关。当氮含量超过奥氏体的固溶极限时就会以氮化物形式析出，一般认为是氮还可以阻碍有害金属间相及碳化物的析出，其原因是氮在这些相中具有低溶解度或能减缓Cr、Mo原子的扩散。氮提高不锈钢强度的途径主要有三种；固溶强化、晶粒尺寸强化和形变硬化。与普通的AIS1304钢相比，在相同晶粒大小的情况下，氮的加入

31、明显提高了钢的机械抗力。氮对奥氏体不锈钢的形变硬化作用也很显著，氮的增加会导致滑移平面和形变孪晶增加，而活跃的滑移面和挛晶层能有效阻止位错运动和孪晶扩展，从而强烈地增大了奥氏体钢的形变硬化率。氮对钢的强化效应比碳和其它合金元素更强的原因在于：氮在钢中以间隙固溶形式存在，其原子占据在八面体间隙位置，因此氮原子更易于在固溶体中均匀分布。铁基和氮化物之间的界面能小于铁基和碳化物之间的界面能，所以氮化物更易形成弥散的细小强化相。氮降低奥氏体中密排不完全位错，限制了含间隙杂质原子团的位错运动。3.2氮对节镍型不锈钢性能的影响奥氏体一铁素体双相不锈钢奥氏体不锈钢具有良好的韧性、抗均匀腐蚀、抗局部腐蚀(点蚀

32、、缝隙等)性能，然而，奥氏体不锈钢(如AISI304L,316L)在高温环境中，容易产生应力腐蚀裂纹，此时适合采用高镍不锈钢和铁素体不锈钢，但用Ni合金化的奥氏体不锈钢成本昂贵，而铁素体不锈钢韧性和厚钢板焊接性能差。因此介于二种之间(奥氏体和铁素体不锈钢)的双相不锈钢被研制出来，它具有较好的力学性能与抗腐蚀性能(包括应力腐蚀性能)。双相不锈钢成份范围宽，可针对不同使用条件进行选材，且价格低廉。近年来，随着低碳、超低碳奥氏体不锈钢、双相钢的大量生产，强度不足已成为限制此类钢使用的主要问题，如何保证降碳后钢的强度维持或超过原有的性能指标，己成为一个重要课题。双相不锈钢的屈服强度大约是不含氮的常用奥

33、氏体不锈钢的二倍，含N双相钢的抗拉强度700-900MPa，延伸率大于20%。而在双相不锈钢中，提高N含量并不总会提高屈服强度，因双相不锈钢的屈服强度取决于较软相的屈服强度。钢中N含量的增加对双相钢的抗腐蚀性能有重要影响。合金元素Mo含量的降低对腐蚀性能的不利影响可以通过N含量增加来弥补，高N含量的双相钢具有良好的抗均匀腐蚀及局部腐蚀性能。由于双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良特性和焊接性与铁素体不锈钢具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，具有三大显著特点：一是较高的屈服强度，二是优良的耐应力腐蚀开裂、晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀性能，三是有较大的经济效益。因而，双相不锈钢近年来已成为

34、国际上不锈钢钢种开发的重点，越来越受到广泛重视。由于氮在双相不锈钢中的特殊作用，新一代双相不锈钢（超级双相不锈钢）成分设计上的特点呈现含碳量低（0.01-0.02）、含铝量高（3.0-5.0）和含氮量高（0.2-0.3）的特点。马氏体不锈钢对马氏体钢强度影响最大的因素是间隙原子含量。随着间隙原子如C、N含量的增高，马氏体的强度增加。C、N原子对马氏体组织的硬度影响规律相同，即间隙原子浓度低时，随浓度值的升高硬度增高，当浓度继续升高时，硬度反而降低。（1）氮对马氏体不锈钢组织结构的影响氮在马氏体不锈钢的有益作用主要有：氮在显著提高不锈钢强度（屈服强度、抗拉强度）的同时，并不降低钢的塑性和韧性，可

35、以同时具备高强度和高断裂韧性，氮也可以提高不锈钢的抗蠕变、抗疲劳、耐磨损以及低温性能等，氮具有强烈抑制脆性相析出的作用，它提高了不锈钢的耐蚀性，主要表现在耐点蚀和缝隙腐蚀方面。氮在马氏体不锈钢中以间隙原子形式存在，它与其它元素形成的氮化物分布于晶界上，能提高钢的硬化能力，防止高温回火时奥氏体和铁素体晶粒的长大，这对马氏体不锈钢的强度有很大的影响，并随着间隙原子的含量增加，马氏体不锈钢的强度提高。为了提高马氏体不锈钢的耐蚀性和焊接性能，最有效的方法是降低钢中的碳含量，从而出现了超低碳含氮马氏体不锈钢。氮元素的加入对提高马氏体不锈钢的耐蚀性有一定的作用，尤其是对提高马氏体不锈钢的力学性能作用较为明

36、显，并且在未来不锈钢的发展过程中有代替金属镍的趋势。应该指出，虽然氮的引入可显著改善钢的性能，但并不是氮含量越高越好，而是存在着最佳含氮量。（2）氮对马氏体不锈钢力学性能的影响氮在钢中的作用除了部分替代金属镍外，主要是作为固溶强化元素提高了不锈钢的强度，而且并不显著损害钢的塑性和韧性，氮元素提高钢的强度作用比碳及其他合会元素强，氮减少奥氏体中密排的不全位，限制了含间隙杂质原子团的位错运动。马氏体不锈钢可以通过渗氮处理来提高其摩擦和磨损性能，但是硬度的提高会伴随着抗腐蚀能力的降低，特别是在高温环境下(>400)。利用离子表面注入改性技术可以得到一层高氮层，从而提高表面硬度、耐磨性及抗蚀性。

37、不锈钢中可能是出于注入的氮原子位错作用，从而显著强化了不锈钢的表面，提高了表面硬度，该项技术改变了以往表面沉积、电镀、化学镀等镀层与基体结合力差的问题。4 节镍型不锈钢氮合金化的方法虽然氮在不锈钢中的有益作用可以增加合金钢的屈服强度，每增加0.001氮，可增加约6Mpa的强度，并且与工艺条件无关。但是由于氮在马氏体不锈钢中的溶解度很小(1600时仅为0.045)，因此，采用何种方法来得到马氏体不锈钢中高的氮含量也是研究的一个重点。不锈钢中加氮的方法主要有冶炼过程中的氮合金化和表面渗氮。氮在纯熔铁中的溶解度大约为0.04%，随Cr、Mn含量的提高，氮的溶解度也随之提高。由于在钢中镍和氮的相互作用

38、系数为正值，所以氮在含镍钢中的溶解度较低。随着温度的降低，氮在固态奥氏体相中溶解度提高并达到很高值。不锈钢冶炼中氮转移到钢液中的步骤有：氮从气相扩散到液态金属表面，氮分子在熔融金属表面吸收，包括氮分子分解成氮原子的化学反应和氮从界面转移到金属液体内部两部分。含氮不锈钢可分为含氮奥氏体不锈钢和含氮双相不锈钢两大类，在冶炼上的难点之一是如何精确地控制钢液中的氮含量。由于氮合金化可以采取气相渗氮和加入氮化铬铁两种方式。前者由于生产成本低，得到了不锈钢生产厂家的重视，但是控制AOD过程的脱氮和吸氮过程是其难点之一，目前主要依靠理论和经验相结合的办法来控制。生产高氮钢的另一个难点是防止钢水凝固过程中N的

39、逸出和凝固偏析。更高的氮含量控制要采用特殊技术，例如德国曾用高压电渣炉生产出氮含量超过1.0的不锈钢。4.1节镍型不锈钢氮合金化生产技术节镍型不锈钢冶炼过程中的氮合金化是含氮钢的主要生产方法。不锈钢的冶炼采用高压熔炼实验方法、加压电渣重熔、电渣加热高压渗氮、高压下等离子熔炼和粉术冶金等方法。但是，这些冶炼工艺均需要特殊的设备，生产成本较高。直接采用真空感应炉冶炼高氮钢是一种最近发展的冶炼方法。采用真空感应熔炼不仅金属在熔炼、熔化、合金化及浇注均在真空条件下进行，避免了钢液与大气的相互作用而污染，而且可以精确地控制不锈钢的化学成分，除去低熔点的有害杂质和微量元素，另外强烈的电磁搅拌可以加快反应速

40、度，并使熔池内的温度、成分均匀。冶炼超低氮钢主要依靠真空技术，因为真空可以显著降低气相中氮的分压，相应降低钢液中的溶解氮。氮分压除与真空度有关外，还与脱碳速率和底吹氩搅拌强度有关。当吹氧速率高、脱碳速度大时，产生的CO气泡量大，气泡中氮分压低。因而，钢中氮含量就低。另一方面，当钢液中C<0.1时，吹氧流量减少，CO气泡量相应减少，此时脱氮速度主要取决于底吹氩的搅拌强度。在超低氮钢冶炼时，各工序都要采取相应的技术措施对氮含量进行控制。首先，控制初炼炉（转炉或电弧炉）在出钢时的钢水吸氮。电弧炉采用偏心炉底出钢，由于出钢速度快，钢水卷入N量少。另一方面，要特别注意在较高氧位下的出钢。在精炼炉内

41、，特别是真空下，要充分脱氧和脱硫，以提高脱氮效果。另外，喷吹还原性气体，如碳氢化物可以促进脱氮。在精炼结束至浇注完毕的过程中，要加强钢水保护，特别是浇铸过程对钢水的保护，防止钢水与空气接触，产生增氮现象。根据有关资料的介绍，通过对Cr和Mn含量实验结果表明：Cr含量大于17.8时，凝固模式由大部分液相先析出铁素体而剩余液相直接析出奥氏体模式转变为FA模式。Cr含量为18.8时，N含量较低的试样组织变为铁素体和奥氏体各占约50的双相钢，N含量较高的试样组织仍为奥氏体基体上分布有网状铁素体。Cr含量大于11时，Mn由奥氏体化元素转变为铁素体化元素，使得凝固模式由液相先析出铁素体而剩余液相直接析出奥

42、氏体模式转变为FA模式，较高的Mn含量增加了固、液界面前沿的成份过冷度。N的性质与C相类似，是生成间隙相的主要元素，这是由于它较小的原子尺寸及电子层结构所决定的。在奥氏体型不锈钢中，N绝大部分固溶于奥氏体中，固溶于铁素体中的N量很少。在马氏体中N是重要间隙元素，对马氏体相变和性能起决定性作用。N在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当于Ni的25倍左右，在常规的18-8型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在，随着钢中C含量的降低，钢中铁素体量将增加，而加人N则弥补了降C对组织带来的不利影响，N的增加在减少钢中铁素体相比例的同时，对其存在形态也有较大影响，使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状和弧岛状转变，

43、从而降低了网状铁素体对奥氏体钢强度和塑性的不良影响。4.2节镍型不锈钢的氮合金化生产工艺高氮钢生产的关键技术是提高钢中氮的溶解度，防止冷凝过程中钢中氮的逸出，保证氮在钢中均匀分布。为此，人们研究并开发了许多生产方法，大致可分为氮气加压熔炼法和粉末冶金法两大类。不锈钢冶炼中氮的溶解度随气氛中氮分压的增加而显著提高，而且伴随温度的降低也有一定的提高。因此在较低的冶炼温度下，向钢液吹氮有利于增加不锈钢的氮含量。在氮分压为1个大气压条件下，即采用纯氮吹炼，氮的饱和溶解度可达0.2左右，此值正好满足常见含氮奥氏体不锈钢对氮含量的要求。因此，在实际AOD生产中，以氮气部分替代氩气进行吹炼，可以实现低成本生

44、产含氮奥氏体不锈钢的目标。高氮不锈钢要获得更高氮含量，可以采用加压冶炼设备，使不锈钢冶炼和凝固在高压氮气氛下进行。在1550下，氮气压力由0.1 MPa增加到4.0 MPa时，304不锈钢氮的饱和溶解度可达1.348。因此，采用高压熔炼技术可以生产出氮含量在1.0以上的高氮钢。而降低压力可以使氮的溶解度显著降低。在同样条件下，氮气压力从0.1MPa减少到100 Pa以下时，304不锈钢氮的饱和溶解度小于67.4ppm。因此，在高真空度情况下，有可能获得超低氮不锈钢。1）氮气加压熔炼法不锈钢炼钢在常压下，氮在液相铁中的溶解度很低(1600时仅为0.045)，这成为限制高氮钢生产的一个最大障碍，但

45、该难题可通过高压熔化和合理设计合金成分来解决，因为N在铁液中的溶解度随着熔液上氮气分压的升高而增加，同时随合金元素Cr、Mn等元素的加入会进一步提高氮的溶解度。氮气加压熔炼法中，氮进入熔体的机理有两种：氮气在熔体界面发生N2-2N反应，气体分子分解后生成的氮原子被吸附进熔体而使钢液中的N提高；直接向液态渣或熔体中加入固态的含氮合金或氮化物（如颗粒状的氮化硅等）。在这两种情况下，液态金属中氮的浓度由熔体和作用其上的氮气压力之间建立的热力学平衡来确定。目前采用加压熔炼法主要有加压感应炉熔炼、加压等离子炉熔炼、加压电渣重熔熔炼和反压铸造法等。采用这些方法可以生产出含氮量在1.0以上的高氮钢，但缺点是

46、在不同程度上存在着设备复杂、高压气体危险、氮分布不均匀、工艺控制困难和生产成本高等问题。2）金属氮化物及其弥散现象不锈钢冶炼中N与钢中的合金元素的相互作用是十分重要的，主要表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多的弥散氮化物，其主要是CrN的弥散。CrN为立方晶格结构，在Cr、Ni含量较高的AIS1310中的溶解度要比在AIS1304钢中的溶解度低。在含有Ti和Nb的钢中，会有TiN和NbN形成。在含有Nb的AIS1347钢中，N与NbC或C与NbN结合可提高它们在奥氏体中的溶解度，尽管NbN溶解度要比NbC小得多，但在含Nb钢中，人们也发现了复杂的Cr3Nb3N及CrNbN，一般称为Z相，Z相在晶粒边界发生弥散现象，而提高钢的强度。在奥氏体钢中，N延缓碳化物M23C6及金属间化合物的析出，这可能是由于CryN的析出减少了固溶的Cr含量。在双相钢中，N延缓了金属间化合物弥散析出及N的强烈奥氏体稳定化作用，对不锈钢的相比例平衡和改善焊接性能是很重要的。在含Mo的双相钢中，很大比例的N是以Mo-N的