对不锈钢增“氮”的研究成热点-高氮不锈钢-

【】通常情况下，基体组织为奥氏体且含氮量超过0.4%，或基体组织为铁素体且含氮量超过0.08%的钢才可称为高氮钢。在常压下，氮在钢中的溶解度非常低，加入很困难。同时，在高压下熔炼的技术难度大，熔炼的设备又十分复杂和昂贵，因此限制了高氮不锈钢的发展。随着AOD炉外精炼技术的工业应用，使得氮的加入和控制问题得到了一定程度的解决，也促进了高氮不锈钢的发展。同时，随着资源短缺问题的日益突出，高氮不锈钢再次成为研究的热点。

理论研究为技术进步做支撑

近年来，国外对高氮奥氏体不锈钢的研究更加全面、深入，高氮奥氏体钢的理论和实践也得到了更大的发展。国内由于受到试验装备的限制，高氮奥氏体钢的研究已落后于国际水平。因此，目前在高氮奥氏体钢方面的研究成果主要集中在欧美、日本和韩国等国家。国外研究主要包括以下几个方面：

固溶氮对组织结构的影响

氮的性质与碳类似，是生成间隙相的主要元素，这是由它较小的原子尺寸和层结构所决定的。在奥氏体不锈钢中，氮绝大部分固溶于奥氏体中，固溶于铁素体中的氮量很少(奥氏体钢中都存在少量铁素体)，在铁素体-奥氏体双相不锈钢中推测氮的分配系数为0.23~0.25。氮在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用约为镍的25倍。在常规的18-8型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在，随钢中含碳量的降低，铁素体量将增加，而加入氮则弥补了碳含量降低对组织带来的不利影响。随氮含量的增加，该钢种中的铁素体量减少，同时氮含量的增加使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变，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。

金属碳、氮化物的弥散现象

金属学中，有关冶炼和凝固过程中的动力学和热力学问题已经得到了系统研究，但是当Cr、Mn、N和C等元素共同存在于固溶体中时，碳、氮化物会对第二相的析出造成很大影响。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，但是对优先析出相还没有定论，一般认为是Cr2N相。目前有关碳、氮元素在高氮奥氏体中的溶解和析出规律研究工作较少，有必要进行探索，从而根据实际需要控制其固溶与沉淀析出行为。

氮与钢中合金元素的相互作用主要表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多弥散氮化物，主要是Cr2N。在含有Ti和Nb的钢中，会有TiN和NbN形成。在含有Nb的AISI347钢中，碳与铌结合成NbC或氮与铌结合成NbN均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。在双相钢中，氮延缓金属间化合物弥散析出和氮强烈的奥氏体稳定作用，对不锈钢的相比例平衡和改善焊接性能很重要。氮在马氏体钢中与其他元素形成氮化物分布于晶界上，提高硬化能力，防止高温回火时奥氏体和铁素体晶粒的长大。综上所述，氮在不锈钢中主要通过氮的固溶强化、氮化物的弥散强化和晶粒细化三种途径来改善钢的性能。

氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响

在含18%Cr-9%Ni的奥氏体不锈钢中，加铝和提高镍含量，可提高钢的屈服强度。满足不锈钢抗腐蚀性能的要求须减少碳的含量，却将会导致钢材屈服强度的降低，而加入氮和提高铝含量可弥补这一不足。氮是最有效的固溶强化元素，而Mn、Cr含量的增加可提高氮在钢中的溶解度。加氮奥氏体不锈钢在强度提高的同时，对塑性、韧性影响却不大，加氮后的钢仍具有良好的塑性。氮对抗蠕变性能的作用远高于碳，碳降低断裂韧性，而氮对其无显著影响。原因是在蠕变过程中，碳的加入使粗大的碳化物Cr23C6分布于晶粒边界，而氮的存在使细小的Fe2Mo颗粒弥散于晶粒边界。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增强，特别是当钢中含有Nb时，生成Nb(C、N)的弥散强化相。

以上分析表明，氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响是多方面的，其中突出表现为氮对材料强度和韧性的影响。美国学者的实验数据表明：在奥氏体不锈钢中，每加入0.10%的氮，其强度提高约60MPa~100MPa。这些研究成果为高氮奥氏体不锈钢的韧性研究提供了重要参考数据。

责任编辑：王海霞

 

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