高氮鋼的制造工藝

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1、高氮鋼的制造工藝??發(fā)表日期：2007年9月5日??出處：冶金信息導(dǎo)刊??作者：董廷亮李光強(qiáng)????【編輯錄入：bbyy】摘要：目前，高氮鋼已經(jīng)被認(rèn)定為是發(fā)展高質(zhì)量冶金技術(shù)的主要方向之一。隨著人們對(duì)高氮鋼優(yōu)良性能的認(rèn)識(shí)，有關(guān)高氮鋼的研制和生產(chǎn)得到了不斷的進(jìn)步和發(fā)展。簡(jiǎn)要回顧了高氮鋼的國(guó)內(nèi)外研究歷程，詳細(xì)介紹了幾種公認(rèn)的可接受的高氮鋼的生產(chǎn)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)；最后提出了高氮鋼的應(yīng)用前景。?關(guān)鍵詞：高氮鋼制造工藝氮合金化?0前言通常情況下，氮被認(rèn)為是鋼中的有害雜質(zhì)之一。雖然常壓下氮在液態(tài)鋼中的溶解度很低，但這些少量的氮卻能導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生時(shí)效脆化，于是開(kāi)發(fā)了

2、各種減少液態(tài)鋼中氮的二次精煉技術(shù)，并還在不斷地改進(jìn)。然而，在高氮鋼中氮作為合金元素可以和鋼中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用，而賦予該鋼種許多優(yōu)異性能。例如，提高奧氏體的穩(wěn)定性，使鋼的力學(xué)性能大大提高，改善鋼的耐腐蝕性等等。Speidel[1]把鐵素體基體中含有0．08％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的氮或在奧氏體基體中含0．4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的氮的鋼稱為高氮鋼。雖然氮加入鋼中能有諸多有益之處，但由于氮在鋼中的極限固溶度極低，限制了其在常規(guī)冶煉工藝下的加入量，致使高氮鋼的研究在相當(dāng)程度上仍局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。目前世界各國(guó)正致力于研究新的

3、冶煉工藝并開(kāi)發(fā)新的含氮廉價(jià)鋼種，以使高氮鋼的大工業(yè)生產(chǎn)成為可能。國(guó)家自然科學(xué)基金和寶鋼集團(tuán)公司的鋼鐵研究聯(lián)合基金在2001年也把高氮不銹鋼列入了鼓勵(lì)研究開(kāi)發(fā)的新型鋼鐵材料。?1國(guó)內(nèi)外研究歷程在1926年，由于戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致鎳的短缺，激發(fā)人們研究用氮取代部分鎳來(lái)穩(wěn)定奧氏體。氮作為合金元素的使用最早報(bào)道于1938年。由于煉鋼條件的限制，在大氣壓強(qiáng)下能加入的氮濃度非常低，因此作用不明顯，不足以引起冶金學(xué)家和材料科學(xué)家的重視。隨著加壓冶金技術(shù)的發(fā)展，氮作為強(qiáng)烈間隙原子元素，以廉價(jià)、易得等特點(diǎn)，再次引起人們的注意。在20世紀(jì)五六十年代，用氮作為鋼中合金元素的研究

4、曾經(jīng)興起過(guò)一個(gè)高潮，以Mn、N代Ni制的奧氏體不銹鋼在當(dāng)時(shí)是最突出的一個(gè)代表性高氮鋼鋼種。20世紀(jì)80年代后，高氮鋼的熱潮再次涌現(xiàn)。從1988年開(kāi)始，在法國(guó)、德國(guó)、烏克蘭、日本、芬蘭、瑞典、印度和比利時(shí)已經(jīng)連續(xù)召開(kāi)了七屆高氮鋼國(guó)際會(huì)議。其問(wèn)，也召開(kāi)過(guò)其他高氮鋼國(guó)際會(huì)議，比如，2003-年3月在瑞士召開(kāi)了HNS2003，并出版了會(huì)議錄。第八屆國(guó)際高氮鋼會(huì)議(HNS2006)于2006年在中國(guó)四川的九寨溝召開(kāi)?？梢?jiàn)高氮鋼研究的興隆。Volkov等對(duì)高氮鋼研究和應(yīng)用動(dòng)向有一定的見(jiàn)地，顯然將高氮鋼研究的領(lǐng)域比前一次高潮大大擴(kuò)展了，見(jiàn)圖1。在開(kāi)發(fā)新鋼種的同

5、時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到高氮鋼的制備過(guò)程還必須解決存在的一些特殊問(wèn)題。高氮鋼的研制在于兩方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計(jì)含氮鋼的成分；另一方面是通過(guò)何種制備手段來(lái)得到合乎成分要求的高氮鋼。由于氮在鋼中溶解度很小，因此高氮鋼生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題是提高鋼中氮的濃度，防止冷凝過(guò)程中鋼內(nèi)氮的逸出和保證氮在鋼內(nèi)均勻分布.?2高氮鋼的制造工藝當(dāng)前發(fā)展高氮鋼的主要問(wèn)題是發(fā)展相應(yīng)的工藝和設(shè)備，以保證金屬在凝固時(shí)整個(gè)體積范圍內(nèi)達(dá)到一個(gè)高且均勻的氮濃度。高氮鋼不像其他鋼種那樣容易冶煉，為了加入足夠量的氮，鋼的合金成分或冶煉工藝或兩者都必須加以調(diào)整以使氮的溶解度足夠高。氮的溶解

6、度取決于壓力、溫度和合金成分，這在文獻(xiàn)中有較詳細(xì)的討論，因此為了加入足夠量的氮，通常希望鋼中含有盡可能高的鉻和錳且在高氮壓力下熔煉。目前高氮鋼的生產(chǎn)有以下一些方法。2．1固體含氮合金添加法該法向熔池添加含氮鐵合金，如含氮的Mn—FeCr—Fe，V—Fe，氮化物Si3N4或氰化物Ca(CN)2，等，以達(dá)到氮合金化的目的，其最高含氮量可達(dá)到0．5％～0．6%，。但是由于該法引入了含氮鐵合金，一是提高了材料的成本，二是降低了鋼液的純凈度，而且，氮的濃度起伏加劇，易在高氮區(qū)形成氮?dú)馀荨?．2增壓感應(yīng)爐中大量氮合金化Okamoto等以及Frehser和Ku

7、biseh在1962年和1963年分別報(bào)道了奧氏體鋼在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的增壓感應(yīng)爐中進(jìn)行高氮合金化研究的情況。鋼在增壓感應(yīng)爐中進(jìn)行大量氮合金化是通過(guò)氣相產(chǎn)生作用的。在熔融金屬和氣體之間的界面通過(guò)N2一2[N]反應(yīng)產(chǎn)生吸氮，金屬的吸氮量取決于熔體與氮?dú)獾慕佑|時(shí)問(wèn)和接觸面積。但由于在操作和處理大量過(guò)飽和氮的鋼液時(shí)，存在著安全等方面的問(wèn)題，故使得大規(guī)模生產(chǎn)的增壓感應(yīng)爐未能獲得進(jìn)一步發(fā)展。2．3增壓等離子爐中大量氮合金化20世紀(jì)60年代中期，在由Paton研究所(Kiev)和Batell研究所(Ohio)共同發(fā)表的文章中敘述了用等離子重熔爐生產(chǎn)高氮合金鋼的情況

8、。其原理也是通過(guò)氣相實(shí)現(xiàn)的，差別在于氮在等離子弧中分離成原子的形式供給液體金屬。液態(tài)金屬的吸氮量取決于氮?dú)獾姆謮?、熔煉速率以及等離子弧的