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bet36:0719高氮低镍不锈钢的国内外发展过程及现

作者:bet36体育网站已浏览: 64次 日期:2020-07-22

bet36体育网站目前广泛使用的奥氏体不锈钢主要包括铬镍系和铬锰两大系列,铬镍系列的性能相比铬锰系列的不锈钢而言性能更加优越,但是匮乏的镍元素导致铬镍系不锈钢生产成本提高,产业的发展受到束缚;另外,人体对含镍生物不锈钢存在过敏现象,严重危害身体健康,因此节镍、无镍型医用不锈钢受到广大学者的青睐。以氮代镍资源节约型高氮钢是奥氏体不锈钢中的一种,具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,在石油、化工、生物医学领域有着更为广泛的使用前景。

高氮钢的定义为:把铁素体、马氏体不锈钢中氮含量大于0.08%的不锈钢称之为高氮钢;对于含氮奥氏体不锈钢而言,根据氮含量的不同可将其分为控氮型、中氮型和高氮型三大类不锈钢。控氮型不锈钢的氮含量一般在0.05%~0.10%之间,中氮型不锈钢的氮含量一般在0.10%~0.40%之间,高氮型不锈钢的氮含量则一般控制在0.40%以上。从1988年以来,高氮钢国际会议在世界各国定期举行,这一举动为世界各国高氮钢研究学者之间进行学术的相互交流搭建了一个平台,能够进一步加深对高氮钢的认识和了解,促进高氮钢在理论和实践两方面的发展,因此能够为资源节约型不锈钢的发展和生产使用提供理论依据。

氮在钢中极易产生偏析、气孔、时效硬化等现象,降低铁素体不锈钢的塑性,严重时甚至造成钢铸件报废。基于以上氮对钢的不利影响,在过去很长一段时间对氮在钢中的认识都处于停滞不前的状态,直到20世纪初人们才开始对氮在钢中的有利影响开始了新的认识。1926年首先发现了氮的奥氏体化能力和氮对不锈钢力学性能的影响。通过氮对不锈钢的影响提出了氮可以提高奥氏体不锈钢强度的观点。随后在基础上进一步提出了氮还可以改善钢的耐腐蚀性的观点。二战期间,为了促进不锈钢产业的发展和解决当前镍资源匮乏的问题,世界各国开始对不锈钢的研发寻找新的出路。德国和美国率先在高氮钢领域成功的开发出以锰、氮代镍的不锈钢。于此同时,美国研制出的201、202两个含氮高锰系列奥氏体不锈钢钢种得到了广泛的应用。以此为基础,氮元素在AISI300系列奥氏体不锈钢和双相不锈钢中也得到更为广泛的研究和应用。瑞典的Avesta公司和美国的AlleghenyLudlum工业有限公司分别在20世纪中后期也相继研究出了氮合金化钼钢钢种254SMo和氮合金化AL6XN钢钢种。20世纪中期,利用加压感应炉设备在实验室冶炼出不同氮含量的高氮奥氏体不锈钢,才开始对高氮不锈钢进行研究,直到20世纪60年代后期,对高氮奥氏体不锈钢才开始商业化的生产。但是高氮钢的发展由于受到冶炼技术的限制,氮含量不超过0.6%,因此高氮钢在当时并没有得到广泛应用。

高氮钢的制备技术方面在20世纪中后期取得了一定进步,因此利用改进后的加压冶炼设备研发出了一系列含铬、锰和钼的高氮不锈钢。例如德国的VSG公司在1975年首次成功的研制出了大型火力发电机护环用钢P900,紧接着在1981年研发出P900-N和1996年研发出P2000火力发电机护环用钢。在发达国家,对高氮不锈钢在发电机转子护环上的应用受到很高程度的重视,到目前为止已经取得了很好的市场,得到了广泛的应用。西德采用增压电渣重熔工艺,日本采用VOD底吹氮气工艺和粉未冶金工艺,保加利亚采用反压铸造工艺等已经成功的开发出多种新型廉价高氮钢种,氮含量高达l%以上,高氮钢的发展以及应用又出现了新的高潮[30],德国、美国、日本在此领域已经达到较高的水平。综上所述,资源节约型不锈钢吸引了国外学者的关注并且已经对高氮钢展开了广泛的研究,近几年在高氮钢的冶炼基础、性能、应用研究等方面又有了新的进步且发展势头很好,市场应用前景广阔。国内高氮低镍不锈钢的发展过程及现状

高氮奥氏体不锈钢以其优异的力学性能和耐腐蚀性能吸引了国内外材料和冶金学者的关注。国内由于受到实验装备的限制,直到20世纪五十年代才开始对高氮钢进行研究,导致国内含氮不锈钢的研究落后于世界许多国家。随着社会的不断发展和进步,对不锈钢的需求和性能的要求进一步提高,而国内有限的镍资源已经不能达到不锈钢产业和不锈钢消费的飞速发展。那么,在目前对低镍或无镍的资源节约型不锈钢的开发和研究具有实际意义。

近年来,把高氮钢的研究列为重大基础研究,不仅体现在国家自然科学基金的支持上,国内许多高校、许多大型的钢铁企业也投入了大量的人力物力来开展高氮钢的组织与性能、疲劳与磨损性能、耐蚀性能、塑性加工性能等研究。北京钢铁研究总院在2003年利用真空冶炼技术成功的研制出塑性保持不变,强度提高2倍且氮含量超过0.7%的高氮钢。在国家863项目的大力支持之下,中科院金属所到目前为止已经成功的研究出了含氮医用无镍奥氏体不锈钢(Fe-17Cr-14Mn-2Mo-0.46N),并对该钢种的力学性能、腐蚀性能、生物相容性等进行了较为全面的研究,结果证明该钢种具有更优异的力学性能、腐蚀性能和生物相容性。近几年我国不锈钢企业通过不断的努力也成功地研制出一种冶炼含氮不锈钢的工艺—气相渗氮法。2005年,湖州久立特钢股份有限公司采用AOD精炼,同时吹氧气、氮气,加电解锰及氮化合金,冶炼获得高氮奥氏体不锈钢,并对成品进行力学性能和耐腐蚀性能测试,结果证明,1Cr22Mn15N高氮奥氏体不锈钢的屈服强度达到565~585MPa,抗拉强度达到920~955MPa,延伸率达到54.5%~56.5%,耐腐蚀性能提高。东北大学和中科院金属所在2006年强强联手,共同承担了一项国家自然科学重点基金“高氮钢及其作用机理研究”项目的研究,该项目主要从冶炼设备、组织和性能三个大方向着手对高氮钢进行研究。截至目前为止已经能冶炼出氮含量超过1.0%的高氮不锈钢,其固溶态屈服强度超过600MPa,PREN值远高于316L等传统奥氏体不锈钢。北京科技大学采用高能球磨和高温渗氮结合的方法研制出了Cr18Mn12MoN无镍高氮不锈钢粉末,接着采取冷压烧结工艺获得含氮量为0.79%的无镍高氮奥氏体不锈钢材料。含氮钢已经是高水平冶金技术发展的主要方向之一,自从人们对含氮钢的性能有了新的认识之后,迄今为止含氮钢的研制和生产得到了长足的进步和发展。由于国内对高氮钢的研究起步较晚,再加上早期国内高氮钢的研究与开发因受到冶炼技术和设备的限制,所以在对高氮钢的研究中氮含量主要集中在0.4~0.6%之间,一般不超出0.65%。通过对国内外高氮钢发展过程的回顾,经过一系列的实验室冶炼探究,提出了被外界承认的高氮钢的冶炼方法—常压冶炼。冶金工作者采取在常压下冶炼高氮奥氏体不锈钢,主要目的是为了简化冶炼工艺、提高冶炼的安全性、降低生产成本,到目前为止,已经取得了较为成熟的冶炼工艺,因此冶炼高氮不锈钢将是未来的发展趋势。通过展望高氮钢的应用前景发现高氮不锈钢具有很强的市场竞争力,可以预见高氮不锈钢在石油、化工、医疗器械、交通运输、建筑、海洋工程、原子能和军事工业等许多领域将得到更为广泛应用。

高氮低镍不锈钢是采取以氮代镍获得奥氏体组织的节镍型不锈钢材料,它不但可以节约资源,降低生产成本,解决含镍较高对人体引起过敏的现象,还可以提高不锈钢的力学性能和耐腐蚀性能。近年来,世界各国冶金工作者在高氮不锈钢领域开展了较多的研究,也获得了一些显著的成就,并开发出了许多牌号的高氮钢钢种。但基于氮在不锈钢中的作用机理,特别是与其它合金元素的微合金化作用、氮对相变过程的影响等冶金方面基本规律的研究却一直未取得进步,致使人们对氮在钢中和其它合金元素之间的最佳配比和其对性能的作用规律很难把握,为了能够达到使高氮钢广泛应用于生产实际的目的,目前急需从以下问题着手:

氮在高氮不锈钢中的强化作用主要表现为固溶强化。氮在常压或低压液态钢中的溶解度计算均是借助sivert平方根定律实现,高压下sivert平方根定律对计算氮的溶解度已经不适用。氮在钢中的固溶度模型对高氮钢在凝固过程中氮化物的析出和偏析、氮气泡的形成乃至高氮钢的性能预测等有着重要意义,但是对这些模型需要进一步的证实其正确性,这就需要加强对氮在高氮不锈钢中溶解度的理论研究。另外,对钢液中含氮合金的热力学性质也需要进一步研究,通过对高氮合金的热力学研究,有利于合理控制高氮合金加入时间、加入温度和加入比重,提高合金的收得率。

高氮低镍节约型不锈钢的生产研究已经成为一种不可阻挡的趋势,虽然高氮钢的应用领域广泛,但是大量的产品出炉就需要加大市场对高氮低镍节约型不锈钢的需求,进一步开发扩大高氮钢的市场应用领域也可以扩大对高氮钢的市场需求。市场有需求的同时也需要及时解决好高氮钢在各个领域应用时可能出现的各种问题,比如高氮钢的可焊性对其用作结构材料时的应用和推广起到至关重要的作用。普通的含氮不锈钢按照传统的焊接方法就已经能满足产品对强度的要求,但是对于高氮钢而言,由于钢中含有过饱和的氮,若仍然按照传统的焊接方法则会引起氮的逸出、焊接开裂以及晶界处析出氮化物等问题。由于高氮低镍型不锈钢跟传统的高镍不锈钢的成分上有很大的区别,在热轧过程中体现出热塑性上的差异,容易出现边裂。奥氏体不锈钢的热塑性与高温残留的铁素体有关[47,48],S和P元素在钢中的含量对热裂纹的产生有密切的关系,对奥氏体不锈钢而言,S和P元素的质量分数即使低到0.02%也会产生裂纹的影响,另外,杂质元素在奥氏体不锈钢中的溶解能力低,在凝固的过程中易产生晶间偏析,这也会降低奥氏体不锈钢的热塑性[49]。高氮钢选择不同的处理工艺之后,材料所获得的性能也不同,因此,为了获得高氮钢最佳的材料性能,扩大高氮钢的应用领域,对高氮钢的处理工艺和性能之间的关系做比较系统的研究必不可少。

目前,对高氮奥氏体钢、铁素体和马氏体钢研究的比较多。对高氮钢种的研发主要体现在根据对材料性能的要求合理的设计高氮钢的化学成分和通过高氮钢的冶炼之后获得符合成分要求的高氮钢两个方面。为此,通过对理论研究和应用的研究可以开发出许多新型的高性能含氮钢种。