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(bu)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 系列奧氏體(ti)不銹鋼和雙(shuang)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(dan)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年召開(kai)第一屆(jie)高(gao)氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)議后(hou),相繼在(zai)聯邦德國(guo)(guo)、日(ri)本(ben)、比利時和中國(guo)(guo)等(deng)召開(kai)了12屆(jie),各國(guo)(guo)的(de)科研人(ren)員(yuan)就(jiu)高(gao)氮(dan)鋼的(de)研究與開(kai)發(fa)等(deng)議題進(jin)行了深(shen)入的(de)交流與探討(tao)。高(gao)氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)議的(de)連續(xu)召開(kai)極大地推動了世界高(gao)氮(dan)鋼的(de)發(fa)展,也(ye)進(jin)一步加深(shen)了人(ren)們(men)對氮(dan)在(zai)鋼中作用(yong)機理(li)的(de)認識。
到20世紀80~90年代,高(gao)氮鋼的(de)制(zhi)(zhi)備(bei)技(ji)(ji)術(shu),特別(bie)是加(jia)壓(ya)(ya)冶煉設備(bei)取得(de)了(le)長足的(de)發展,研發出加(jia)壓(ya)(ya)等離(li)子電弧(hu)熔煉、加(jia)壓(ya)(ya)鋼包(bao)氮氣吹洗(xi)法、加(jia)壓(ya)(ya)感應熔煉等技(ji)(ji)術(shu)。1980年以(yi)來(lai),德國(guo)Krupp和VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)(gong)司(si)相繼(ji)建成了(le)用(yong)于工(gong)業化(hua)生產高(gao)氮鋼的(de)16t和20t 加(jia)壓(ya)(ya)電渣(zha)爐(lu),其(qi)壓(ya)(ya)力可達(da)4.2MPa,主要通(tong)過添加(jia)Si3N4等氮化(hua)合(he)金(jin)來(lai)完成增氮任務(wu)。利用(yong)該技(ji)(ji)術(shu),德國(guo)VSG公(gong)(gong)司(si)分別(bie)于1975年、1981年和1996年成功(gong)研制(zhi)(zhi)出大型火力發電機護環用(yong)鋼P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目(mu)前護環用(yong)高(gao)氮鋼已在(zai)發達(da)國(guo)家得(de)到廣泛應用(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)(gong)司(si)商業化(hua)生產了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼種在(zai)強度、韌性(xing)、延展性(xing)、加(jia)工(gong)硬(ying)(ying)化(hua)能(neng)力以(yi)及耐腐蝕性(xing)能(neng)方面表(biao)現優異。后(hou)來(lai),瑞士(shi)的(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)(gong)司(si)改(gai)進了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制(zhi)(zhi)了(le)一種加(jia)工(gong)硬(ying)(ying)化(hua)能(neng)力極高(gao),并具有(you)較高(gao)的(de)硬(ying)(ying)度、良好的(de)韌性(xing)和優異耐腐蝕性(xing)能(neng)的(de)高(gao)氮鋼。
隨著人(ren)們對氮(dan)(dan)在(zai)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)中作(zuo)用機制認(ren)識(shi)的(de)(de)不斷深入,基于以氮(dan)(dan)代碳的(de)(de)合金設計理念,開發(fa)出一系列性(xing)(xing)能(neng)優異的(de)(de)高氮(dan)(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)及耐(nai)蝕(shi)塑(su)(su)料模(mo)具鋼(gang)(gang)。德國VSG 公(gong)司(si)(si)采用加(jia)壓(ya)電(dian)渣重熔和(he)精密鍛造技術開發(fa)出高氮(dan)(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具備(bei)強度(du)和(he)硬(ying)度(du)高、韌(ren)性(xing)(xing)好、耐(nai)腐(fu)(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)優異和(he)回火穩定性(xing)(xing)強等特點,其(qi)性(xing)(xing)能(neng)明顯優于目前(qian)航空航天領域的(de)(de)商(shang)用軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(M50和(he)M50NiL等),已應用于航天飛機燃(ran)料泵軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)、遙感衛星控制力矩陀螺高速轉(zhuan)子軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)、飛機渦輪發(fa)動機主軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)、起(qi)落架滾珠絲(si)杠(gang)、直(zhi)升(sheng)機旋轉(zhuan)斜(xie)盤軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)等部件。奧(ao)地利(li)B?hler公(gong)司(si)(si)利(li)用加(jia)壓(ya)電(dian)渣重熔工藝(yi),開發(fa)了性(xing)(xing)能(neng)優異的(de)(de)含氮(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐(nai)蝕(shi)塑(su)(su)料模(mo)具鋼(gang)(gang),其(qi)純(chun)凈度(du)更高,組織更均(jun)勻細小,同時具有(you)極佳的(de)(de)拋光和(he)耐(nai)腐(fu)(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)、良好的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)、加(jia)工性(xing)(xing)能(neng)以及尺寸穩定性(xing)(xing),滿(man)足了高端耐(nai)蝕(shi)鏡面塑(su)(su)料模(mo)具市場需求。
日(ri)本國家材料研究(jiu)所于1997年開(kai)始進行日(ri)本超級鋼開(kai)發計劃(STX21)中的(de)“耐海(hai)水(shui)(shui)腐蝕不(bu)銹鋼的(de)開(kai)發”工作,利用復合電極的(de)加壓電渣(zha)爐在(zai)4MPa下(xia)開(kai)發出節省資源型高性(xing)能耐海(hai)水(shui)(shui)腐蝕高氮不(bu)銹鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該(gai)鋼種具(ju)有極其優異的(de)耐蝕性(xing),抗拉(la)強度達(da)到1200MPa以(yi)上,延伸率(lv)與(yu)SUS 304不(bu)銹鋼相當,并且(qie)在(zai)-196~500℃范(fan)圍(wei)內具(ju)有同樣的(de)特性(xing)。

