1、高氮高氮鋼的制造工的制造工藝發(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：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)鍵詞關(guān)鍵詞：高氮鋼制造工藝氮合金化0前言前言通常情況下，

2、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008％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的氮或在奧氏體

3、基體中含04％(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)外研究歷程國(guó)內(nèi)外研究歷程在1926年，

4、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。2

5、0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

6、。在開(kāi)發(fā)新鋼種的同時(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。23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

7、章中敘述了用等離子重熔爐生產(chǎn)高氮合金鋼的情況。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條件等。在等離子弧作用下，達(dá)到氮飽和濃度僅需3min，時(shí)間明顯比電阻爐、感應(yīng)爐所需的時(shí)間短，吸氮速率大，而且溶液中金屬雜質(zhì)含量低，能減少揮發(fā)性元素(如Mn和Cr)的損失，不用加入含氮合金就能得到較高的氮濃度。重熔鋼錠巾的平均氮含量約可達(dá)06％，相當(dāng)于Sieve

8、rt公式的平衡值。然而，等離子的條件很難控制，因而對(duì)氮含量也就難于精確控制，并且由于熔煉過(guò)程中熔池溫度的波動(dòng)，無(wú)論從橫向或縱向上來(lái)看，鋼錠中氮的濃度極不均勻。24增壓電渣重熔爐中大量氮合金化20世紀(jì)70年代，西德KruppFschungsinstitu的研究工作者們利用增壓電渣重熔工藝冶煉高氮鋼。重熔裝置采用冷銅坩堝，可由壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)使其不受壓力作用而破壞。其原理與上述兩種方法相反。在增壓電渣重熔過(guò)程中通過(guò)氣相并沒(méi)有產(chǎn)生大量氮合金化，只

9、有在重熔過(guò)程中不斷加壓，才能向凝固部分和熔池持續(xù)添加氮。系統(tǒng)持續(xù)的壓力只保證將氮導(dǎo)入金屬液中，其大小取決于合金的成分和所要求的氮含量。加氮的方式有兩種，一種是在重熔過(guò)程中連續(xù)添加粒狀高氮合金，另一種是以鋼制空心管作外套，內(nèi)裝燒結(jié)的或鑄造的高氮合金芯組成的組合電極進(jìn)行重熔。在重熔過(guò)程中持續(xù)地添加高氮顆粒時(shí)，不僅加氮，而且要加一定量的Cr和Mn。采用這種工藝已比較成功地冶煉了不少高氮不銹鋼。增壓電渣重熔存在許多不足，除生產(chǎn)成本高外還有：1)

10、為了獲得高氮含量，需采用復(fù)雜且昂貴的方法制造復(fù)合電極，同時(shí)根據(jù)熔化速率在高壓下添加高氮合金粉末；2)向渣中添加氮化物時(shí)會(huì)擾亂熔煉過(guò)程使重熔錠中氮的分布不均勻；3)有時(shí)為了得到成分均勻的產(chǎn)品，必須進(jìn)行兩次重熔；4)成品合格率低；5)該工藝只能生產(chǎn)尺寸規(guī)格規(guī)定的一些錠子，不能生產(chǎn)任接近最終形狀的鑄件、棒料和板坯。25反壓鑄造法大量氮合金化在常規(guī)冶煉條件下，當(dāng)鋼液中含氮量較高時(shí)，氮在凝固過(guò)程中形成氣體并逸出，使鋼錠內(nèi)外出現(xiàn)氣孔，嚴(yán)重使鋼鐵表面

11、會(huì)呈蜂窩狀。保加利亞的Rashev等經(jīng)過(guò)多年努力發(fā)明了高氮鋼反壓鑄造法，成功解決了前述難題。反壓鑄造設(shè)備裝置的要點(diǎn)在于控制加壓裝置中熔融金屬和氣相的氣體置換反應(yīng)，以保證準(zhǔn)確地控制鋼錠中有害氣體和有利氣體的含量。利用這種方法成功地冶煉了一系列超高氮不銹鋼、工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼和一些其他特殊性能的鋼，其含氮量可高達(dá)12％左右。結(jié)果表明，此法用于大規(guī)模生產(chǎn)高氮鋼是很有潛力的。它的獨(dú)到之處在于其合金化和凝固過(guò)程可以在時(shí)間和空間上都加以分開(kāi)；反壓鑄造裝

12、置可用來(lái)熔化金屬也可用來(lái)接收已經(jīng)熔融好的金屬。值得注意的是，采用此法可以省去等離子弧重熔、電渣重熔、增壓電渣重熔等那樣一個(gè)完整的冶煉工序。此法的優(yōu)點(diǎn)還有氮在鋼錠縱向和橫截面上分布均勻；易加入低熔點(diǎn)易揮發(fā)金屬(Ca、Pb、Mg、Zn等)。但是此法未能發(fā)展成大生產(chǎn)，主要阻力使凝固時(shí)所需要的氣壓太大，使得它所能制造的鋼錠噸位有限。26VOD工藝大量氮合金化Holzgruber[3]考慮到高壓電渣重熔的缺點(diǎn)提出了用V0D爐大規(guī)模生產(chǎn)高氮鋼的方法