我国含氮钢的研究开始于20世纪50年代,北京科技大学(原北京钢铁学院)的肖纪美教授就开始研究钢中氮对组织和性能的影响,发现锰、氮能部分或全部代替奥氏体不锈钢中的镍,首次提出了节镍奥氏体不锈钢基本成分设计和力学性能计算的方法及计算图,成功研发了Cr-Mn-C-N节镍奥氏体不锈钢。70年代,中国科学院金属研究所成功地开发出含氮无镍双相不锈钢(0Cr17Mn14Mo2N),并获得了一应用。21 世纪初,中国科学院金属研究所在国家计划(“863计划”)项目的支持下,研究开发出含氮医用无镍奥氏体不锈钢(17Cr-14Mn-2Mo-0.46N),较全面地研究了材料的力学性能、耐腐蚀性能、腐蚀疲劳性能、磨蚀性能和生物相容性。结果证明,新钢种较传统医用 316L不锈钢具有更为优良的综合力学性能、耐体液腐蚀能力和生物学相容性。此外,中国科学院金属研究所以中氮含量的22Cr-13Ni-5Mn为基础研制成功的高强度抗氢钢(HR-3)在核技术领域获得了应用。东北大学自20世纪90年代以来也开展了氮合金化的实验室研究工作,并在10t电弧炉和30tAOD炉上应用。随着我国大型AOD精炼装备的普及和精炼技术的进步,特别是以氮代氩吹炼工艺的日趋成熟,以山西太钢不锈钢股份有限公司(简称太钢)为代表的不锈钢企业发展了系列含氮、中氮和高氮不锈钢,丰富了氮合金化不锈钢品种并拓展了其应用领域,促进了我国氮合金化不锈钢的繁荣和发展。


  20世纪80年代末我国开始了高氮不锈钢的初步研究,如原上海钢铁研究所曾利用保加利亚的反压铸造技术试制了高氮不锈钢。20世纪90年代以来,基于我国大容量发电机组对高性能护环的迫切需求,中国第一重型机械集团公司(一重)、第二重型机械集团公司(二重)、德阳万鑫电站产品开发有限公司、东北大学、太原科技大学(原太原重型机械学院)等企业和科研院校陆续开展了Mn18Cr18N护环钢常压冶炼、热加工、热处理、冷变形等工艺研究,目前已突破600MW以上大容量发电机组用Mn18Cr18N护环成套制备技术,并成功实现国产化,为我国高氮不锈钢新品种研发和生积累了丰富经验,促进了含氮热作模具钢、耐蚀塑料模具钢和轴承钢,以及Cr-Mn系无磁钻铤、坦克装甲等高氮不锈钢的生产和应用。


  加压冶金是制备氮含量超过常压溶解度的高性能高氮不锈钢的有效途径,而加压冶金关键装备及相关制备技术的长期缺失严重制约了我国高性能高氮不锈钢的研发、生产和应用。2005年以来,东北大学特殊钢冶金研究所在国家自然科学基金钢铁联合重点、科技部“863计划”等项目经费的持续支持下,系统开展了高氮不锈钢冶金学基础、加压冶金装备、常压和加压冶金制备技术、氮在高氮不锈钢的作用机制以及高氮不锈钢新品种等方面的研究和开发工作。2007年东北大学自主研发出最大压力为4MPa的25kg 加压感应炉和国内首台最大压力为7MPa的50kg加压电渣炉,特别是2018年又建立了2kg多功能加压冶金试验平台和500kg半工业化规模的加压电渣炉,以及即将投入使用的500kg加压感应炉,大大加快了我国高氮不锈钢的研发进程。利用上述加压冶金关键装备,系统研究了氮在常压和加压合金熔体中的溶解行为,引入氮分压对氮活度的修正系数,建立了全新的不锈钢熔体中氮溶解度模型,广泛应用于常压和加压冶炼过程中氮的精确控制,得到国内外同行的充分认可。构建了加压凝固过程铸锭和铸型温度变化及界面气隙的测量装置和方法,量化了压力强化冷却的效果,阐明了加压强化冷却机理,明确了压力对凝固相变、凝固热力学和动力学参数的影响规律,揭示了加压细化枝晶组织,抑制疏松缩孔,改善偏析、夹杂物和析出相分布的作用机理。上述冶金学基础研究,丰富和发展了加压冶金理论,为高氮不锈钢加压冶金制备技术的研发提供了理论支撑。同时,开发出加压感应炉分阶段控制压力的气相氮合金化、制备复合电极加压电渣重熔、加压感应和加压电渣双联等系列高氮不锈钢加压冶金制备技术。阐明氮在高氮不锈钢中的作用机制,建立以“碳氮调控”为核心及多元素协同作用高氮不锈钢合金设计方法。开发出高级别护环钢P900N、P900NMo和P2000,耐蚀塑料模具钢4Cr13MoN,航空高氮不锈轴承30Cr15Mo1N等新产品。


  此外,武汉科技大学、华北理工大学、钢铁研究总院等科研院校也开展了加压下氮的溶解行为、凝固偏析、制备技术以及品种开发等研究工作。武汉科技大学李光强教授建立了0.2kg 的加压感应炉(最大压力1MPa),研究了氮在Fe-Cr-Mn-Ni、Fe-Cr-V、316L合金熔体中的溶解行为,发现加压能显著提高熔体中氮的溶解度;随着合金熔体温度降低,其氮含量提高;随着合金熔体中氧浓度增加,其吸氮速率及平衡氮含量显著降低。华北理工大学王书桓教授构建了一台高压真空复合碳管电阻炉(最大压力2.5MPa,最高温度2000℃),利用高氮分压下底吹氮气的方法,研究了氮在Fe-Cr-Mn系、Cr12N合金熔体溶解热力学和动力学行为。结果表明,加压能显著增加熔体中的氮溶解度;熔体中氮含量随着Cr、Mn 含量的增加而提高,随着温度的升高而降低;提高合金熔体温度,其增氮反应速率增大;提高凝固压力,钢锭的致密性和缩孔现象得到明显改善,并获得了防止氮气孔析出的最小凝固压力。钢铁研究总院利用加压感应炉进行了高氮不锈轴承钢的研发,并对该类材料的组织和性能、热加工和热处理工艺等进行了较为深入的研究,其硬度、强度和耐蚀性与国外产品相当,但冲击韧性有待进一步提升。由于加压电渣关键装备的缺失,采用非真空感应熔炼+电渣重熔双联工艺发展了低氮含量的 40Cr15Mo2VN(0.15~0.2%N),强度和硬度较高,但耐蚀性与Cronidur 30仍存在较大差距。近年来,浙江天马轴承集团有限公司从德国ALD公司引进一台5t加压电渣炉,抚顺特殊钢股份有限公司从奥地利INTECO公司引进一台15t加压电渣炉,进一步加速了我国高氮不锈钢研发和生产的进程。


  高氮不锈钢能否在工程领域获得广泛应用在很大程度上取决于其焊接性能,近年来,南京理工大学、长春理工大学、钢铁研究总院、哈尔滨工业大学等。科研院校采用传统熔焊工艺(熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、激光-电弧复合焊接等)进行了高氮不锈钢焊接,并对焊接接头中氮的行为、组织和力学性能进行了深入的研究。研究表明,采用传统熔焊工艺焊接高氮不锈钢易造成焊缝中氮的损失和氮气孔的形成,且焊缝组织中会形成“骨骼状”δ-Fe,进而降低焊接接头性能。中国科学院金属研究所和东北大学特殊钢冶金研究所则采用搅拌摩擦焊接工艺进行了高氮不锈钢焊接,深入研究了不同焊接参数(焊接速度、搅拌头转速、冷却速率等)下焊接接头的氮含量、组织和性能,并成功制备出无氮损失和氮气孔、组织细小、性能优异的高氮不锈钢焊接接头。




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