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高氮钢的制造工艺

发表日期：2007年9月5日出处：冶金信息导刊作者：董廷亮李光强【编辑录入：bbyy】
摘要：目前，高氮钢已经被认定为是发展高质量冶金技术的主要方向之一。随着人们对高氮钢优良性能的认识，有关高氮钢的研制和生产得到了不断的进步和发展。简要回顾了高氮钢的国内外研究历程，详细介绍了几种公认的可接受的高氮钢的生产方法及其优缺点；最后提出了高氮钢的应用前景。

关键词：高氮钢制造工艺氮合金化

0前言
通常情况下，氮被认为是钢中的有害杂质之一。虽然常压下氮在液态钢中的溶解度很低，但这些少量的氮却能导致钢材产生时效脆化，于是开发了各种减少液态钢中氮的二次精炼技术，并还在不断地改进。然而，在高氮钢中氮作为合金元素可以和钢中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用，而赋予该钢种许多优异性能。例如，提高奥氏体的稳定性，使钢的力学性能大大提高，改善钢的耐腐蚀性等等。Speidel[1]把铁素体基体中含有0．08％(质量分数)以上的氮或在奥氏体基体中含0．4％(质量分数)以上的氮的钢称为高氮钢。
虽然氮加入钢中能有诸多有益之处，但由于氮在钢中的极限固溶度极低，限制了其在常规冶炼工艺下的加入量，致使高氮钢的研究在相当程度上仍局限于实验室规模。目前世界各国正致力于研究新的冶炼工艺并开发新的含氮廉价钢种，以使高氮钢的大工业生产成为可能。国家自然科学基金和宝钢集团公司的钢铁研究联合基金在2001年也把高氮不锈钢列入了鼓励研究开发的新型钢铁材料。

1国内外研究历程
在1926年，由于战争导致镍的短缺，激发人们研究用氮取代部分镍来稳定奥氏体。氮作为合金元素的使用最早报道于1938年。由于炼钢条件的限制，在大气压强下能加入的氮浓度非常低，因此作用不明显，不足以引起冶金学家和材料科学家的重视。随着加压冶金技术的发展，氮作为强烈间隙原子元素，以廉价、易得等特点，再次引起人们的注意。
在20世纪五六十年代，用氮作为钢中合金元素的研究曾经兴起过一个高潮，以Mn、N代Ni制的奥氏体不锈钢在当时是最突出的一个代表性高氮钢钢种。20世纪80年代后，高氮钢的热潮再次涌现。从1988年开始，在法国、德国、乌克兰、日本、芬兰、瑞典、印度和比利时已经连续召开了七届高氮钢国际会议。其问，也召开过其他高氮钢国际会议，比如，2003-年3月在瑞士召开了HNS2003，并出版了会议录。第八届国际高氮钢会议(HNS2006)于2006年在中国四川的九寨沟召开。可见高氮钢研究的兴隆。Volkov等对高氮钢研究和应用动向有一定的见地，显然将高氮钢研究的领域比前一次高潮大大扩展了，见图1。
在开发新钢种的同时，人们也认识到高氮钢的制备过程还必须解决存在的一些特殊问题。高氮钢的研制在于两方面：一方面根据材料性能的要求设计含氮钢的成分；另一方面是通过何种制备手段来得到合乎成分要求的高氮钢。由于氮在钢中溶解度很小，因此高氮钢生产中的关键问题是提高钢中氮的浓度，防止冷凝过程中钢内氮的逸出和保证氮在钢内均匀分布.

2高氮钢的制造工艺
当前发展高氮钢的主要问题是发展相应的工艺和设备，以保证金属在凝固时整个体积范围内达到一个高且均匀的氮浓度。高氮钢不像其他钢种那样容易冶炼，为了加入足够量的氮，钢的合金成分或冶炼工艺或两者都必须加以调整以使氮的溶解度足够高。氮的溶解度取决于压力、温度和合金成分，这在文献中有较详细的讨论，因此为了加入足够量的氮，通常希望钢中含有尽可能高的铬和锰且在高氮压力下熔炼。目前高氮钢的生产有以下一些方法。
2．1固体含氮合金添加法
该法向熔池添加含氮铁合金，如含氮的Mn—FeCr—Fe，V—Fe，氮化物Si3N4或氰化物Ca(CN)2，等，以达到氮合金化的目的，其最高含氮量可达到0．5％～0．6%，。但是由于该法引入了含氮铁合金，一是提高了材料的成本，二是降低了钢液的纯净度，而且，氮的浓度起伏加剧，易在高氮区形成氮气泡。
2．2增压感应炉中大量氮合金化
Okamoto等以及Frehser和Kubiseh在1962年和1963年分别报道了奥氏体钢在实验室规模的增压感应炉中进行高氮合金化研究的情况。钢在增压感应炉中进行大量氮合金化是通过气相产生作用的。在熔融金属和气体之间的界面通过N2一2[N]反应产生吸氮，金属的吸氮量取决于熔体与氮气的接触时问和接触面积。但由于在操作和处理大量过饱和氮的钢液时，存在着安全等方面的问题，故使得大规模生产的增压感应炉未能获得进一步发展。
2．3增压等离子炉中大量氮合金化
20世纪60年代中期，在由Paton研究所(Kiev)和Batell研究所(Ohio)共同发表的文章中叙述了用等离子重熔炉生产高氮合金钢的情况。其原理也是通过气相实现的，差别在于氮在等离子弧中分离成原子的形式供给液体金属。液态金属的吸氮量取决于氮气的分压、