高氮無鎳奧氏體不銹鋼

高氮無鎳奧氏體不銹鋼不僅具有生產成本低，綠色環保等的優點，而且在奧氏體不銹鋼中加入氮賦予了鋼許多優異的性能。

在以往奧氏體不銹鋼的成本中鎳占的比例為60%~90%，鎳的價格非常昂貴，而且鎳資源是非常重要的戰略物資，我國又是一個鎳資源非常貧乏的國家。以廉價的氮元素代替貴重而稀缺的鎳元素，生產Cr-Mn-N系高氮無鎳奧氏體不銹鋼是減少鎳資源消耗最有效的方法，其意義十分重大。向奧氏體不銹鋼中加入1%的N就可以代替6~20%的Ni，而N元素的價格僅為Ni元素的1/200，價差十分巨大。因此，研發和生產高氮無鎳奧氏體不銹鋼具有極大的經濟效益和社會效益。

常規的奧氏體不銹鋼雖然具有良好的抗腐蝕性能，但在450~850℃保溫或緩慢冷卻時晶界上會析出Cr23C6，使周圍基體形成貧鉻區，從而造成晶間腐蝕。采用減小鋼中含碳量及向鋼中加入Ti、Nb的方法可以防止晶間腐蝕，但這種鋼在焊接時容易因焊接溫度過高而使TiC或NbC溶解，形成刀狀腐蝕，而且Ti、Nb屬于貴金屬，生產奧氏體不銹鋼很不經濟，因此超低碳奧氏體不銹鋼逐漸代替了Ti、Nb類不銹鋼。然而固溶碳含量的降低使得奧氏體不銹鋼的強度也隨之大大降低。以N代C是獲得高強度高韌性奧氏體不銹鋼的一個重要途徑。研究發現，N和C均以間隙原子的形式固溶強化奧氏體，但氮元素能夠加強鋼的金屬鍵而碳元素則加強原子間的共價鍵，氮原子占據間隙位置時電子云密度比碳高，因此，氮比碳更能穩定奧氏體。氮元素可以導致滑移平面和變形孿晶的增加，從而阻止位錯運動和孿晶擴展，極大地增加奧氏體不銹鋼的形變硬化率和強度。高氮鋼與傳統的鋼相比性能可以提高30~150%。目前，高氮不銹鋼的抗拉強度已達到800MPa以上，并且仍然保持著較好的塑性、韌性和抗腐蝕性能。

但是，在常壓下氮在鋼中的溶解度很低，如何將氮加入到鋼中成為阻礙氮作為合金化元素的主要因素，發展相應的工藝和設備以保證金屬凝固時整個體積范圍內達到高而均勻的氮濃度是發展高氮鋼的首要問題。加壓冶金技術的發展可以使得氮以較大含量固溶于奧氏體中，如加壓電渣重熔、加壓感應熔煉、真空感應熔煉、高壓等離子弧熔煉、熱等靜壓熔煉等等。歐洲一些國家用4.2MPa、20噸的加壓電渣爐生產出了高氮奧氏體不銹鋼，并已經實現工業化生產和應用。但是，加壓冶金存在冶煉工藝復雜、設備昂貴、安全隱患大、生產成本高等問題。為此，近年來國內外學者主要致力于研究常壓下冶煉含氮量較高的奧氏體不銹鋼，并取得了一定的成果。東北大學與中科院金屬所合作已經制備出含氮量在1.0%以上的高氮奧氏體不銹鋼。長春工業大學已在常壓下成功冶煉出含氮量為0.6%~1.2%的高氮無鎳奧氏體不銹鋼。