氮 氮作為合金元素早期用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼中,以節約鎳。除節鎳效果外,氮通過固溶強化可顯著提高奧氏體不(bu)銹鋼(gang)的強度,而不顯著損害其塑性和韌性,同時氮還可以提高鋼的耐均(jun)勻腐蝕、耐點蝕、耐縫隙腐蝕和耐晶間(jian)腐(fu)蝕的性能。
由于氮(dan)的良好作用,用氮(dan)合金化的奧氏(shi)體不銹鋼不斷取得進(jin)展并獲得應(ying)用。目前(qian)應(ying)用的含氮(dan)奧氏(shi)體不銹鋼可以分為三種(zhong)類型:
1. 控氮型
此類鋼是在超(chao)低碳(tan)(0.02%~0.03%)鉻(ge)鎳(nie)奧氏(shi)體不(bu)銹鋼中(zhong)加(jia)入(ru)0.05%~0.12%N,用以(yi)提(ti)高鋼的強度,使其達到含穩定化(hua)元素鈦或普(pu)通(tong)低碳(tan)(≤0.08%)奧氏(shi)體不(bu)銹鋼的水平。
2. 中氮型
此類(lei)鋼(gang)含有0.12%~0.40%N,是在正常大氣壓力條(tiao)件下冶煉(lian)和(he)澆鑄所得到的(de)(de)氮合(he)金化奧氏(shi)體不銹鋼(gang)。此類(lei)鋼(gang)以(yi)耐腐(fu)蝕為主要目的(de)(de),同時具有較高的(de)(de)強度。
3. 高氮型
此類鋼(gang)(gang)氮含量在(zai)(zai)(zai)0.40%以上(shang)。此類鋼(gang)(gang)在(zai)(zai)(zai)加(jia)壓條件下冶煉(lian)和澆(jiao)鑄,或者(zhe)調整鋼(gang)(gang)中的(de)鉻、錳(meng)含量在(zai)(zai)(zai)常規(gui)條件下冶煉(lian)和澆(jiao)鑄,將氮加(jia)入到足(zu)夠高的(de)水平(ping)。此類鋼(gang)(gang)主要在(zai)(zai)(zai)固溶(rong)態或半冷(leng)加(jia)工(gong)狀態下使用(yong),既具(ju)有高強度,又耐腐蝕。
氮形成奧氏體的能力與碳相當,約為鎳的30倍。氮在奧氏體不銹鋼中可代替部分鎳,可降低鋼中的鐵素體含量,并使奧氏體更穩定,甚至可避免出現馬氏體轉變。在鉻鎳奧氏體不銹鋼中,氮含量的增加可形成氮化物Cr2N(圖9.54)。
氮顯著提高奧氏體鋼的強度(圖4.19),每加入0.010%N,可提高鉻鎳奧氏體不銹鋼的室溫強度(σ0.2、σb)60~100MPa,其塑性仍保持足夠高的水平。圖9.67顯示氮含量對022Cr19Ni10鋼室溫力學性能的影響。在高氮奧氏體鋼中,氮亦可以提高其強度,氮含量為1.2%的低碳Cr-Ni-Mn-N奧氏體不銹鋼的屈服強度可達800~900MPa。曾對低碳的18Cr-18Mn-N奧氏體不銹鋼的力學性能進行過研究,經固溶處理后可獲得單一的奧氏體組織,圖9.68為氮含量對其室溫屈服強度和斷裂韌度的影響。研究結果表明,在氮固溶于奧氏體的情況下,其含量高至0.74%時,斷裂韌度不降低,而其屈服強度顯著提高。通過冷加工變形,可以進一步提高其屈服強度。在固溶氮含量為0.58%時,經過40%的冷變形,鋼的屈服強度可達1400~1500MPa,其斷裂韌度將由很高的500MPa·m1/2降至依然不錯的200MPa·m1/2。
在氮(dan)含(han)量小(xiao)于0.67%時,鉻鎳奧氏體(ti)不銹鋼(gang)仍(reng)有低(di)(di)的(de)韌脆(cui)(cui)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)度,在-200℃的(de)低(di)(di)溫(wen)下仍(reng)有足夠(gou)高(gao)的(de)沖擊(ji)性(xing)能,但當氮(dan)含(han)量達到0.84%時,其韌脆(cui)(cui)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)度較高(gao),-200℃的(de)沖擊(ji)韌性(xing)已顯得(de)過低(di)(di)。
在一些酸性介質中,氮提高奧氏體不銹鋼耐一般腐蝕性能。適量的氮還提高奧氏體不銹鋼敏化態的耐晶間腐蝕性能,這是由于氮作為活性元素優先沿晶界聚集,氮降低碳原子和鉻原子的擴散能力,從而抑制M23C6型碳化物的析出和延緩σ相、x相的形成。圖9.69為氮對17Cr-13Ni-4,5Mo鋼中M23C6型碳化物析出行為的影響。適量的氮還可以顯著改善敏化狀態的耐晶間應力腐(fu)蝕開裂。
氮(dan)還提高鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼(gang)耐(nai)稀硝酸腐蝕(shi)的性能。
在氯化(hua)(hua)物環境中(zhong),氮(dan)顯著提高奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)耐(nai)點蝕(shi)和縫隙(xi)腐(fu)蝕(shi)的(de)性能。研究表明,氮(dan)僅(jin)是強化(hua)(hua)鉻、鉬(mu)元素在奧(ao)氏體(ti)中(zhong)的(de)耐(nai)蝕(shi)作用(yong),鉻、鉬(mu)的(de)存在是氮(dan)改善奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)耐(nai)蝕(shi)作用(yong)的(de)前提。氮(dan)耐(nai)點蝕(shi)和耐(nai)縫隙(xi)腐(fu)蝕(shi)的(de)能力(li)約相當于鉻的(de)30倍。
氮提高不銹鋼耐點蝕和耐縫隙腐蝕的機理尚有不同的觀點:氮在表面膜中富集,同時使表面膜中富鉻,從而提高鋼的鈍化能力和鈍態穩定性;氮與閉塞區的溶液反應形成NH-4,消耗H-,使初始蝕坑內pH升高,氮亦可產生NO-3,均有利于鋼的鈍化。
鉻鎳奧氏(shi)體不銹鋼(gang)中的(de)氮含量(liang)在(zai)0.12%~0.15%時,鋼(gang)的(de)熱、冷加(jia)工性及冷成形性等將有(you)所下降。熱加(jia)工性能的(de)降低是(shi)由(you)于鋼(gang)中氮化(hua)(hua)物和(he)碳氮化(hua)(hua)物的(de)析出影(ying)響了鋼(gang)的(de)熱塑(su)性,而氮的(de)固(gu)溶(rong)強化(hua)(hua)又減緩鋼(gang)的(de)回(hui)復過(guo)程(cheng)。冷加(jia)工性和(he)冷成形性的(de)降低主(zhu)要是(shi)氮固(gu)溶(rong)強化(hua)(hua)所致。