由于含氮鋼常常出現時效硬化,氮在鋼中容易出現偏析和氣孔,甚至造成鋼鑄件報廢,而且氮增加了鐵素體鋼的脆性,因此在過去很長一段時間,人們對氮的認識都是負面的。對氮在鋼中的有益影響的認識,開始于20世紀初。1912年Andrew首先發現了氮對力學性能的影響以及氮的奧氏體化能力。1926年Adcodk研究證明氮的加入能夠提高含鉻鋼的強度。之后,Uhlig首先提出氮除了提高強度以外還能提高鋼的耐腐蝕性能。第二次世界大戰期間由于鎳供應嚴重不足,德國人首先研制出以錳、氮代替部分鎳的不銹鋼(gang)。20世紀50年代,隨著對含氮合金潛在特性認識的深入和含氮鋼制備技術的發展,尤其氬氧脫碳法(argon-oxygen decarburization,AOD)的出現,含氮不銹鋼在美國變得很流行,開發了含氮的高錳系列奧氏體不銹鋼,即AISI 200系列不銹鋼,其典型成分為18Cr-5Ni-8Mn-0.15N,具有明顯優于304不銹鋼的強度和耐腐蝕性能。同時,氮在不銹鋼中作用的研究也不斷深入。60年代之后,氮作為合金元素在AISI 300 系列奧氏體不銹鋼(gang)和雙相(xiang)不銹鋼中得到廣泛應用,逐漸形成許多含氮的不銹鋼品種系列。
然而,上述含氮不銹鋼均未達到“高氮鋼”的氮含量要求。高氮不銹鋼研究開始于20世紀60年代初期,研究人員在實驗室內采用加壓感應爐實驗了多種氮含量的高氮奧氏體鋼。基于加壓下氮在合金中的溶解行為研究,Bezobrazov等、Chipman和Corriganl14建立了氮在合金中的溶解度模型,有力推進了高氮不銹鋼的研發。到60年代后期,氮對力學性能和耐腐蝕性能的影響機理逐步得到了豐富和完善。在1976年美國腐蝕工程師協會(NationalAssociation of Corrosion Engineers,NACE)國際會議上,Osozawa和Okada提出了NH3/NH1形成理論。然而,受當時高氮鋼冶煉技術的限制,氮含量均低于0.6%,高氮鋼并沒有得到廣泛應用。
從(cong)1988年召(zhao)開第一屆高氮(dan)鋼國際(ji)會(hui)議后,相繼在聯邦德國、日(ri)本、比利時和中國等召(zhao)開了(le)12屆,各國的(de)科研(yan)人員就高氮(dan)鋼的(de)研(yan)究與開發(fa)等議題進(jin)行了(le)深入的(de)交流與探(tan)討。高氮(dan)鋼國際(ji)會(hui)議的(de)連續召(zhao)開極(ji)大(da)地推動(dong)了(le)世(shi)界高氮(dan)鋼的(de)發(fa)展,也進(jin)一步加深了(le)人們對氮(dan)在鋼中作用機理的(de)認識。
到20世(shi)紀80~90年(nian)代,高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的制備(bei)技術,特(te)別(bie)是加(jia)壓(ya)(ya)冶煉設備(bei)取(qu)得了長足(zu)的發(fa)展(zhan),研發(fa)出加(jia)壓(ya)(ya)等(deng)離(li)子電(dian)弧熔(rong)煉、加(jia)壓(ya)(ya)鋼(gang)包(bao)氮(dan)(dan)氣吹(chui)洗法(fa)、加(jia)壓(ya)(ya)感應熔(rong)煉等(deng)技術。1980年(nian)以來,德(de)國Krupp和(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司(si)相繼建成(cheng)了用于工(gong)業(ye)化生產(chan)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的16t和(he)20t 加(jia)壓(ya)(ya)電(dian)渣爐(lu),其(qi)壓(ya)(ya)力可達4.2MPa,主要通(tong)過添(tian)加(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)(dan)化合金來完成(cheng)增氮(dan)(dan)任務。利用該技術,德(de)國VSG公司(si)分(fen)別(bie)于1975年(nian)、1981年(nian)和(he)1996年(nian)成(cheng)功研制出大型(xing)火力發(fa)電(dian)機護(hu)環用鋼(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)環用高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)已(yi)在發(fa)達國家得到廣泛應用。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公司(si)商業(ye)化生產(chan)了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)種(zhong)在強度、韌性、延展(zhan)性、加(jia)工(gong)硬(ying)化能(neng)力以及(ji)耐腐蝕性能(neng)方(fang)面(mian)表現優(you)異。后來,瑞(rui)士(shi)的Nitrofer AG(NAG)公司(si)改進了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了一種(zhong)加(jia)工(gong)硬(ying)化能(neng)力極高(gao),并具有較(jiao)高(gao)的硬(ying)度、良(liang)好的韌性和(he)優(you)異耐腐蝕性能(neng)的高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)。
隨(sui)著人們對氮在不銹鋼中作用(yong)(yong)機制認(ren)識(shi)的(de)不斷深入(ru),基于以(yi)(yi)氮代碳的(de)合金(jin)設計(ji)理念,開發(fa)出一系列性(xing)(xing)能優(you)(you)異(yi)(yi)的(de)高(gao)(gao)(gao)氮不銹軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼及耐(nai)蝕塑料模具(ju)(ju)鋼。德國VSG 公(gong)司采用(yong)(yong)加壓(ya)電渣重(zhong)熔和精密鍛造技術開發(fa)出高(gao)(gao)(gao)氮不銹軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼 Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)(ju)備強度(du)和硬度(du)高(gao)(gao)(gao)、韌性(xing)(xing)好(hao)、耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)能優(you)(you)異(yi)(yi)和回火穩定性(xing)(xing)強等(deng)(deng)特點,其性(xing)(xing)能明(ming)顯優(you)(you)于目前航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天領域(yu)的(de)商用(yong)(yong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(M50和M50NiL等(deng)(deng)),已應用(yong)(yong)于航(hang)(hang)天飛(fei)(fei)機燃料泵(beng)軸(zhou)(zhou)承(cheng)、遙感衛(wei)星控(kong)制力矩陀螺高(gao)(gao)(gao)速轉子軸(zhou)(zhou)承(cheng)、飛(fei)(fei)機渦輪(lun)發(fa)動(dong)機主軸(zhou)(zhou)承(cheng)、起落架(jia)滾珠(zhu)絲杠、直升機旋轉斜盤軸(zhou)(zhou)承(cheng)等(deng)(deng)部件。奧地利(li)B?hler公(gong)司利(li)用(yong)(yong)加壓(ya)電渣重(zhong)熔工藝,開發(fa)了性(xing)(xing)能優(you)(you)異(yi)(yi)的(de)含氮M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和M340(0.2%N)耐(nai)蝕塑料模具(ju)(ju)鋼,其純凈(jing)度(du)更高(gao)(gao)(gao),組織更均(jun)勻細(xi)小,同時具(ju)(ju)有極佳的(de)拋(pao)光和耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)能、良好(hao)的(de)韌性(xing)(xing)、加工性(xing)(xing)能以(yi)(yi)及尺寸(cun)穩定性(xing)(xing),滿足了高(gao)(gao)(gao)端(duan)耐(nai)蝕鏡面塑料模具(ju)(ju)市場(chang)需求。
日本國家材料(liao)研究(jiu)所于1997年開(kai)始進行(xing)日本超級鋼開(kai)發(fa)計劃(STX21)中的(de)“耐(nai)(nai)海水(shui)腐(fu)蝕不(bu)銹(xiu)鋼的(de)開(kai)發(fa)”工(gong)作,利用(yong)復(fu)合電(dian)極的(de)加壓(ya)電(dian)渣爐在4MPa下(xia)開(kai)發(fa)出節(jie)省資源型(xing)高性能耐(nai)(nai)海水(shui)腐(fu)蝕高氮不(bu)銹(xiu)鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼種具有極其優異的(de)耐(nai)(nai)蝕性,抗拉強度達到1200MPa以上,延伸率與SUS 304不(bu)銹(xiu)鋼相當,并且在-196~500℃范圍內具有同樣的(de)特(te)性。

