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。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(gang)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(shuang)相不銹(xiu)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1988年召開第一屆高氮鋼國(guo)際會議(yi)(yi)后,相繼在(zai)聯邦德國(guo)、日本、比利時(shi)和(he)中國(guo)等召開了(le)12屆,各國(guo)的(de)科研人(ren)員就高氮鋼的(de)研究與開發等議(yi)(yi)題進(jin)行了(le)深入的(de)交流與探(tan)討(tao)。高氮鋼國(guo)際會議(yi)(yi)的(de)連續召開極(ji)大地推動了(le)世界(jie)高氮鋼的(de)發展,也(ye)進(jin)一步加深了(le)人(ren)們對(dui)氮在(zai)鋼中作用機理的(de)認(ren)識(shi)。
到20世紀80~90年(nian)代,高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)制備技術(shu)(shu),特別是加(jia)壓(ya)冶(ye)煉設備取得(de)了(le)長足的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan),研(yan)(yan)發出(chu)加(jia)壓(ya)等(deng)離子電弧熔煉、加(jia)壓(ya)鋼(gang)包氮(dan)(dan)氣吹洗(xi)法、加(jia)壓(ya)感應熔煉等(deng)技術(shu)(shu)。1980年(nian)以來,德國(guo)Krupp和(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司(si)相繼建(jian)成了(le)用(yong)于工(gong)(gong)業化生(sheng)產(chan)(chan)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)16t和(he)20t 加(jia)壓(ya)電渣爐(lu),其壓(ya)力(li)可(ke)達(da)4.2MPa,主要通過添加(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)(dan)化合金來完成增氮(dan)(dan)任務。利用(yong)該技術(shu)(shu),德國(guo)VSG公司(si)分(fen)別于1975年(nian)、1981年(nian)和(he)1996年(nian)成功研(yan)(yan)制出(chu)大型火(huo)力(li)發電機(ji)護環用(yong)鋼(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目(mu)前護環用(yong)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)已在發達(da)國(guo)家得(de)到廣泛應用(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公司(si)商業化生(sheng)產(chan)(chan)了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)種(zhong)(zhong)在強度、韌性(xing)、延(yan)展(zhan)(zhan)性(xing)、加(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化能(neng)(neng)力(li)以及耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)方面表現優異(yi)。后來,瑞(rui)士的(de)(de)(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公司(si)改進(jin)了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研(yan)(yan)制了(le)一種(zhong)(zhong)加(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化能(neng)(neng)力(li)極高(gao),并具有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度、良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)韌性(xing)和(he)優異(yi)耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)。
隨著人們對氮(dan)(dan)在不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)中作用(yong)機(ji)制認識的(de)(de)(de)不(bu)斷深入,基于以氮(dan)(dan)代碳的(de)(de)(de)合(he)金設計理念,開(kai)發出(chu)一系列性能(neng)(neng)優異的(de)(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)及耐(nai)蝕塑料模(mo)具鋼(gang)(gang)。德國VSG 公(gong)司(si)采用(yong)加壓電渣重(zhong)熔和(he)(he)精密鍛(duan)造技術(shu)開(kai)發出(chu)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具備強度(du)和(he)(he)硬度(du)高(gao)(gao)、韌性好、耐(nai)腐(fu)蝕性能(neng)(neng)優異和(he)(he)回(hui)火穩(wen)定性強等(deng)特點,其性能(neng)(neng)明顯優于目前航(hang)空航(hang)天領域的(de)(de)(de)商用(yong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)(M50和(he)(he)M50NiL等(deng)),已應用(yong)于航(hang)天飛(fei)(fei)機(ji)燃料泵軸(zhou)(zhou)承(cheng)、遙(yao)感衛(wei)星控制力矩陀螺(luo)高(gao)(gao)速轉子(zi)軸(zhou)(zhou)承(cheng)、飛(fei)(fei)機(ji)渦(wo)輪發動機(ji)主軸(zhou)(zhou)承(cheng)、起落架滾(gun)珠絲(si)杠、直升(sheng)機(ji)旋轉斜盤(pan)軸(zhou)(zhou)承(cheng)等(deng)部件。奧(ao)地(di)利B?hler公(gong)司(si)利用(yong)加壓電渣重(zhong)熔工藝,開(kai)發了性能(neng)(neng)優異的(de)(de)(de)含氮(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)(he)M340(0.2%N)耐(nai)蝕塑料模(mo)具鋼(gang)(gang),其純凈度(du)更高(gao)(gao),組織更均(jun)勻細小(xiao),同時(shi)具有極(ji)佳的(de)(de)(de)拋光和(he)(he)耐(nai)腐(fu)蝕性能(neng)(neng)、良(liang)好的(de)(de)(de)韌性、加工性能(neng)(neng)以及尺(chi)寸穩(wen)定性,滿足(zu)了高(gao)(gao)端耐(nai)蝕鏡面(mian)塑料模(mo)具市場需(xu)求。
日本國家材料研究所于1997年開(kai)(kai)始進(jin)行日本超級鋼開(kai)(kai)發(fa)(fa)計(ji)劃(STX21)中的“耐(nai)海水腐蝕不(bu)銹鋼的開(kai)(kai)發(fa)(fa)”工作,利用復合電極的加壓電渣爐在(zai)4MPa下(xia)開(kai)(kai)發(fa)(fa)出節省資源型(xing)高性(xing)能耐(nai)海水腐蝕高氮不(bu)銹鋼 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼種具有(you)極其優異的耐(nai)蝕性(xing),抗拉強度達到1200MPa以上,延伸率與SUS 304不(bu)銹鋼相(xiang)當,并且(qie)在(zai)-196~500℃范圍內具有(you)同樣的特性(xing)。

