高氮鋼屬于不銹鋼的一個種類。對一般鋼種而言,鋼中的氮含量超過一定限度就認為是有害成分,而高氮不銹鋼卻并非如此。這類特殊材料由于其優異的力學性能及耐蝕性、耐氧化、耐磨損性能,越來越廣泛地應用于化工、石化、能源、化肥生產、石油天然氣、采礦及交通運輸等領域。氮資源豐富而價廉,在奧氏體不銹鋼中能替代昂貴的鎳而保持奧氏體相的穩定。
在20世紀以前,人們懷疑氮在鋼中會使鋼變脆,并且存在向鋼中加氮困難的問題,所以剛開始,在鋼中一般不進行氮合金化。氮的有利作用直至20世紀初才被認可,Andrew在1912年首次研究了氮加入鋼中的作用,通過這項重要工作,首次在文獻中記載了氮對鋼力學性能及奧氏體穩定性的重大影響。
20世紀50年代,開始開發氮合金鋼的潛在性能及工藝技術。當AOD工藝使氮作為氣體代替不同的合金成為可能時,就開始普遍用氮進行不銹鋼的合金化。現在氮不僅常用在奧氏體鋼中,也用在奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼中。用氮和錳的復合合金代替昂貴的鎳還具有提高氮溶解度的優點,并且通過這個研究結果標準化了AISI200系列新合金。這類鋼的典型成分是18Cr-5Ni-8Mn-0.15N,它比AISI標準中的304牌號的不銹鋼具有更高的強度和耐蝕性?,F在印度是AISI200系列不銹鋼最大的生產者,幾乎占全世紀50萬t產量的70%。
最近國外又推出了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N和18Cr-18Mn-1Ni-4Mo-0.6N的高氮奧氏體不銹鋼,其最明顯的特點是集高強度、高韌性、高延展性、良好的加工硬化及耐蝕性于一體,已成功地應用于冶金、煤炭及電力工業材料,在潮濕、高沖擊摩擦環境中使用,明顯優于其他不銹鋼。
在奧氏體不銹鋼中氮和碳有許多共同性,如增加奧氏體穩定性,能有效提高鋼的冷加工強度等。加適量的氮能在提高鋼的強度和耐氧化性能的同時,不降低不銹鋼的耐晶間腐蝕性。以氮代碳,開發含氮不銹鋼已成為熱門話題。
目前,應用的含氮不銹鋼在我國新的國家標準中已有36種,占不銹鋼總數的1/4,其中奧氏體不銹鋼中已有22種,占奧氏體不銹鋼總數的1/3,雙相不銹鋼中的含氮不銹鋼已占80%以上,馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼及沉淀硬化型不銹鋼中均有含氮不銹鋼。而含氮不銹鋼又可分為控氮型、中氮型和高氮型三種。控氮型奧氏體不銹鋼是在超低碳(w(w(C)=0.02%~0.03%=0.02%~0.03%)鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入0.05%~0.10%(質量分數)氮,用以提高鋼的強度,使之達到含穩定化元素鈦的奧氏體不銹鋼或普通低碳(w(C)≤0.08%)奧氏體不銹鋼的水平,同時耐晶間腐蝕和晶間應力腐蝕性能優良;中氮型奧氏體不銹鋼是w(N)=0.10%0.40%,在正常大氣壓力條件下冶煉和澆注,所得到的氮合金化奧氏體不銹鋼(包括鉻鎳氮、鉻錳氮和鉻錳鎳氮型鋼)。我國含氮奧氏體不銹鋼基本上屬于中氮型奧氏體不銹鋼,如 022Cr17Ni7N、022Cr19Ni10N、05Cr19Ni10Si2CeN、12Cr17Mn6Ni5N、10Cr17Mn9Ni4N、20Cr15Mn15Ni2N等奧氏體不銹鋼的氮含量都在0.10%~0.30%(質量分數)之間,這類鋼以耐蝕性為主要目的,同時具有較高的強度;高氮型奧氏體不銹鋼的w(N)>0.40%,該類鋼既具有高強度,又具有耐蝕性。目前,國內含氮鋼中只有53Cr21M9Ni4N鋼中的w(N)=0.35%~0.50%,基本上達到高氮鋼標準。現在w(N)=0.8%~1.0%的高氮奧氏體不銹鋼已開始工業化生產,并獲得了實際應用。
由于高氮合金鋼具有較高的強度及良好的耐蝕性,可作為重要的工程材料,因此具有廣闊的發展前景。高氮鋼的發展潛力和應用極具吸引力,并且含氮不銹鋼的使用和需求已擴大并迅速增長。