氮在不锈钢中的作用

2023-12-29

氮是钢中的常存元素,来源于炉料或钢液高温吸入。氮可以稳定奥氏体组织,显著提高钢在固溶处理之后的强度和韧性。氮可以改善高铬、高铬-镍钢的宏观组织,使之致密坚实,因而在不锈钢、耐热钢中以氮代镍有其重要的经济价值和发展前途。氮和钢中钛、铝等合金元素有很强的亲和力,与之化合形成非常稳定的氮化物,在晶界晶内弥散分布起沉淀强化作用;阻抑钢在高温下蠕变变形,提高蠕变和持久强度。借助表面渗入方法,如渗氮、碳-氮共渗,可使钢的表面形成氮化物、氰化物,从而增加钢表面层的硬度、强度、耐磨性及抗蚀性。除铁素体不锈钢外,近十多年来几乎所有类型的不锈钢,特别是奥氏体和双相不锈钢均普遍用氮进行合金化,从而使奥氏体和α+γ双相不锈钢进入了现代不锈钢时代,不锈钢有控氮( [N]≤0.10% 或 [N]<0.12%)、中氮( [N]≤0.40% 或 [W]<0.50%)和高氮[N]>0.4% 或 [N]≥0.50%)不锈钢,超级奥氏体不锈钢以及含低氮的超级马氏体不锈钢。氮在双相不锈钢中,虽不能防止σ相的析出,但可抑制的σ相的形成。双相不锈钢正式由于加入了氮才出现了第二代和第三代双相不锈钢(超级双相不锈钢和经济性双相不锈钢),使双相不锈钢形成了系列,并成为了与马氏体、铁素体、奥氏体等三大类不锈钢并列的钢类,由于氮在铁素体不锈钢中溶解度极低,而在奥氏体中溶解度很高,因此氮在双相不锈钢中的有益作用主要是体现在改善奥氏体组织的性能。

氮在双相不锈钢中可延缓奥氏体相(γ)的高温熔接并可促进焊后热影响区二次奥氏体(γ2)的析出,从而有利于双相不锈钢的生产、加工和焊接。氮是在不锈钢中应用的唯一一种气态合金元素,它取之容易且量无限,价格低廉,生产中加入方便,有益作用显著,但副作用少,是现代不锈钢钟非常有发展前途的重要合金元素。

需要强调氮在不锈钢中对耐蚀性所起的有益作用,钢中含有足够量的铬、钼元素是必要条件。一般认为,氮可促进钝化膜中铬的富集,提高钢的钝化能力;氮可形成NH3和NH4+使微区溶液的PH值提高;富铬的氮化物在金属与钝化膜的界面处形成,进一步强化了钝化膜的的稳定性。研究表明,在双相不锈钢中氮还可与钼结合形成Ni2Mo2N,使钝化膜更加稳定,从而使钢的耐蚀性提高,

氮通过固溶强化等显著提高奥氏体和双相不锈钢的室温和高温强度。在铬镍奥氏体不锈钢中加入0.1%N,可使钢的强度提高60-100MPa,但当氮量适宜时,并不显著降低钢的塑、韧性。氮的大量加入可使高氮奥氏体不锈钢获得非常高的强度,但钢的断裂韧性并不降低。

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