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(bu)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(bu)銹鋼(gang)和雙相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(dan)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(zhao)開第(di)一屆高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會議后,相繼在(zai)聯邦德國(guo)、日本、比(bi)利時(shi)和中(zhong)國(guo)等(deng)召(zhao)開了12屆,各國(guo)的科研(yan)人員就高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的研(yan)究(jiu)與開發等(deng)議題進行了深入的交流與探討。高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會議的連續召(zhao)開極大地推動(dong)了世界高(gao)氮(dan)(dan)(dan)鋼(gang)的發展,也進一步加(jia)深了人們對氮(dan)(dan)(dan)在(zai)鋼(gang)中(zhong)作用機理的認(ren)識。
到(dao)20世紀80~90年代,高(gao)氮(dan)鋼(gang)的(de)(de)制備技術,特別是(shi)加(jia)壓冶煉設備取得了(le)(le)長足的(de)(de)發展,研發出加(jia)壓等(deng)離子(zi)電(dian)(dian)弧熔(rong)煉、加(jia)壓鋼(gang)包氮(dan)氣(qi)吹洗法、加(jia)壓感應(ying)(ying)熔(rong)煉等(deng)技術。1980年以來,德國(guo)Krupp和VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司相(xiang)繼建成(cheng)了(le)(le)用于工業化(hua)(hua)生產高(gao)氮(dan)鋼(gang)的(de)(de)16t和20t 加(jia)壓電(dian)(dian)渣(zha)爐,其壓力(li)可達(da)4.2MPa,主要通過添加(jia)Si3N4等(deng)氮(dan)化(hua)(hua)合金來完成(cheng)增氮(dan)任(ren)務。利用該技術,德國(guo)VSG公司分別于1975年、1981年和1996年成(cheng)功研制出大型火力(li)發電(dian)(dian)機護環用鋼(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前(qian)護環用高(gao)氮(dan)鋼(gang)已(yi)在發達(da)國(guo)家得到(dao)廣泛(fan)應(ying)(ying)用。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公司商業化(hua)(hua)生產了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)種在強(qiang)度、韌(ren)性(xing)、延(yan)展性(xing)、加(jia)工硬化(hua)(hua)能力(li)以及(ji)耐腐(fu)蝕(shi)性(xing)能方面表現優異(yi)。后來,瑞士(shi)的(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公司改進了(le)(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了(le)(le)一種加(jia)工硬化(hua)(hua)能力(li)極高(gao),并具有較高(gao)的(de)(de)硬度、良好(hao)的(de)(de)韌(ren)性(xing)和優異(yi)耐腐(fu)蝕(shi)性(xing)能的(de)(de)高(gao)氮(dan)鋼(gang)。
隨(sui)著人們對氮(dan)在不銹(xiu)鋼(gang)中作用(yong)機制認識(shi)的(de)不斷深入,基于以(yi)氮(dan)代碳(tan)的(de)合金設(she)計理(li)念(nian),開發出一(yi)系(xi)列性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異的(de)高(gao)氮(dan)不銹(xiu)軸(zhou)承鋼(gang)及(ji)耐蝕(shi)塑(su)料模(mo)具(ju)鋼(gang)。德國VSG 公司采(cai)用(yong)加壓電(dian)渣(zha)重熔和精密鍛造(zao)技術開發出高(gao)氮(dan)不銹(xiu)軸(zhou)承鋼(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備強度和硬度高(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)好、耐腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異和回火(huo)穩(wen)定性(xing)(xing)強等特點,其(qi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)明顯(xian)優(you)于目前航空航天(tian)領域(yu)的(de)商用(yong)軸(zhou)承鋼(gang)(M50和M50NiL等),已(yi)應用(yong)于航天(tian)飛機燃(ran)料泵軸(zhou)承、遙感衛星控制力矩陀螺高(gao)速轉子軸(zhou)承、飛機渦輪發動機主軸(zhou)承、起落架(jia)滾珠絲杠、直(zhi)升(sheng)機旋(xuan)轉斜(xie)盤軸(zhou)承等部件。奧地利B?hler公司利用(yong)加壓電(dian)渣(zha)重熔工藝(yi),開發了(le)性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)異的(de)含氮(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和M340(0.2%N)耐蝕(shi)塑(su)料模(mo)具(ju)鋼(gang),其(qi)純凈度更高(gao),組(zu)織更均勻細(xi)小,同時具(ju)有極佳(jia)的(de)拋光(guang)和耐腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)、良好的(de)韌(ren)性(xing)(xing)、加工性(xing)(xing)能(neng)(neng)以(yi)及(ji)尺寸穩(wen)定性(xing)(xing),滿足了(le)高(gao)端耐蝕(shi)鏡面塑(su)料模(mo)具(ju)市場需(xu)求(qiu)。
日本國家材料研究所于1997年開始進行日本超級(ji)鋼(gang)(gang)(gang)開發計劃(hua)(STX21)中的“耐海水腐蝕不銹鋼(gang)(gang)(gang)的開發”工作,利用(yong)復合電(dian)極的加(jia)壓電(dian)渣爐(lu)在(zai)4MPa下開發出(chu)節省資源型高性能耐海水腐蝕高氮不銹鋼(gang)(gang)(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該(gai)鋼(gang)(gang)(gang)種具有(you)極其優異(yi)的耐蝕性,抗拉強度(du)達到1200MPa以上,延伸率與SUS 304不銹鋼(gang)(gang)(gang)相當,并且在(zai)-196~500℃范圍內具有(you)同樣的特性。

