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(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)和雙相不(bu)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(xiu)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)開第一(yi)屆高(gao)氮(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會議后,相繼(ji)在聯(lian)邦德國(guo)、日本(ben)、比利時和中(zhong)國(guo)等(deng)召(zhao)開了(le)12屆,各國(guo)的(de)科研人員就高(gao)氮(dan)鋼(gang)的(de)研究(jiu)與(yu)開發等(deng)議題進行了(le)深(shen)入(ru)的(de)交流與(yu)探討。高(gao)氮(dan)鋼(gang)國(guo)際(ji)會議的(de)連續召(zhao)開極大地推動了(le)世界高(gao)氮(dan)鋼(gang)的(de)發展,也進一(yi)步加深(shen)了(le)人們對(dui)氮(dan)在鋼(gang)中(zhong)作用機理的(de)認識。
到20世紀80~90年(nian)(nian)代,高(gao)氮鋼的(de)(de)(de)制(zhi)備技術(shu),特(te)別(bie)是加(jia)壓冶(ye)煉(lian)設備取得了長(chang)足(zu)的(de)(de)(de)發(fa)展,研發(fa)出加(jia)壓等(deng)離子電(dian)弧熔煉(lian)、加(jia)壓鋼包氮氣吹洗法、加(jia)壓感應熔煉(lian)等(deng)技術(shu)。1980年(nian)(nian)以來,德(de)國Krupp和(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公司(si)相繼建成(cheng)了用(yong)(yong)于工(gong)業(ye)化生產高(gao)氮鋼的(de)(de)(de)16t和(he)20t 加(jia)壓電(dian)渣(zha)爐(lu),其(qi)壓力可(ke)達4.2MPa,主要通過添(tian)加(jia)Si3N4等(deng)氮化合金來完成(cheng)增氮任務(wu)。利(li)用(yong)(yong)該技術(shu),德(de)國VSG公司(si)分別(bie)于1975年(nian)(nian)、1981年(nian)(nian)和(he)1996年(nian)(nian)成(cheng)功研制(zhi)出大型火力發(fa)電(dian)機護(hu)(hu)環用(yong)(yong)鋼P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)(hu)環用(yong)(yong)高(gao)氮鋼已在(zai)發(fa)達國家得到廣泛應用(yong)(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公司(si)商業(ye)化生產了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼種在(zai)強度、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)、延展性(xing)(xing)(xing)、加(jia)工(gong)硬化能力以及(ji)耐腐(fu)蝕性(xing)(xing)(xing)能方面(mian)表(biao)現優異。后來,瑞士的(de)(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公司(si)改進了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制(zhi)了一種加(jia)工(gong)硬化能力極高(gao),并具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)硬度、良好的(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)和(he)優異耐腐(fu)蝕性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)(de)高(gao)氮鋼。
隨著人們對(dui)氮在不銹(xiu)鋼(gang)中(zhong)作用(yong)(yong)(yong)機制認(ren)識的(de)(de)不斷深入,基于以氮代(dai)碳的(de)(de)合金設計理念,開發(fa)出一系列性(xing)能(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)高氮不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)及耐蝕塑料模具(ju)(ju)鋼(gang)。德國VSG 公司采用(yong)(yong)(yong)加(jia)壓(ya)電渣重熔(rong)和(he)(he)精密(mi)鍛造技術開發(fa)出高氮不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)(ju)備(bei)強(qiang)度(du)(du)和(he)(he)硬度(du)(du)高、韌(ren)性(xing)好、耐腐(fu)蝕性(xing)能(neng)優(you)異(yi)和(he)(he)回火穩定性(xing)強(qiang)等特點,其性(xing)能(neng)明顯優(you)于目前(qian)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)領域的(de)(de)商(shang)用(yong)(yong)(yong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(M50和(he)(he)M50NiL等),已應用(yong)(yong)(yong)于航(hang)天(tian)飛機燃料泵(beng)軸(zhou)(zhou)承(cheng)、遙感衛星控制力矩陀(tuo)螺高速轉子軸(zhou)(zhou)承(cheng)、飛機渦輪發(fa)動機主軸(zhou)(zhou)承(cheng)、起落架滾珠(zhu)絲杠、直(zhi)升(sheng)機旋轉斜盤(pan)軸(zhou)(zhou)承(cheng)等部(bu)件。奧(ao)地利(li)B?hler公司利(li)用(yong)(yong)(yong)加(jia)壓(ya)電渣重熔(rong)工(gong)藝,開發(fa)了(le)性(xing)能(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)含氮M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)(he)M340(0.2%N)耐蝕塑料模具(ju)(ju)鋼(gang),其純凈(jing)度(du)(du)更高,組織(zhi)更均勻(yun)細小,同時具(ju)(ju)有(you)極佳的(de)(de)拋光和(he)(he)耐腐(fu)蝕性(xing)能(neng)、良(liang)好的(de)(de)韌(ren)性(xing)、加(jia)工(gong)性(xing)能(neng)以及尺寸穩定性(xing),滿足(zu)了(le)高端(duan)耐蝕鏡面塑料模具(ju)(ju)市場需(xu)求。
日(ri)本(ben)國家材料研究(jiu)所于1997年(nian)開(kai)(kai)始(shi)進行日(ri)本(ben)超(chao)級(ji)鋼(gang)開(kai)(kai)發(fa)計劃(hua)(STX21)中(zhong)的“耐(nai)海水腐(fu)蝕不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的開(kai)(kai)發(fa)”工(gong)作,利用復(fu)合(he)電(dian)極的加壓電(dian)渣爐(lu)在4MPa下開(kai)(kai)發(fa)出節省資(zi)源型高(gao)性能耐(nai)海水腐(fu)蝕高(gao)氮不(bu)銹(xiu)鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該(gai)鋼(gang)種具有極其優異的耐(nai)蝕性,抗拉強度達(da)到(dao)1200MPa以(yi)上,延伸率與SUS 304不(bu)銹(xiu)鋼(gang)相當(dang),并且(qie)在-196~500℃范圍內具有同樣的特(te)性。