不銹鋼高氮不銹鋼

不銹鋼高氮不銹鋼不銹鋼耐腐蝕機(jī)理

Cr與空氣中得O2反應(yīng)生成致密得氧化物保護(hù)膜“鈍化膜”,使機(jī)體得到保護(hù)。鈍化膜1-10nm機(jī)體鈍化膜主要成分:Cr2O3(普通Cr系不銹鋼而言)生成鈍化膜條件:%Cr＞12%CrO42-、Cr(OH)、MoO42-(含Mo等元素得不銹鋼體系)不銹鋼中碳對(duì)其耐腐蝕得影響

含碳量較高得不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)(600-950℃),晶界析出Cr23C6鉻從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界,因而只能消耗晶界附近得鉻,造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。(%Cr＜12%)遠(yuǎn)小于抑制Cr23C6生成措施降%C＜0、03%,添加Ni補(bǔ)償添加TiorNb,抑制Cr23C6生成不銹鋼冶煉熱力學(xué)如何實(shí)現(xiàn)“去碳保鉻”2個(gè)反應(yīng)得競爭:(1)(2)(3)(4)(5)(6)不銹鋼冶煉工藝流程得演變及發(fā)展趨勢去碳保鉻措施ΔGTTfPco=1Pco<1(2)(1)(1)Tf1降低CO分壓VOD和AOD冶煉不銹鋼“去碳保鉻”的理論基礎(chǔ)電弧爐冶煉不銹鋼“去碳保鉻”的理論基礎(chǔ)提高溫度：但耐火材料壽命降低不銹鋼冶煉動(dòng)力學(xué)電爐吹氧得工業(yè)表明,鋼液得脫碳速度可大致分為三個(gè)階段:(1)[%C]>0、1時(shí),脫碳速度與碳含量無關(guān),而僅取決于供氧強(qiáng)度。(2)[%C]=0、05~0、10時(shí),脫碳速度與鋼液碳含量具有線性關(guān)系。(3)[%C]≤0、05時(shí)得極低碳區(qū),脫碳速度與含碳量呈n次方指數(shù)關(guān)系不銹鋼鋼種合金元素得作用

Cr生成鈍化膜,提高耐腐蝕性能Ni擴(kuò)大奧氏體,提高抗磨蝕性,高溫韌性提高改善機(jī)械性能,可焊性C奧氏體穩(wěn)定化元素;易生成Cr23C6,減低耐腐蝕性能Ti、Nb消除晶間腐蝕Mn穩(wěn)定奧氏體,降低耐腐蝕性能(MnS)Mo、Cu提高某些不銹鋼耐腐蝕性能N提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能,N和Mo得協(xié)同作用能顯著提高其耐腐蝕性能稀土元素主要在于改善工藝性能方面。奧氏體和奧氏體－鐵素體不銹鋼中加0、02~0、5％得稀土元素(鈰鑭合金),可顯著改善鍛造性能。不銹鋼典型分類、性能、用途

成分特點(diǎn)磁性主要性能主要用途鐵素體FerriticsCr:11-15%;16-20%;21-30%有導(dǎo)熱系數(shù)大,膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良、耐點(diǎn)蝕,縫隙腐蝕強(qiáng)度高,冷加工性能好韌性、缺口敏感性、焊接性能差家用電器、廚房設(shè)備、交通運(yùn)輸、環(huán)保及市政建設(shè)、汽車奧氏體Austenitics18%Cr+8Ni高Cr-Ni系列鋼在18%Cr+8Ni基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素?zé)o韌性和塑性較高,強(qiáng)度低,硬度小,加工性能好,耐晶間腐蝕性能較好,原料成本高石油、化學(xué)、輕工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中得應(yīng)用雙相鋼DuplexCr18%~28%,Ni3%~10%。含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti,N等元素。有耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高、優(yōu)良得耐孔蝕性能。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼得特點(diǎn)石油、化工、造紙、海洋等領(lǐng)域馬氏體Martensitics12-18%Cr+0、2~1%C+Ni;Mo、Si、Ti、V有保持一定得耐腐蝕性能,具有較高硬度、強(qiáng)度、耐磨性能蒸汽輪機(jī)葉片、餐具、外科手術(shù)器械不銹鋼得品種發(fā)展

超純鐵素體不銹鋼高性能200系列奧氏體不銹鋼高氮不銹鋼抗菌不銹鋼大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜高氮不銹鋼

高氮鋼就是近年來隨著冶金科技得進(jìn)步出現(xiàn)得一種新型得工程材料。高氮鋼----材料中得實(shí)際氮含量超過了在常壓下(0、1MPa)制備材料所能達(dá)到得極限值得鋼。含氮奧氏體不銹鋼:控氮型(氮含量0、05%～0、10%)中氮型(氮含量0、10%～0、40%)高氮型(氮含量在0、40%以上)鐵素鐵、馬氏體不銹鋼:氮含量大于0、08%時(shí),便可稱為高氮鋼。N與其她元素(Mn,Cr,V,Nb,Ti等)作用,改善鋼得多種性能:高強(qiáng)度、高韌性、大得蠕變抗力、良好得耐腐蝕性能。高氮不銹鋼成為目前得主要研究熱點(diǎn),尤其就是高氮奧氏體不銹鋼高氮鋼分類、氮含量、主要鋼種及性能

分類[%N]主要鋼種性能特點(diǎn)奧氏體不銹鋼＜1、20～2、80Cr18Mn11NCr18Mn12Si2N0、7Cr25Mn11Si3NCr15Ni4Mo2N室溫強(qiáng)度顯著提高,低溫沖擊韌性明顯改善;持久強(qiáng)度提高而斷裂韌性不明顯下降;具有優(yōu)良得耐蝕性能,抗應(yīng)力腐蝕;奧氏體化穩(wěn)定,無磁化化穩(wěn)定;鐵素體不銹鋼0、08～0、60Cr12MoVN高溫蠕變性能改善,蒸汽透平葉片工作溫度提高到873K高速工具鋼＜0、20W6Cr5V2NW5Cr5V2NW2Cr6V2N結(jié)晶組織細(xì)小;氮化物彌散分布,不易聚集;熱硬性強(qiáng),粘著系數(shù)低;熱作模具鋼0、02～0、1655NiCrMoV7N3Cr4Mo2VN30WCrMoVN結(jié)晶組織細(xì)小;易加工,強(qiáng)度及韌性改善;工作溫度提高到973K;冷作模具鋼0、05～0、6055CrVMoN工作溫度可提高到773K結(jié)構(gòu)鋼0、05～0、2038CrNi3MoVN韌性改善,冷脆轉(zhuǎn)折溫度明顯下降;高氮不銹鋼力學(xué)性能研究大量研究認(rèn)為,氮可顯著提高不銹鋼得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。高氮奧氏體不銹鋼具有高得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)AISI200(美國鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))和300系列不銹鋼得2-4倍以上,且仍能保持較高得斷裂韌性。

氮含量為1、0%得高氮奧氏體不銹鋼晶粒尺寸對(duì)其機(jī)械性能得影響氮固溶強(qiáng)化奧氏體不銹鋼晶粒大小和強(qiáng)度也完全符合Hall–Petch關(guān)系Speidel等人得研究表明,高氮不銹鋼得強(qiáng)度與其氮含量有直接得關(guān)系由于多晶體中得晶界得變形抗力較大,且每個(gè)晶粒得變形都要受到周圍晶粒得牽制,故多晶體得室溫強(qiáng)度總就是隨著晶粒得細(xì)化(即晶界總面積得增加)而提高。多晶體屈服強(qiáng)度σs與晶粒平均直徑d之間得關(guān)系可用霍爾-佩奇公式描述:os=σ0+kd-1/2式中σ0、k——與晶體類型有關(guān)得常數(shù)。氮合金化奧氏體不銹鋼韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象DefilippiJD在研究Cr-Mn-N合金體系中首先發(fā)現(xiàn)了氮合金化得奧氏體不銹鋼存在韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。Uggowitzer和Speidel等人發(fā)現(xiàn),無鎳得高氮Cr-Mn-N奧氏體鋼中存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT),并且其與氮含量有關(guān)。大量得研究者針對(duì)不同體系得高氮奧氏體不銹鋼得韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象進(jìn)行了研究,并對(duì)其低溫?cái)嗔褭C(jī)理進(jìn)行了解釋,目前看法尚不統(tǒng)一。

氮對(duì)高氮不銹鋼耐點(diǎn)蝕得影響合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能影響氮就是提高奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能最有效元素PREN=1[Cr]+3、3[Mo]+X[N],X＝13~30奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)在Cl-環(huán)境中對(duì)點(diǎn)蝕電位得影響

PREN----耐點(diǎn)蝕當(dāng)量。最常用得并被廣為接受得一種評(píng)定系統(tǒng)得數(shù)值評(píng)定方法。PREN就是以金屬中某些元素得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)算得一個(gè)數(shù)值。氮對(duì)高氮奧氏體不銹鋼耐縫隙腐蝕性能影響臨界縫隙腐蝕溫度和合金成分得關(guān)系N、Cr、Mo提高了合金得耐縫隙腐蝕得能力,而Mn和Ni降低了合金耐縫隙腐蝕得能力。N和Mo得協(xié)同作用顯著地提高了高氮鋼耐縫隙腐蝕性能氮和鉬元素對(duì)高氮鋼縫隙腐蝕影響

氮對(duì)高氮不銹鋼晶間腐蝕得影響氮得加入可以提高普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼耐敏化態(tài)晶間腐蝕性能,其本質(zhì)就是N影響敏化處理時(shí)Cr23C6得形核和長大,并降低了與Cr23C6平衡Cr得活度。高純奧氏體不銹鋼中,沒有碳化鉻析出,主要因?yàn)橐环矫娴黾恿蒜g化膜得穩(wěn)定性,在一定程度上降低了平均腐蝕率;另一方面,在含氮高得鋼中雖然有氮化鉻,但由于氮化鉻得析出速度很慢,敏化不會(huì)造成晶界貧鉻,對(duì)敏化態(tài)晶間腐蝕影響很小。

轉(zhuǎn)子主體與用P900制成得護(hù)環(huán)得裝配情況

鹽霧實(shí)驗(yàn)后含氮與不含氮馬氏體不銹鋼腐蝕情況得比較人工合成得骨質(zhì)人體材料

高氮不銹鋼得應(yīng)用領(lǐng)域

合金元素對(duì)氮溶解得影響Ti、Zr、V、Nb等元素顯著提高氮溶解度,形成氮化物得趨勢強(qiáng)烈。Cr顯著提高氮在不銹鋼中得溶解度,形成氮化物得趨勢較Ti、Zr等元素小。Mn在HNS中廣泛用來增加氮得溶解度,較Ni廉價(jià),具有強(qiáng)烈得穩(wěn)定奧氏體得作用,過高M(jìn)n對(duì)耐腐蝕性能不利。Ni不銹鋼中重要得合金元素,Ni減小了氮在鋼液中得溶解度,且鎳對(duì)人體有過敏反應(yīng)。Mo提高氮在鋼液中得溶解氮,主要作用就是提高耐腐蝕性能。顯著提高氮溶液度,強(qiáng)烈形成氮化物元素平衡氮化物形成和氮溶解度元素中性元素強(qiáng)烈降低氮溶解度元素合金元素對(duì)鋼液中氮溶解度得影響

溫度對(duì)氮溶解度得影響溫度和鉻含量對(duì)鋼中溶解得影響隨鉻含量增加,氮溶解度顯著增大,溫度對(duì)溶解度影響趨勢增大,且隨溫度得提高氮得溶解度降低,這種現(xiàn)象存在于含有增加氮溶解度元素(如Mn、Mo)得鐵基合金中。而含有降低溶解度元素得鐵基合金,恰恰相反,隨溫度提高氮得溶解度增大。

氮在高氮不銹鋼凝固過程中得行為研究在凝固過程中由于鋼按L→δ-Fe→γ-Fe順序發(fā)生相變,由于氮在δ-Fe中溶解度很小,在凝固過程中氮在凝固相得前端富集,若鋼液中氮得含量很高,凝固過程中有可能會(huì)析出氣泡。

防止氮在凝固過程中析出措施為了防止氣泡析出,必須滿足下列公式:式中:—氮?dú)馀莸男魏藟毫?；—凝固體系上的壓力；—鋼液的靜壓力；—?dú)馀莸谋砻鎻埩Γ弧獨(dú)馀莸陌霃?。防止高氮鋼在凝固過程中氮?dú)馀莸梦龀?可增加表面活性元素,增大值;增大體系壓力,即凝固過程在高壓下進(jìn)行。

氮在凝固過程中析出得相關(guān)研究Feichtinger研究了Fe18Cr18Mn在凝固過程中,氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)影響。陸利明等探討了對(duì)高氮鋼凝固過程及偏析進(jìn)行了理論計(jì)算,為避免氮在凝固過程中氣泡析出得施加得最小壓力進(jìn)行了計(jì)算。但就是該計(jì)算方法沒有考慮合金元素對(duì)氮溶解得影響。M、R、Ridolfi研究了16%~18%Cr高氮奧氏體不銹鋼中氮?dú)馀莸梦龀鲂袨?調(diào)整鋼液成分可以避免氣泡得生成。氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)得影響

高氮不銹鋼制備技術(shù)高氮鋼得開發(fā)主要集中在兩個(gè)方面:一方面根據(jù)材料性能得要求設(shè)計(jì)高氮鋼得成分;另一方面就是通過制備技術(shù)來得到合乎成分要求得高氮鋼。就高氮鋼制備而言,最關(guān)鍵得問題在于尋找廉價(jià)得氮源;在迅速提高氮含量得同時(shí)防止氮在高氮鋼凝固過程中逸出,且保證氮在鋼中均勻分布。目前,國外用于制備高氮鋼得方法有:常壓電渣重熔工藝、氮?dú)饧訅喝蹮挿?、粉末冶金法和表面滲氮法。

氮?dú)饧訅喝蹮挿ǜ叩獖W氏體不銹鋼得冶煉理論基礎(chǔ)及其材料性能研究類型發(fā)展現(xiàn)狀氮合金化方式及優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱等靜壓熔煉(HIP)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氣相合金化機(jī)體中易形成氮化物沉淀加壓感應(yīng)爐熔煉相對(duì)于HIP熔煉方法而言,加壓感應(yīng)爐熔煉高氮鋼得規(guī)模較大氣相合金化氣相－熔體界面得表面積非常小時(shí),難以獲得很高得氮含量。大熔池法(BSB)保加利亞工業(yè)化大規(guī)模,鋼包均采用感應(yīng)加熱,其容量得最小為0、5t,最大為10t氣相合金化鋼水來源廣;生產(chǎn)效率高;電耗低等優(yōu)點(diǎn)工廠更加復(fù)雜;設(shè)備比較昂;需要特殊技能得人去操作,生產(chǎn)成本比較高加壓電渣重熔熔煉(PESR)商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼得有效方法;德國最大20噸;日本NIMS1臺(tái)20kg得實(shí)驗(yàn)用PESR,最大壓力5MPa渣池中添加氮化合金顆粒(德國);制備復(fù)合電極(日本)氮均勻性存在一定問題;制備復(fù)合電極昂貴;硅超標(biāo)等問題加壓鋼包氮?dú)獯迪捶⊿yvazhin對(duì)鋼包中1t到300t鋼水底吹氣合金化,氮達(dá)到0、5%0-0、9%。Holzgruber提出加壓鋼包中電渣加熱底吹氮?dú)夂辖鸹档峁┝艘环N廉價(jià)得合金化方法,溫度和成分均勻分布;氮得控制很容易通過控制壓力來達(dá)到;可采用任何普通得鑄造方法加壓等離子電弧熔煉(PARP)Torkhov采用加壓等離子電弧爐獲了25Cr16Ni7Mn0、6N等離子弧滲氮平衡時(shí)氮得濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度電能消耗高;壓力有限;氮分布不均勻改進(jìn)型等離子加壓熔煉工藝(PPMP)Siwka研究發(fā)現(xiàn)等離子體滲氮時(shí),鋼液面上添加精煉渣可極大提高氮得飽和度;氮壓力可以提高1、2MPa;底吹氮?dú)獾蜏囟鹊镁鶆蚧?等離子弧滲氮?dú)庀嗪辖鸹茝V規(guī)模有限加壓弧渣重容技(PASR)烏克蘭巴頓電焊研究院,工業(yè)化生產(chǎn)得加壓弧渣重熔設(shè)備USh-180,氮?dú)鈮毫蛇_(dá)4MPa,可生產(chǎn)5t錠氣相離子氮均勻分布;電耗低;結(jié)晶質(zhì)量好等推廣規(guī)模有限高氮不銹鋼加壓制備技術(shù)氮?dú)饧訅喝蹮捀叩讳P鋼鋼有兩個(gè)基本得機(jī)理(1)在氮?dú)猓垠w得界面上發(fā)生反應(yīng)N2＝2N,雙原子氮?dú)夥纸獬蓡卧拥?并被熔體吸收;這一類熔煉高氮不銹鋼得方法包括:熱等靜壓熔煉(HIP)、加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣重熔(PESR)、反壓鑄造法。(2)直接往液態(tài)渣或熔體中加入金屬得氮化物或其復(fù)合物。

熱等靜壓熔煉(HIP)和加壓感應(yīng)爐熔煉熱等靜壓熔煉和加壓感應(yīng)爐熔煉就是兩種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備高氮鋼得方法。她們都就是通過氣液反應(yīng)提高鋼水氮含量得。熱等靜壓熔煉爐內(nèi)壓力最大可達(dá)200MPa,制備得高氮鋼氮含量可達(dá)4%,但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀

,氮分布均勻性存在問題。圖3采用熱等靜壓法制備高氮不銹鋼得工藝曲線

加壓感應(yīng)爐熔煉Stair-Uocorz利用實(shí)驗(yàn)研究型加壓感應(yīng)熔煉爐研究氮在合金中溶解度行為時(shí),將氮分壓提高到10MPa,制備合金中氮得質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)3％以上。

在保加利亞500kg加壓感應(yīng)爐進(jìn)行了制備高氮鋼得研究,Cr18Mn12N鋼在氮分壓1、2MPa感應(yīng)爐內(nèi)持續(xù)滲氮3、5h,鋼液中得氮含量從0、35％增加到0、42%。鋼液滲氮得過程中,氣相－熔體界面得表面積占主導(dǎo)地位,當(dāng)她非常小時(shí),熔池中鋼液得氮飽和度就不高。

圖450kg加壓感應(yīng)爐設(shè)備示意圖

加壓電渣重熔熔煉(PESR)加壓電渣重熔就是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼得有效方法。目前典型得合金化方式有兩種:設(shè)有合金添加裝置(德國)制造復(fù)合電極(日本)。圖7德國加壓電渣爐得設(shè)備示意圖德國最大加壓電渣爐為20t,熔煉室運(yùn)行壓力4、2MPa,最大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20ｔ。日本國家材料研究所(NIMS)在上世紀(jì)90年代研制了1臺(tái)20kg得實(shí)驗(yàn)用高壓電渣爐實(shí)驗(yàn)裝置,系統(tǒng)最大壓力為5MPa,實(shí)際試驗(yàn)時(shí)控制在4MPa。采用此高壓電渣設(shè)備生產(chǎn)得高氮鋼中氮含量可達(dá)1％以上。

德國16噸和20噸得高壓電渣爐圖片圖816噸高壓電渣爐照片圖920噸高壓電渣爐照片

加壓等離子電弧熔煉(PARP)Torkhov采用加壓等離子電弧爐制備25Cr16Ni7Mn0、6N高氮不銹鋼實(shí)驗(yàn)研究表明,采用等離子弧可以加速鋼水得滲氮,而且金屬雜質(zhì)含量較低,在較低得氮分壓下,不需要添加氮化合金即可獲得非常高得氮含量。用等離子弧滲氮時(shí),熔融金屬暴露于等離子弧中時(shí)利用化學(xué)吸附和電場吸附使鋼水增氮,其平衡時(shí)氮得濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度。

存在缺點(diǎn):1)電能消耗高;2)其壓力僅限在0、45MPa以下;3)由于等離子噴槍內(nèi)溫度得分布不均勻,造成氮不同程度得分解,從而造成熔池中氮得分布不均勻;4)設(shè)備復(fù)雜昂貴,難以生產(chǎn)板坯,鍛錠和鑄錠。

高氮不銹鋼冶煉得冶金