先进钢铁材料——高氮不锈钢材料

一、高氮不锈钢发展史

早在十九世纪四十年代，也就是在第二次世界大战中高氮不锈钢就已经出现。由于镍元素的缺乏，氮作为替代元素，高氮不锈钢的初期阶段来临。而后，由于人体和动物体本身对镍元素和含有镍元素的材料的过敏反应，不锈钢材料迎来了新一轮变革。在此变革中，高氮不锈钢得到了正名，从而在市场占据一席之地。根据氮的加入不同致钢的组织成分等亦不同，大致进行了以下分类，即含氮>1%的为超高氮钢，0.3%～0.5%的为“高氮钢”，在此以下的为“含氮钢”。

二、钢铁材料加氮的好处

地球上大气中氮约占80%，这一资源极丰富元素作为钢铁材料中的有用元素利用，近年受到人们的高度关注。过去认为氮加入钢中将产生脆性而作为必须除去的元素处理，但在1910～1930年期间却开展了氮加入钢中可提高强度的研究，以后并用它来提高韧性、疲劳强度和耐蚀性等性能，发现氮的加入量愈多上述性能提高愈大的趋向，从而开展了扩大加入量的相关研究。氮引起注意的最大理由是它可代镍。就在上世纪30～40年代，日本为了节约战时物资的镍，氮作为可代镍生成奥氏体相的元素受到人们的重视。

三、高含氮量的特殊溶解技术

在对钢中加氮的场合，使氮如何在钢中固溶和保持成为大课题。现在大气压下加氮多用AOD法，对钢水中喷吹氮气即可。但是氮在钢中的固溶量受氮溶解度的限制，为提高固溶量必须开发在高压2MPa下的特殊溶解技术。例如，20世纪80年代在欧洲开发成功的批量生产规模的加压型ESR装置，在一次电极下溶解时其氮源用氮化物（氮化硅等）加入后，在加压条件下的熔剂内即可溶解。

又如耐海水腐蚀高氮不锈钢在开发时即开发成功氮气加压ESR装置，用此可同时实现加氮和材料洁净化。该装置可使用钢锭重量20t、电流3000A、氮气最大压力5MPa下便可溶解。电极用母材为耐海水腐蚀不锈钢模式的23Cr-4Ni-2Mo合金系且降低不纯元素并用真空溶解后的钢种。通过熔剂对电极通电时，由于焦耳热熔剂即呈高温熔融状态，此热并使电极熔融、滴下而形成钢锭；同时由于渣的精炼效果可达到更好的清净化。由此氮气加压式ESR装置溶解所生产的新钢种具有均匀含氮分布点的特点，当氮气压为1MPa时含氮量为0.7%，氮气压3MPa时含氮量为1.0。

除这一方法外，在加氮方面还开发成功加压感应溶解铸造法，该法为在耐压容器内将加压后的氮气强制加入钢水中。当在最高压力3MPa（常用1.6MPa）、溶解量500kg的条件下加氮时，钢水凝固时氮亦不会放出。由此可生产出含氮达0.6%的马氏体系不锈钢，硬度为不锈钢中最高水平的60HRC，耐蚀性接近耐海水腐蚀用钢SUS316的水平。

总而言之，目前高氮不锈钢的消耗量增长，且氮元素也可以取代镍元素，因为后者本身高昂的价格、对力学性能的不良影响和引起生物体的过敏甚至潜在致癌的可能。氮却不存在这些不利因素，并可以显著提升材料的抗腐蚀能力和机械强度。