选用耐腐蚀的金属材料是重要的防腐蚀措施之一, 其中不锈钢材料占有最重要地位。不锈钢诞生已有近百年历史, 随着石油、化工、能源、宇航、海洋和生物工程等工业技术的发展, 对不锈钢提出了更高的耐蚀及综合性能要求。奥氏体不锈钢被广泛用于工领域, 具有良好的韧性、抗均匀腐蚀、抗局部腐蚀( 点蚀、缝隙腐蚀等) 性能。但奥氏体不锈钢(如AISI 304L , 316L) 在高温氯化环境中, 易产生应力腐蚀裂纹, 此时适合采用高镍不锈钢和铁素体不锈钢, 但用Ni 合金化的奥氏体不锈钢成本昂贵, 而铁素体不锈钢韧性和厚钢板焊接性能较差。因此介于奥氏体和铁素体不锈钢之间的双相不锈钢被研制出来,它具有较好的力学性能与抗腐蚀性能(包括应力腐蚀性能) 。双相不锈钢成分范围宽, 可针对不同使用条件进行选材, 且价格低廉。近年来, 随着低碳、超低碳奥氏体不锈钢、双相钢的大量生产, 强度不足成为限制此类钢使用的主要问题, 如何保证降碳后钢的强度维持或超过原有的性能指标, 已成为一个重要课题。氮作为合金元素加入不锈钢中, 可提高奥氏体稳定性、平衡双相钢中相的比例, 在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度, 并可部分代替不锈钢中的Ni。生物工程材料———无镍不锈钢的发展, 可以解决人体器官对Ni 的过敏性(Ni > 012 %时) 的难题, 所以Cr2Mn2N 不锈钢和无镍不锈钢的研究受到普遍重视。含N 铸造不锈钢的研究和应用已是非常重要的领域。AOD、VOD 等精炼技术的应用为生产纯净的含氮超低C 奥氏体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢等提供了先进的制造工艺。
1 N的存在形式及作用
111 固溶N及其对组织结构的影响
N 的性质与C 相类似, 是生成间隙相的主要元素, 这是由它较小的原子尺寸及电子层结构所决定的。有文献〔3〕报导, 在奥氏体类不锈钢中, N 绝大部分固溶于奥氏体中, 固溶于铁素体中的N 量很少在铁素体2奥氏体双相不锈钢中推测N 的分配系数为0123～0125〔4～6〕。N 也是马氏体中的重要间隙元素,对马氏体相变和性能起决定性作用。N 在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当Ni 的25 倍左右( Nieq =Ni % + 015 ×Mn + 30 ×C % + 25 ×N %)〔7〕, 在常规的182 8 型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在, 随钢中含C量的降低, 铁素体量将增加, 而加入N 则弥补了降 C 对组织带来的不利影响〔8〕。N 的增加在减少钢中铁素体相比例的同时, 对其存在形态也有较大影响, 使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变, 从而降低了网状铁素体对奥氏体钢强度和塑性的不良影响〔9〕。
112 金属氮化物及其弥散现象
N 与钢中合金元素相互作用的重要性表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多弥散氮化物,主要是Cr2N 的弥散。Cr2N 为立方晶格结构, 在Cr、Ni 含量较高的AISI 310 中的溶解度要比在AISI 304钢中的溶解度低(见图1〔10〕) 。在含有Ti 和Nb 的钢中, 会有TiN 和NbN 形成。有趣的是在含有Nb 的AISI 347 钢中, N 与NbC或C 与NbN 结合可提高它们在奥氏体中的溶解度, 尽管NbN 溶解度要比NbC小得多; 在含Nb奥氏体钢中, 增加N 含量可显著促进平衡方程式M4X3 向MX移动, 说明N 占据着碳化物的间隙空间〔11〕。在含Nb 钢中, 人们也发现了复杂的Cr3Nb3N 及CrNbN (称为Z 相) 氮化物形成〔12～13〕, 在热加工过程中, Z相在晶粒边界发生弥散现象, 可提高钢的强度〔14〕。在奥氏体钢中, N 延缓碳化物M23 C6 及金属间化合物的析出(见图2〔15〕) 。这可能是由于Cr2N 的析出减少了固溶的Cr含量。在双相钢中, N 延缓金属间化合物弥散析出及N 的强烈奥氏体稳定化作用, 对不锈钢的相比例平衡和改善焊接性能很重要。G1Aahlber 等人〔16〕的研究发现, 在含Mo 的双相钢中, 很大比例的N 是以Mo2N的Mo2N2Cr 化合物形式存在于奥氏体基体中。N 在马氏体钢中与其它元素形
成氮化物分布于晶界上, 提高硬化能力, 防止高温回火时奥氏体、铁素体晶粒的长大〔17〕。综合上述, N 在不锈钢中主要通过N 固溶强化、氮化物的弥散强化和晶粒细化三种途径来改善钢的性能。
不锈钢需求的快速增长导致镇资源的严重紧缺,2005年镍的价格已经攀升到十五年来的最高点。因此,根据中国不锈钢市场的需求,特别是巨大的民用市场缺键的国情,研究资源节约型不锈钢,成为不诱钢发展的重要课题。不锈钢的种类很多,性能各异,按照组织结构可分为,马氏体不锈钢、奥氏体不诱钢、铁素体不绣钢、双相不锈钢等。按照化学成分和特征元素可分为,铬不锈钢、铬镍不诱钢、铬镇银不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。
资源节约型不锈钢可分为两大类:一类是节镍的奥氏体不锈钢,另一类是无镍的铁素体不锈钢。节镇或无镍的奥氏体不锈钢发展经历了几个阶段,伴随奥氏体不锈钢及其所需的关键原材料镍的价格变化而发展的,奥氏体不绣钢自二十世纪二十年代初发明以来,得到了迅猛的发展。目前奥氏体不诱钢己发展成为不锈钢中最重要的钢类,其产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%,在中国,这一比例达到了84%,它具有优良的耐腐蚀性、煌接性和可加T 性及适当的机械性能,现已被广泛的应用到石油、化工、原子能、轻纺、海洋开发、宇航等各个领域。
近年来,随着冶金及材料技术的进步,氮作为钢中一重要的合金元素,能够提高不锈钢的力学性能和耐烛性能,己引起重视。在奥氏体基体中,氮含量大于0.4%,称作高氮奥氏体钢。高氮不诱钢的实际氮含量己超过了常压条件下所能达到的极限但,使之成为有别于200系列和300系列传统奥氏体—?I;锈钢,具有优兄性能的新钢种。其强度是传统奥氏体不锈钢的2?3倍,而塑韧性仍然可以之媳美。由于氮含量较高,可在极低Ni含量的情况下,获得全奥氏体结构。氮在显著提高不锈钢的力学性能的同时,提高钢的耐腐烛性能,特别是耐局部腐蚀性能如耐晶间腐蚀、点腐她和缝隙腐蚀等,氮以间隙形式强化奥氏体,是奥氏体稳定剂,与现代传统奥氏体不诱钢相比,高氮奥氏体不诱钢具有如下优点:
①高强度,优良的塑性、韧性;
②高应变硬化敏感性;
③低磁导率;
④良好的耐腐烛性能;
⑤低成木。
阻碍氮作为合金元素广泛使用的主要因素是解决氮的加入问题,在大气压下氮的溶解度非常低,加入非常困难。由于加入量很小,因此其对钢的有利作用不明显。此外在合金钢中,氮在冲击韧性、塑性等方面存在不利影响,进一步阻碍了人们对氮的应用的重视。
我国高氮钢研究处于起步状态,氮的加入工艺及均勻化控制技术距国外仍有一定差距,研究中心主要在Cr-Mn-N系不锈钢领域开展含氮、控氮奥氏体不诱钢研究,如北京科技大学开展等离子溶炼含氮合金钢、高压转移弧等离子炉进行气相氮合金化高压冶炼,获得Cr: 18?20%,Mn: 13?15%,N: 0.74%,抗拉强度为985MPa,屈服强度640MPa,延伸率为40%的不锈钢,与lCrl8Ni9不锈钢相比,抗拉强度提高60%,屈服强度提高130%,延伸率相当。上钢五厂采用中频感应炉+电澄重馆工艺,成功冶炼出氮含量为0.45?0.65%的Cr-Mn系不锈钢,已形成小批量生产。太原钢铁公司对304N进行了开发试验研究,已在IStAOD炉内实现了钢中氮气的合金化,其氮含量己达到0. 6%。
在一个大气压下,leocrc时,氮在纯铁中的溶解度仅为0.045%,虽然高氮奥氏体不锈钢具有优良的使用性能,氮的加入工艺和氮的均匀分布是关键技术。氮的溶解度受以下三个方面的影响:温度、压力、合
金成分。氮的溶解度随温度的变化存在三个变化区,见图3。氮在奥氏体相区的溶解度最高,1200?leocrc进入铁素体相区,溶解度急剧下降,高于leocrc有所回升。
目前国内外在冶炼工艺中将加氮的温度控制在1400?150(rC之间。
国内外高氮合金化普遍采用如下两种方法:加压溶体氮合金化和调整合金成分。如以猛代键作为作为主要的奥氏体化合金元素,氮的溶解
度会提高1倍。氮合金化方法包括加压培体氮合金化、加入含氮中间合金进行合金化,高氮不锈钢发展早期大多采取加压冶金的途径,加压冶炼技术较大程度上取决于基础工艺装备,
机理：
氮在钢中的状态可分为:溶解于固溶体中的氮和以氮化物形式出现的氮。这两种状态表明氮在钢中能起固溶强化作用和氮化物沉淀物析出强化作用。氮元素与碳元素一样,以间隙溶质原子形式出现,排列在面心、致密六方晶格的八面体间隙处,有时也会分布在该晶格的四面体间隙中,而很少排列在体心晶格内。氮原子在奥氏体晶格中的分布较碳分布更均匀,氮的添加不会像碳那样引起合金奥氏体的分解和间隙原子及合金元素富集或贫化的亚微级区域的形成。氮能降低奥氏体中密排不完全位错,限制了含间隙杂质原子团的Splintered位错运动,因此氮原子在奥氏体中与位错的有效结合洽显著大于碳原子,氮的硬化反应比碳强,Berus和Krafft进行12% Cr钢以氮代碳的研究,认为用氮代替碳影响了合金显微组织及力学性能,在改善了靭性和塑性的同时显示出较高的热强度和高的短时螺变抗力,而在奥氏体钢中相对于碳而言,氮提高了钢的持久强度却没有降低持久性和明显降低断裂靭性。
sk和Hillert认为氮的有益作用是氮与钢中存在的合金元素交互作用的结果,这种交瓦作用以形成固溶体或合金氮化物析出反应的形式来进行。固溶强化、沉淀析出强化、晶粒长大、萍透性、加工硬化、静态和动态应变时效、螺变抗力、腐蚀抗力等现象都与氮的这种交互作用有关。
固溶处理也称之为固溶化浮火,是指以铬、镍等为基体的强化合金和奥氏体不绣
钢,为了改善铸态、锻态或冷加工形成的强化相的不均勻分布、降低硬度、提高塑性、提高抗蚀性及导电性能等,或为以后的时效过程进行准备,将金属加热到一定温度的高温,使强化相全部或大部溶入固溶体,并调整晶粒尺寸,然后以较快速度(在水、空气等中)冷却的一种热处理工艺
LH580的主要析出相是碳化物(Cr23C6)和氮化物(TiN),碳化物主要在晶界、晶内连续析出,24?28;氮化物优先在晶界上析出,其次在亚晶界,呈透镜状,
,LH580经热乳后水冷,固溶处理后的析出物有明显不同,热乳水冷的晶界析出物(碳、氮化物)较多;经过固溶处理后,晶界的析出物明显减少,晶界析出物能全部溶解于奥氏体基体中,见图4. 13、4. 14,晶内、晶界沉淀析出Cr23C6对不锈钢的耐腐蚀性有重要影响,因为晶内、晶界形成的Cr23C6铬含量非常高,晶界附近基体中大量的铬集中在Cr23C6中,而远处的络来不及向这里扩散,造成该区域铬的贫化,耐腐烛性能明显下降。所以固溶处理后,高氮钢的耐腐蚀性能能够得到明显提高。腐蚀
随着石油、化工、能源、宇航和生物工程等工业技术的发展,对不锈钢耐蚀性能及综合力学性能提出了更高的要求。奥氏体不锈钢凭借其在多种腐蚀介质中具有的优秀的耐蚀性能、良好的综合力学性能和优良的工艺性能在众多领域获得了广泛的应用。然而镍合金化的奥氏体不锈钢不仅成本昂贵,而且因人体器官对含镍的生物工程材料存在过敏性(Ni>012%时),近年来由此引起的人体皮肤过敏症发病率不断提高。因此人们开始研究用氮取代部分镍来稳定奥氏体,对用氮合金化的奥氏体不锈钢的开发和研究倍受人们的关注。受最初冶炼技术和条件的限制,在大气压强下钢水中能加入的氮含量非常低,因此氮的作用不明显[1]。近年来随着加压冶金技术水平的不断提高,奥氏体不锈钢中氮的加入量也在不断增加。一般认为,氮含量超过常规冶炼条件下钢中所能达到极限值的钢称为高氮钢,奥氏体不锈钢中氮的加入量达到约014 mass%被称为高氮奥氏体不锈钢。高氮奥氏体不锈钢由于它优良的力学性能和耐腐蚀性能,越来越受到该领域研究学者的重视。本文就氮在奥氏体不锈钢中的作用,高氮奥氏体不锈钢的试制,近年来国内外对高氮奥氏体不锈钢力学性能、耐腐蚀性能、组织稳定性的研究现状及其应用前景做一综述。
氮在奥氏体不锈钢中的有益作用:
氮是强烈的奥氏体稳定化元素,可以促使不锈钢形成奥氏体组织。在Ni当量计算中, N 当量是Ni的30倍。因而可以用廉价的N、Mn来替换贵重金属Ni,甚至全部取代Ni,以获得奥氏体不锈钢。N与C相比,是更有效的固溶强化元素[2],并增加细晶强化的效果[3],提高钢的强度又不显著损害钢的韧性。有研究[4]表明0110%N可使Cr-Ni奥氏体不锈钢的室温强度(Rb,R012)提高60~100MPa。氮可以降低形成铁素体及发生形变诱导马氏体转变的趋势,给定强度条件下可以降低沉淀析出,还可以提高不锈钢耐局部腐蚀,像点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀
等。另外,氮对奥氏体不锈钢的抗蠕变性能和抗疲劳磨损性能也有益处。
氮对奥氏体不锈钢力学性能、耐腐性能的影响以及对组织稳定性的作用
411 力学性能
大量研究认为[14~17],氮可显著提高不锈钢的屈服强度。高氮奥氏体不锈钢的强度可达到传统AISI200和300系列不锈钢的2~4倍以上,通过冷变形屈服强度还可达到2000MPa以上,同时能保持较高的断裂韧性。18Cr-18Mn-016N高氮奥氏体护环用钢进行40%的冷变形时,其屈服强度从600MPa提高到1400MPa以上,而断裂韧性仍可保持到200MPam1P2。姜周华等[18]开发的含氮015~0164%的Mn18Cr18N护环钢的R012和Rb均\1000MPa,D015\20%,U\64%。易邦旺等人[19]探讨了氮含量对Mn18Cr18N强度的影响,结果如图1所示。从图中可以看到,钢的抗拉强度和屈服强度均随着氮含量的增加而显著提高。J1W. Simmons对一系列不同含氮量的Fe-17Cr-10Mn-5N-i N不锈钢的抗拉强度和屈服强度进行了研究,也得出了同样的结果。Rhodes, GeoffreyO等人[10]通过粉末冶金技术研制出成分为25~28 mass% Cr、22 mass% Ni、6 mass% Mn、4~8mass% Mo和016~019 mass% N的高氮不锈钢,结果显示这种钢具有很高的屈服强度且屈服强度也随着氮含量的增加而增加。另外,氮对奥氏体不锈钢的抗蠕变性能和疲劳性能也有益处。氮在钢中的强化机理应包括固溶强化、细晶强化、加工硬化和应变时效硬化等几个方面。早期研究者[14]发现,氮对强度的提高与温度有强烈关系,在加入011%的氮时,奥氏体不锈钢在室温下的屈服强度提高约50MPa,而当温度降到4K时,强度提高了250MPa。Uggowitzer和Speidel等人[15]的研究表明,高氮不锈钢的强度与其氮含量有直接的关系,其晶粒大小和强度也完全符合Hal-lPetch关系,并给出了其屈服强度与氮含量及晶粒度的经验公式。他们还发现加工硬化对强度有巨大贡献,认为发展超高强度奥氏体不锈钢应依据下列原理:固溶氮尽可能高,晶粒尺寸尽可能小,冷变形量尽可能大,屈服强度超过3000MPa是完全可以实现的。保加利亚的Andreev和Rashev制备的211%氮含量的21Cr-19Mn-2Mo-211%N奥氏体不锈钢的屈服强度超过1000MPa,抗拉强度超过1500MPa,而延伸率仍达到40%以上。Uggowitzer和Speidel等人发现,无镍的高氮Cr-Mn-N 奥氏体钢中存在韧脆转变温度(DBTT),并且与氮含量有关,即DBTT=300CN-30 [K],因而建议高氮Cr-Mn-N奥氏体钢的氮含量应低于019%。Speidel等人[16]后来在研究Fe-Cr-N-i N不锈钢时也发现同样存在着韧脆转变温度与氮含量的关系,发现镍可适当降低DBTT,但高的氮含量仍显著提高韧脆转变温度。对于高氮奥氏体不锈钢的低温脆性, Tobler等人[17]将这种断裂行为归纳为准解理断裂。国内许多学者[20,21]对此进行了研究,提出了各自的观点。
412 耐蚀性能
氮可以提高奥氏体不锈钢的耐一般腐蚀、点蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀等性能。但是关于氮的这些有益作用的实质,目前还不是十分清楚。文献[22]报道氮能通过以下几种途径提高耐点蚀性能: (1)氮的加入使钝化膜次表层进一步富铬,提高了膜的稳定性和致密性。(2)由于氮的
活性大,可以在钝化膜的活性基点处偏聚吸附,抑制溶解。(3)氮在溶解时形成NH4+,在形成过程中消耗H+,改善了局部腐蚀环境,更有利于钝化反应进行,抑制了溶解。Newman和Shahrabi对于氮的有利作用也给出了相近的模型。郎宇平等[1]研究的超级高氮奥氏体不锈钢在耐点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀性能方面可以和镍基合金相媲美。近几年的研究[23,24]还表明晶粒尺寸对点蚀和气穴腐蚀等局部腐蚀也有较大影响。图2和图3分别为高氮不锈钢在10% FeCl3-6H2O溶液中点腐蚀率与平均晶粒尺寸关系及在315%NaCl溶液中303K时点蚀电位与平均晶粒尺寸关系[23]。G1BREGLIOZZI[24]等人研究了高氮奥氏体不锈钢中晶粒尺寸对气穴腐蚀的影响,结果如图4所示。从图中均可明显看到,细化晶粒对高氮奥氏体不锈钢耐局部腐蚀有很好的作用。
在奥氏体钢的成分设计和制备过程中,主要有三类奥氏体稳定性问题:高温加热时D
相铁素体的形成;低温时产生的马氏体相变;在一定受热条件下发生的碳、氮化物或金属间化合物的脱溶沉淀。氮是能扩大奥
氏体相区和稳定奥氏体的元素,它形成奥氏体的能力与碳相当,约为镍的30倍。氮的加入可以降低钢中铁素体的含量,使奥氏体更稳定。1%的氮可使马氏体转变温度降低635K,约为Ni的25倍。在应变诱导马氏体出现的最高温度(Tmd)的计算式中, 1%的氮可使Tmd降低623K。可见,氮对热形成马氏体和形变马氏体均有抑制作用。含氮奥氏体不锈钢的第二相析出十分复杂,不但有很多析出相(最多有18种),而且氮化物的析出机制可能与一般的第二相析出机制不同。目前对于氮化物的析出研究主要集中在Cr2N的析出上[29,30]。袁志钟等人[29]对24Mn-18Cr-3N-i 0162N高氮奥氏体不锈钢进行了中温等温沉淀析出试验研究。结果表明,沉淀析出物Cr2N优先在晶界上析出,但随着Cr2N的析出,基体的硬度有所降低。F. Vanderschaeve等[30 ]发现析出物在700e、800e和900e等温时的显微硬度先增大后降低,这与Cr2N相自身的转变有关。Cr2N首先沿晶断续析出,然后向晶内生长呈胞状析出,在这个过程中,氮化物不但经历了析出形态的变化,而且有两种Cr2N形式的变化,所以其显微硬度会有所变化[31]。傅万堂等[32]对18Mn-18Cr-015N钢进行了研究,得出Cr2N相析出动力学曲线的/鼻尖0温度为860e,并且推导出Cr2N的析出量(xv)与奥氏体点阵常数(aC)的关系式xv =-92312 +513683aC-714503aC2。但是,该研究没有对Cr2N相的成分进行研究。文献[2]指出, Cr2N相的成分(质量分数%)为79Cr, 5Mn, 415Fe。而F.Vanderschaeve等[30]分析得出的Cr2N 的成分为49Cr, 11Fe, 7Mn。TAE-HOL EE等[33]对Cr2N相的形态进行了观察,发现氮化物是透镜状的。还有报道[34~36]发现Cr2N是类似珠光体形貌的片层状结构。Cr2N的这种形貌如图5所示。一些研究人员认为可能是形态浑圆的晶间析出物。
沉淀析出物Cr2N优先在晶界上析出,但随着Cr2N的析出,基体的硬度有所降低。
当24Mn18Cr3Ni0162N钢被加热到一定温度时氮化物首先是在一些晶界上以粒状析出,但是没有长大或者连成网。随着等温时间的延长,晶界上析出的氮化物数量不断增多,并且逐步布满晶界。同时,晶界也明显变粗,在晶界的交汇处块状析出物的数量逐渐增多。
高的含氮量导致了Cr2N的开始析出时间比一般的低含氮量的奥氏体不锈钢析出时间要短。Cr2N相开始沉淀的时间受氮含量控制的原因[5]可由氮对固溶温度的影响来解释。氮使固溶温度升高,因而增加了过冷度,降低了转变自由能,所以加速了Cr2N相的沉淀。从图5的SEM 照片中我们可以看到,氮化物沿晶析出,呈长棒状或浑圆的点状。TAE-HOLEE等[6]对Cr2N 相的形态进行了观察,发现氮化物是透镜状的,许多研究人员认为Cr2N可能是形态浑圆的晶
间析出物。
在等温过程中,高氮奥氏体中发生了元素的迁移,N原子在析出,导致硬度发生了变化。在高精度显微硬度仪的帮助
下,F.Vanderschaeve等[7]发现析出物在700e、800e到900e等温时的显微硬度先增大后降低,这与Cr2N相自身的转变有关。Cr2N首先沿晶断续析出,然后向晶界内生长呈胞状析出,在这个过程中,氮化物不但经历了析出形态的变化,而且有两种Cr2N形式的变化,所以其显微硬度会有所变化[8]。
试验钢固溶后的组织为单相奥氏体,晶界比较平直,
晶界上无氮化物析出,组织中存在退火孪晶,晶粒比
较细小"而由图6一1(b) 可以看出,经850e保温5h
随炉冷却后,试验钢析出了大量的氮化物,氮化物首
先沿晶界不连续析出,随着保温时间的延长,氮化物
逐渐向晶粒内部生长,为进一步观察氮化物的形态,
用扫描电子显微镜将氮化物放大至3000倍,如图6一
1(C)所示,由图可知,氮化物成层片状分布于晶界及三
晶交汇处,层片厚度大约为0.5林m,层状组织平行排
列成条束状"其组织类似于珠光体组织"
析出物成分分析
图7是在不同的晶间析出物上做的X射线能谱成分分析,从图中可以看出,各种析出物的成分大体是一样的。一般而言,Cr-Mn钢的特征是生成铬的氮化物,它们基本上是属于Cr2N类型。文献[9]指出,Cr2N相的成分(质量分数,%)为79Cr,5Mn,415Fe。F.Vanderschaeve等[7]分析得出的Cr2N的成分为49Cr,11Fe,7Mn,与图7的成分分析基本相符。
(2)随着等温时间的延长,Cr2N相首先沿晶界断续析出,继而变得粗大,并逐渐布满晶界。在析出过程中,钢的基体显微硬度呈下降趋势。
奥氏体组织中存在大量的孪晶、
位错和层错;晶内、晶界有碳化物沉淀相析出,位错强化和第二相沉淀析出强化是提高高氮钢强度的主要手段。经过固溶处理后,晶界的析出物明显减少,晶界析出物能全部溶解于奥氏体基体中,所以高氮钢的耐腐蚀性能能够得到明显提高。
氮在Fe-Cr-N-i Mn-Mo熔体中的溶解度随着温度降低而增加;随着Cr、Mn、Mo元素含量提高而增加,而随着Ni、C元素含量的提高而降低。
AOD炉氮合金化过程氮成分的控制
氮是人们早就熟知的生成奥氏体的元素,不仅可通过固溶强化使不锈钢的强度获得提高,而且可改善钢的耐蚀性能,可应用于代替价高的镍元素,达到提高钢的强度和耐蚀性的目的。
根据氮在奥氏体不锈钢中的含量,可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型(氮含量0.05 %～0.10 %)、中氮型(氮含量0.10 %～0.40 %)和高氮型(氮含量在0.40 %以上)3种
氮的有利作用表现为:氮非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区;氮显著提
高奥氏体不锈钢的强度而其断裂韧性并不降低;氮提高奥氏体不锈钢的耐蚀性能,特别是耐局部腐蚀,比如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。
关于氮影响奥氏体不锈钢耐点蚀性能的机理,人们做了大量研究,并提出了不少模型,但都不够完善,而且说法不一。其中代表性的理论有Randy R[5]等的酸消耗理论,Lu Y C[6,7]等的界面氮富集及氮抑制钝化膜中Cr、Mo等元素的溶解等理论。一些实验认为,超级含氮奥氏体不锈钢这种优良的耐点蚀性能与高的氮含量以及N与Cr、Mo等元素的协同作用有关,氮能强化Cr、Mo等元素在奥氏体不锈钢中的耐蚀作用。有关N与Cr、Mo等元素的协同作用机理,还有待于进一步的深入研究。
氮能提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能,特别是耐局部腐蚀如晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀的能力。氮的加人会阻碍富铬碳化物的形核和长大,阻止晶界含铬量的降低,而提高耐晶间腐蚀性。在含氮高的钢中虽有氮化铬在晶界析出,但由于氮化铬沉淀速度很慢,敏化处理不会造成晶界贫铬,对晶间腐蚀影响很
大量研究表明,在含抓离子的环境中,氮能显著提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀能:2,2 公式显示了氮在抗点蚀方面的良好作用:
氮有助于形成初次膜及以后的含铬钝化膜,引起点蚀的有效电压、点蚀电位和保护电位均随氮含量的增加而增加。氮对点腐蚀和缝隙腐蚀的作用机理主要有
1.耗理论:氮在溶解时形成NH扩,在形成过程中消耗H十,从而抑制pH值的降低,减缓溶液局部酸化和阳极溶解,抑制点蚀的自催化过程。
2.氮的富集:氮在钝化膜/金属界面靠近金属一侧富集,影响再钝化动力学,可迅速再钝化,从而抑制点蚀的稳定生长。
3，其它元素的协同作用:氮强化Cr、Mo等元素在奥氏体不锈钢中的耐蚀作用,抑制铬、钥等的过钝化溶解,可在局部腐蚀过程中形成更有抗力的表层;氮的加人使钝化膜进一步富Cr,提高了膜的稳定性和致密性。此外,研究还表明,高氮奥氏体不锈钢具有优异的抗气蚀性能一川,这一结果对流体机械中的部件如涡轮机、泵和阀门意义十分重要。
研究表明:氮能显著提高奥氏体不锈钢的耐点腐蚀!缝隙腐蚀和晶间腐蚀的能力,并且随着氮含量的增加,奥氏体不锈钢的耐局部腐蚀性能也随之增加"俄歇电子能谱及X射线光电子能谱对钝化膜的分析表明,氮并不影响钝化膜的基本组成,其主要是富集在钝化膜/金属界面处,有效地阻碍了Cl一等有害离子对钝化膜的侵蚀;同时,氮也提高钝化膜中Cr的富集程度,增加钝化膜的稳定性,从而提高了抗点腐蚀!缝隙腐蚀的能力"对比实验表明,含氮奥氏体不锈钢在耐缝隙腐蚀方面可以和高牌号奥氏体不锈钢媲美,甚至优于高牌号奥氏体不锈钢"通过电化学动电位再活化(EPR)法定量地分析了氮对奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的影响规律,发生晶间腐蚀的主要原因是沿晶界析出了富Cr的M23C6而引起晶界贫铬"氮的有益作用是:能使钝化膜中铬的富集程度提高;氮在膜/金属界面处富集形成的氮化物使钝化膜更稳定!致密;氮与溶液中的H+作用生成NH4+,从而抑制了微孔内pH值的降低;氮阻碍晶间碳化物的形核和长大,阻止富铬的M23c6析出,因而减少了贫铬程度,有效提高了含氮奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的能力"
腐蚀性能
诱钢的不诱性和耐蚀性主要是由于钢的表面上富铬氧化膜(Cr203)的形成,从而起到保护基体的作用。不锈钢具有不锈和耐蚀特性并有其许多优良性能,,已得到广泛而大量的应用。近年来,发现氮的加入可改善奥氏体钢耐一般腐烛、点蚀、应力腐烛和晶间腐烛的性能。奥氏体钢中,由于氮的存在,在金属表面形成了一层富氮钝化膜,促进钝化,氮的抗点蚀能力约为Cr的30倍。此外,氮的引入,抑制了碳化物的析出,从而避免因碳化物的析出而引起的晶间腐烛,而Cr2N的析出不会象Cr23C6析出所造成的那样显著的晶间腐蚀。
超级奥氏体不锈钢的耐缝隙腐蚀能力远远高于镍基合金C-276,后者
的腐蚀率几乎是氮含量为0.46 %的钢的180倍,是氮含量为0.35%的钢的25倍。这一结果表明,在比较苛刻的介质环境中,超级含氮奥氏体不锈钢在局部腐蚀方面完全可以取代镍基合金C-276。
一般认为,有较好耐点蚀能力的合金也有较好的耐缝隙腐蚀能力。
氮明显提高奥氏体不锈钢的耐缝隙腐蚀能力。Azuma S[8]等指出:氮的加入抑制了阳极液的酸化和活性溶解。随着氮含量的增加,腐蚀的渗透深度降低,缝隙腐蚀的传播扩展率降低。氮的有益作用可归因于合金化氮形成NH+4从而延长孕育期并降低渗透率.
(1)氮明显改善奥氏体不锈钢的钝化性能和耐点腐蚀性能。
(2)氮显著提高奥氏体不锈钢的耐缝隙腐蚀性能。
(3)超级奥氏体不锈钢在耐点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀性能方面可以和镍基合金C-276相媲美,甚至优于镍基合金。
奥氏体钢的层错能越高,晶体内的位错越不易产生平面滑移,而倾向交叉滑移方式,合金中的氢则可跟随位移分布在较大范围,较为均匀,由此降低晶界的脆化。因此,在没有马氏体产生的
条件下,层错能越高的奥氏体钢的抗氢脆能力越强, 氮含量的增加可能降低了奥氏体钢的层错能,在变形过程中,促使位错做平面滑移的倾向增大,导致氢脆敏感性增加。
奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫铬理论,非敏化态晶间腐蚀机理主要是杂质元素偏聚理论[1].通过降低碳含量可以改善耐敏化态晶间腐蚀性能,降低磷、硫、硅等有害杂质元素含量可以改善耐非敏化态晶间腐蚀性能.但是随着碳含量的降低,一方面奥氏体不锈钢的强度降低,另一方面要保持纯奥氏体组织,需加入更多的镍.加氮可以解决此两方面的问题.
大量的研究表明[3-5],氮的加入可以提高普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢耐敏化态晶间腐蚀性能,在钢中有钼时作用更明显.关于氮的作用机理主要有两种看法:一种认为氮降低了铬在钢中的扩散系数[1];另一种认为氮阻碍碳化物形核和长大[3].
N对高纯奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能影响的机理:(1)高纯奥氏体不锈钢加氮合金化(N ≤0.20%)经过各种敏化热处理不会造成晶界贫铬; (2)氮元素在晶界的偏聚以及在含氮高的钢中有氮化铬在晶界析出加速不锈钢非敏化态晶间腐蚀.
在钢中加入氮能显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，氮含量为0.4～0.5%时不锈钢的耐腐蚀性能达到最佳，氮含量过高或过低时，耐腐蚀性能都有所降低。
实验结果表明含氮钢的耐蚀性普遍好于1Cr18Ni9不锈钢。随钢中含氮量增加,奥氏体组织扩大,耐腐蚀性能提高。当含氮量达0.74%时形成完全的奥氏体相。经阳极极化后,含氮钢表面的腐蚀层中奥氏体相比原基体的扩大,膜致密,耐腐蚀性能远远高于原基体。
氮钢比18-8型不锈钢更耐腐蚀的原因分析如下:
含氮钢中的N和Mn相配合代替Ni,起着形成奥氏体的作用。显微组织分析结果指出,随氮量增加,奥氏体区扩大。当含氮量达0.74%(N5钢)时已完全形成奥氏体结构。因此,N不但有形成奥氏体的作用,而且还有扩大奥氏体区的作用。根据N5钢较耐腐蚀的结果,可以说这种富集了N、Mn、Cr的奥氏体相是耐蚀相,而且N和金属(例如Cr等)能形成耐腐蚀的氮化物[2]。当钢中这种耐蚀相作为基体且数量大,则钢的耐蚀性就强。N4、N3、N2钢都是以奥氏体为基体,其数量比铁素体多。按理,钢中有奥氏体和铁素体两相会有原电池反应。但从实验结果发现,当含氮钢中不耐蚀相腐蚀后,能在钢的表面形成致密的电阻更大的耐蚀产物膜。N1钢是铁素体为主,在酸性溶液中比18-8型奥氏体不锈钢容易腐蚀,但当极化后,钢表面的氧化腐蚀层致密,且奥氏体区比原来表面扩大,有效地阻滞了腐蚀过程再进行,因此N1钢比18-8型不锈钢更耐腐蚀。随着钢中含氮量增加,氧化腐蚀层变得更致密,奥氏体区扩大,因而耐腐蚀性增强。达到N5号钢的含氮量时,腐蚀层变成致密的透明的薄膜。这说明N不仅在钢中能促进奥氏体区扩大,而且在腐蚀层中也起了扩大奥氏体耐蚀相区的作用。
1随钢中含氮量增加,含氮钢的耐腐蚀性提高。含氮钢的耐蚀性普遍好于18-8型不锈钢。N有促使自腐蚀电位变正、提高点蚀电位、促进钢钝化、降低腐蚀速率等作用。
2经阳极极化后,钢表面生成致密的氧化腐蚀产物,其组织中奥氏体相比原光亮表面的增加,使其耐腐蚀性远远高于原基体。
3 N是形成和扩大奥氏体区的主要元素。含氮量增加使奥氏体区扩大,耐蚀性能提高。当氮量达0.74%时,已形成完全的奥氏体相。
高氮不锈钢应用前景
高氮不锈钢的抗拉强度目前已能达到3600MPa,预计不久的将来可超过4000MPa并同时具有良好的韧性和较高的抗腐蚀性能。具有良好性能的高氮不锈钢已经开始进入商业化应用阶段,如大型火力发电机(300MW以上)护环钢已在发达国家和我国得到广泛应用,而且随着制造工艺技术的进步,制造成本将不断降低,性能进一步提高,高氮不锈钢的应用范围将不断扩大。可以预见,高氮不锈钢在交通运输(汽车、火车、轮船)、建筑(如超高强度钢筋)、宇航空间工业、海洋工程、原子能和军事工业等许多领域将得到广泛应用。
新钢种开发方面,具有更高强度、更好耐烛性和更高低温靭性的CrMnN、CrMnMoN. CrMnNiN和CrNiMnMoN等合金系具有较大的发展前景。
1.碳的影响： 碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，碳形成奥氏体的能力为镍的30倍。钢中随着含碳量增加，奥氏体不锈钢强度也随之提高。此外，还能提高奥氏体不锈钢在高浓氯化物（如42%MgCl2沸腾溶液）中的耐应力腐蚀性能。但是在奥氏体不锈钢中，碳通常被视为有害元素，因为在焊接或加热到450度到850度，碳可以和钢中的铬形成Cr23C6型碳化物。导致局部铬贫化，使钢的耐晶间腐蚀性能下降。20世纪60年代以来新发展的铬镍奥氏体不锈钢，为含碳量小于0.03%或0.02%的超低碳型不锈钢。因此，在冷、热加工及焊接与碳弧气刨时应防止不锈钢表面增碳，以免铬的碳化物析出。 2.铬的影响： 在奥氏体不锈钢中，铬是强烈形成并稳定铁素体的元素，可以缩小奥氏体区。在铬镍奥氏体不锈钢中，当碳含量为0.1%，铬含量为18%时，为获得稳定单一奥氏体组织，所需镍的含最最低为8%，铬能增大碳的溶解度而降低铬的贫化度，因而提高铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的。铬还能极有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀及缝隙腐蚀性能。因此铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性。铬可提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能，在镍、钼、铜的复合作用下，铬可提高钢耐一些还原性介质、如有机酸、碱介质的性能。 3.镍的影响： 奥氏体不锈钢中主要合金元素镍，其主梌用是形成并稳定奥氏体，获得完全奥氏体组织，使强有良好的强度、塑性和韧性并具有优良的冷、热加工性、可焊性及低温与无磁性，镍还可以显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。由于镍能改善铬的氧化膜成份、结构和性能，从而提高奥氏体不锈钢耐氧化性介质的性能。但是降低了钢的抗高温硫化性能，这是由于钢中晶界处形成低熔点硫化镍所致。 4.钼的影响： 钼的作用主要是提高钢在还原性介质（比如H2So4、H2PO4以及一些有机酸和尿素环境）的耐蚀性，并提高钢的耐点蚀及缝隙腐蚀等性能。含钼不儿钢的热加工性比不含钼的差，钼含量越高，热加工越坏。另外含钼奥氏体不锈钢中容易形成X（σ)沉淀，这会恶化钢的塑性和韧性。钼的耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力相当于铬的3倍左右。 5.氮的影响： 氮日益成为铬镍氮奥氏体不锈钢的重要合金元素，氮能提高钢的耐局部腐蚀（耐晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀）性，氮形成奥氏体的能力与碳相当，约为镍的30倍。作为间隙元素的氮，其固溶强化作用很强，因为它的加入可以显著提搞奥氏体不锈钢的强度。每加入0.1%氮可使铬镍奥氏体不锈钢的室温强度提高60～100MPa。在酸介质中，氮可提高奥氏体不锈钢的耐一般腐蚀能力，适量的氮还可提高敏经态奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀能力。在氯化物环境中，氮提高奥氏体不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀性能十分显著。 6.铜的影响： 铜能显著降低铬镍奥氏体不锈钢的冷作硬化倾向，提高冷国工成型性能。奥氏体不锈钢中的铜含量为1%～4%时，铜对钢的组织没有影响，对钢的冷成型性有良好的作用，因此含铜的奥氏体锈钢多用于要求冷作的一些用途中，铜可以显著降低热加工性，特别是当奥氏休不锈钢中含镍量较低时更为明显，因此当钢中铜含量较高时，镍含量应相应提高。
不锈钢复合板的焊接 不锈钢复合板是由复层（不锈钢）和基层（碳钢、低合金钢等）复合轧制而成的双金属，由复层保证耐蚀性能，强度主要靠基层获得，这样可以节约大量不锈钢，具有良好的经济价值。不锈钢复合板由于具有良好的综合性能和价格上风，在石油化工、食品产业等领域得到日益广泛的应用。不锈钢复合板焊接既不同于不锈钢，也不同于碳钢或低合金钢，而有其特点和难点。 一、不锈钢复合板的焊接特点 从设计角度考虑，不锈钢复合板的基层主要是保证强度，复层主要是保证其耐蚀性能, 中间增加的过渡层只是焊接工艺的需要。为了保证复合钢板不失往其原有的综合性能，需要对基层和复层分别焊接。除了基层和复层的焊接外，还有过渡层焊接的题目，这是不锈钢复合板焊接的主要特点。复层焊缝和基层焊缝之问，以及复层焊缝与基层母材交界处宜采用过渡焊缝。基层和复层的过渡层焊接是不锈钢复合板焊接的关键。 二、不锈钢复合板焊接技术要点 1?焊接方法的选择 焊接不锈钢复合板时，基层大都采用焊条电弧焊。对于直径大、厚度大的不锈钢复合板产品，基层也可以采用埋弧焊。基层采用埋弧焊的优越性是多方面的：生产效率高、焊缝质量优、表面成形美观、劳动条件好、节省焊接材料和电能。过渡层和复层焊接，最常用的方法是焊条电弧焊。 2?焊接工艺评定 GBI501998《钢制压力容器》规定，凡是新材料、新焊接工艺均应进行焊接工艺评定。焊接工艺评定应以可靠的钢材焊接性能试验为依据，并在产品焊接之前完成。不锈钢复合板能否通过焊接工艺评定，是不锈钢复合板焊接的关键所在。目前，不锈钢复合板的焊接工艺评定应按照JB4708?2000《钢制压力容器焊接工艺评定》附录 A （标准的附录） 锈钢复合钢焊接工艺评定"进行，并遵守该标准正文的有关规定。 3?焊接材料的选择 不锈钢复合板的焊接材料按照JB/T4709 —2000《钢制压力容器焊接规程》正文和附 录A （标准的附录）不锈钢复合钢焊接规程”表A1推荐选用。 不锈钢复合板过渡层的焊接十分重要，过渡层焊接材料的选择也十分重要。焊接过渡层的目的，是为了补偿由于稀释所引起的合金元素（如铬、镍等）的降低，使复层焊缝的合金成分保持应有的水平。过渡层焊接时，基层结构钢的局部熔化使不锈钢焊缝合金成分稀释。同时，还有铬、镍合金元素的烧损题目。这样就会降低不锈钢焊缝中的铬、镍合金 元素含量，增加不锈钢焊缝的含碳量，从而使不锈钢焊缝中轻易形成硬而脆的马氏体组织，降低焊接接头
高氮不锈钢的开发进展 高氮不锈钢的开发进展2010年12月29日星期三21：26摘要：加压冶炼 高氮不锈钢是材料研究的一个新领域。介绍了高氮不锈钢的生产工艺及高压冶 炼高氮不锈钢的主要设备。综述了欧美、日本等研发的高氮不锈钢的成分、力 学性能及应用现状。由于受实验装备的限制，国内高氮不锈钢的研究与国外相 比还有差距。 高氮不锈钢奥氏体冶炼合金化前言众所周知，氮是大气中取之不尽的廉价 资源，如能取代钢种昂贵的镍，其经济效益可想而知。特别是近年来超导技术 的发展对超低温无磁材料的需求升温，以及作为化工和能源开发材料用高强度 不锈钢需求量不断增长，都促进了高氮高强度不锈钢研制工作的发展。1氮在 不锈钢中的作用前苏联学者将高氮钢定义为含氮量超过在常规条件下钢中所能 达到的极限氮含量的钢。根据氮的加入量不同可致钢的组织成分等亦不同，大 致进行了以下分类，即氮质量分数>1%的为高氮钢，氮质量分数在0.3%~0.5%的 为高氮钢，在此范围以下的为含氮钢。研究发现，在不同的基体组织中氮含量 的范围不同：在铁素体基体中，氮的质量分数≥0.08%；在奥氏体基体中，氮的质量分数≥0.4%。氮在不锈钢中的作用主要体现在对不锈钢基体组织、力学性 能和耐蚀性三方面的影响。研究表明，氮是一种非常强烈地形成并稳定奥氏体 且扩大奥氏体相区的元素，在不锈钢中可代替部分镍，降低钢中的铁素体含量，使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出，甚至在冷加工条件下可避免出现 马氏体转变。氮对不锈钢力学性能的影响主要表现在：氮在显著提高不锈钢强 度的同时，并不降低材料的塑韧性；氮能提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能 力和屈服强度。氮作为改善耐蚀性的元素可在蚀孔内形成NH4+，消除产生的H+，抑制pH值降低，从而能抑制点蚀的发生和蚀孔内金属的溶出速度，改善局部腐蚀性能。2高氮不锈钢的生产工艺及主要设备2.1生产工艺高氮不锈钢的冶炼 主要面临两个问题，即如何在熔化状态获得高含量氮以及怎样保证在凝固过程 中使氮处于溶解状态。为获得高含量氮，所采取的主要措施有：设计合理的合 金成分；采取合适的工艺路线；选择适当的氮载体。研究表明：Cr、Mn、Mo、V、Nb等元素促进氮溶解，Ni、Cu、Si、C等元素降低氮溶解。但是，通过调整合 金成分对氮溶解的影响毕竟有限，因此，目前具有工业化前景的途径主要还是
元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响奥氏体不锈钢含有较多的Cr、Ni、Mn、N等元素。与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢除了具有较高的耐腐蚀性外，还有许多优点。它具有很高的塑性，容易加工变形成各种型材，如薄板、管材等；加热时没有同素异构转变，即没有γ和α之间的相变，焊接性好；低温韧性好，一般情况下没有冷脆倾向；奥氏体不锈钢不具有磁性。由于奥氏体不锈钢的再结晶度比铁素体不锈钢的高，所以奥氏体不锈钢还可以用于550℃以上工作的热强钢。 奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，约占不锈钢总产量的2/3。由于奥氏体不锈钢具有优异的不锈钢酸性、抗氧化性、高温和低温力学性能、生物相容性等，所以在石油、化工、电力、交通、航天、航空、航海、能源以及轻工、纺织、医学、食品等工业上广泛应用。 1.高钼（Mo＞4%）奥氏体不锈钢 高钼奥氏体不锈钢的典型代表是：00Cr18Ni16Mo5和00Cr18Ni16Mo5N。因为含钼量高，所以在耐还原性酸和耐局部腐蚀方面性能有很大提高，可用于更加苛刻的腐蚀环境中。含氮00Cr18Ni16Mo5N钢，由于氮的加入，奥氏体更加稳定，由于铁素体的生成，σ（χ）等脆性相的析出受到一定抑制。 00Cr20Ni25Mo4.5Cu由于此钢含有更高的Cr、Ni、Mo等元素，加之Mo与Cu的复合作用，使00Cr20Ni25Mo4.5Cu既在含Cl离子的水介质中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的能力有显著提高，图1～图4系在不同温度H2SO4、H3P O4和含F-50%H3P O4中
耐全面腐蚀和在氯化物水介质中耐应力腐蚀的实验结果。可以看出00Cr20Ni25Mo4.5Cu 比18-12-2型不锈钢的耐蚀范围有所扩大。 图1 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在H 2SO 4中的腐蚀 图2 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在H 3PO 4 中的腐蚀(≤0.1mm/a) 图3 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在50℃含HF 的50%P 2O 5溶液中的腐蚀
选用耐腐蚀的金属材料是重要的防腐蚀措施之一, 其中不锈钢材料占有最重要地位。不锈钢诞生已有近百年历史, 随着石油、化工、能源、宇航、海洋和生物工程等工业技术的发展, 对不锈钢提出了更高的耐蚀及综合性能要求。奥氏体不锈钢被广泛用于工领域, 具有良好的韧性、抗均匀腐蚀、抗局部腐蚀( 点蚀、缝隙腐蚀等) 性能。但奥氏体不锈钢(如AISI 304L , 316L) 在高温氯化环境中, 易产生应力腐蚀裂纹, 此时适合采用高镍不锈钢和铁素体不锈钢, 但用Ni 合金化的奥氏体不锈钢成本昂贵, 而铁素体不锈钢韧性和厚钢板焊接性能较差。因此介于奥氏体和铁素体不锈钢之间的双相不锈钢被研制出来,它具有较好的力学性能与抗腐蚀性能(包括应力腐蚀性能) 。双相不锈钢成分范围宽, 可针对不同使用条件进行选材, 且价格低廉。近年来, 随着低碳、超低碳奥氏体不锈钢、双相钢的大量生产, 强度不足成为限制此类钢使用的主要问题, 如何保证降碳后钢的强度维持或超过原有的性能指标, 已成为一个重要课题。氮作为合金元素加入不锈钢中, 可提高奥氏体稳定性、平衡双相钢中相的比例, 在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度, 并可部分代替不锈钢中的Ni。生物工程材料———无镍不锈钢的发展, 可以解决人体器官对Ni 的过敏性(Ni > 012 %时) 的难题, 所以Cr2Mn2N 不锈钢和无镍不锈钢的研究受到普遍重视。含N 铸造不锈钢的研究和应用已是非常重要的领域。AOD、VOD 等精炼技术的应用为生产纯净的含氮超低C 奥氏体不锈钢、双相不锈钢和马氏体不锈钢等提供了先进的制造工艺。 1 N的存在形式及作用 111 固溶N及其对组织结构的影响 N 的性质与C 相类似, 是生成间隙相的主要元素, 这是由它较小的原子尺寸及电子层结构所决定的。有文献〔3〕报导, 在奥氏体类不锈钢中, N 绝大部分固溶于奥氏体中, 固溶于铁素体中的N 量很少在铁素体2奥氏体双相不锈钢中推测N 的分配系数为0123～0125〔4～6〕。N 也是马氏体中的重要间隙元素,对马氏体相变和性能起决定性作用。N 在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当Ni 的25 倍左右( Nieq =Ni % + 015 ×Mn + 30 ×C % + 25 ×N %)〔7〕, 在常规的182 8 型奥氏体不锈钢中会有少量铁素体存在, 随钢中含C量的降低, 铁素体量将增加, 而加入N 则弥补了降 C 对组织带来的不利影响〔8〕。N 的增加在减少钢中铁素体相比例的同时, 对其存在形态也有较大影响, 使铁素体逐渐由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变, 从而降低了网状铁素体对奥氏体钢强度和塑性的不良影响〔9〕。 112 金属氮化物及其弥散现象 N 与钢中合金元素相互作用的重要性表现在氮化物的弥散现象。在奥氏体钢中存在许多弥散氮化物,主要是Cr2N 的弥散。Cr2N 为立方晶格结构, 在Cr、Ni 含量较高的AISI 310 中的溶解度要比在AISI 304钢中的溶解度低(见图1〔10〕) 。在含有Ti 和Nb 的钢中, 会有TiN 和NbN 形成。有趣的是在含有Nb 的AISI 347 钢中, N 与NbC或C 与NbN 结合可提高它们在奥氏体中的溶解度, 尽管NbN 溶解度要比NbC小得多; 在含Nb奥氏体钢中, 增加N 含量可显著促进平衡方程式M4X3 向MX移动, 说明N 占据着碳化物的间隙空间〔11〕。在含Nb 钢中, 人们也发现了复杂的Cr3Nb3N 及CrNbN (称为Z 相) 氮化物形成〔12～13〕, 在热加工过程中, Z相在晶粒边界发生弥散现象, 可提高钢的强度〔14〕。在奥氏体钢中, N 延缓碳化物M23 C6 及金属间化合物的析出(见图2〔15〕) 。这可能是由于Cr2N 的析出减少了固溶的Cr含量。在双相钢中, N 延缓金属间化合物弥散析出及N 的强烈奥氏体稳定化作用, 对不锈钢的相比例平衡和改善焊接性能很重要。G1Aahlber 等人〔16〕的研究发现, 在含Mo 的双相钢中, 很大比例的N 是以Mo2N的Mo2N2Cr 化合物形式存在于奥氏体基体中。N 在马氏体钢中与其它元素形
技术中心质量管理体系文件 常规J4、D11奥氏体不锈钢冶炼技术要点 版次：A/1 拟制部门： 审核人： 批准人： 2009-05-28 发布2009-06-28 实施 受控状态：发放编号：1?目的：为规范操作，保证产品质量和生产顺行，特制定本冶炼技术要点。 2 ?适用范围：本冶炼技术要点仅适用于冶炼J4、D11奥氏体不锈钢牌号的工艺操作。 3 ?工艺路线
电炉熔化—*铁水还原—转AOD冶转LF 板坯连—*检验入库 4. 电炉配料条件 锰铁应在稀薄渣形成后或随同渣料加入，严格控制炉料中P族元素含量，钢铁原料平均采 用36%碳钢废钢+22 %不锈钢废钢作原料，炉料成分除碳、硅、硫外，应接近钢号标准成分。 5. 入AOD钢水条件 J4 D11 备注：1 ）通过中间包倒入AOD炉中为防止风管堵塞应吹入Ar或N2； 2）脱碳期按3/1 —2/1 —1/3氧氮比混合气体进行脱碳； 3）冶炼的预还原期需加入一定数量的电解锰或金属锰并吹入一定量的N2,进行锰和氮的合金化； 4）预还原期需加入一定量的硅铁、并吹入一定量的氧气补偿温降； 5）预还原期和还原期的吹炼气体为氮气； 6）还原后期即精炼期再加入适量的氮化铬或氮化锰对钢中的氮进行微调； 7）还原精炼时用双渣法进行脱硫（碱度》1.8）。 6. 还原剂选用硅铁和石灰，也可以使用少量的Al，并用惰性气体（氮气、氩气）强烈搅拌。一般
情况下硅铁单耗为10~12Kg/t,双渣法则为20~24Kg/t。 7. 转LF炉 吹氩调温处理：采用钢包底吹氩方式。 加入包渣或喂SiCa线脱硫脱氧。 Cr、Ni、Mn合金进行微调处理，微调的铬铁、锰铁应在出钢前10min时加入，Ni合金微调时一般使用电解镍。 8 ?工序时间:（min） 备注：常规连铸机浇注周期具体依据断面、拉速确定。 9. 温度制度： 10. 冶炼装入 10.1装入制度：总装入量89 ±2t，废钢加入量见下表：
高氮钢与不锈钢的区别 不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。是应用极为广泛的材料，不锈钢在人们生产生活中随处可见。这种添加了铬、镍等元素的合金钢，出于提高抗腐蚀能力的需要，必须降低碳含量，而碳含量一低，强度就很难提高，这也限制了不锈钢作为结构材料的应用范围。有没有这样一种不锈钢，它既能减少贵重金属的添加量以节约成本，又能提高材料强度以扩大应用范围，还要有良好的抗腐蚀性能以减少维护成本并提高成品使用寿命？ 2004年列入国家973计划的“提高钢铁质量和使用寿命的冶金学基础研究”项目已于2009年通过验收，该项目以提高冶金质量为基础，以材料学为先导，以延长钢的使用寿命为目标。主要成果有：设计并开发出低镍、高强度、低成本、高耐磨性、低磁甚至无磁的资源节约型不锈钢原型钢；在常压下利用现有冶金工艺流程冶炼并连铸出了氮含量达0.64％的高氮钢；研究开发出了经济型高强高韧亚稳钢。这些成果有利于提高我国钢铁企业的国际竞争力，拥有广阔的市场应用前景。 这种不锈钢的名字叫做高氮钢。上世纪70年代，世界上就已经有高氮不锈钢出现，用廉价的取之不尽的氮代替昂贵稀缺的镍，同时还提高了不锈钢的强度和抗局部腐蚀能力。阻碍氮作为合金元素广泛使用的主要因素是氮的加入问题，在大气压下氮溶解度非常低，加入很困难，由于加入量少，其有利影响不太明显，高氮钢的普遍生产方式是加压冶炼，需要特殊的生产设备，这就大大增加了高氮钢的生产成本并限制了它的产量。我国是钢铁生产大国，能不能使用现在通用的冶金设备在常压下炼出高氮钢？ 根据高氮钢的性能特点，高氮钢应用由于其具有和目前大量使用的304不锈钢相当的耐蚀性能，并具有比304不锈钢高2倍的强度，且价格低廉，和304不锈钢相比具有很大的竞争优势，因此可以在部分领域替代304不锈钢。到目
2205双相不锈钢复合板焊接工艺 1、材料特性 1.1 2205双相不锈钢成分特点 2205双相不锈钢（00Cr22Ni5Mo3N）是中合金双相不锈钢的代表品种，组织中铁素体和奥氏体各约占50%，其成分特点是超低碳、含氮，氮是强烈的奥氏体形成元素，加入到双相不锈钢中，既提高钢的强度且不损伤钢的塑韧性，又增强了其在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。由于其具有良好的耐腐蚀性能、力学性能、加工性能和焊接性能，广泛应用于石油和天然气工业、化学和石化加工工业、化肥工业、运输业、造纸和制盐轻工业等。 1.2 2205/Q235B双相不锈钢复合板的生产机制及特点 2205/Q235B双相不锈钢复合板材料是采用基材Q235B和复材2205不锈钢爆炸焊接而成。爆炸焊接生产复合板以炸药为能源介质，利用爆炸产生的冲击波推动复板向基板运动，在排出间隙中气体的同时通过撞击，在接触界面上发生薄层金属的塑形变形、融化和原子间的扩散，从而使金属板之间焊合。大量的研究以及成熟的生产工艺都表明，复合板各元素在界面附近为梯度过渡，呈渐进分布，复合板基材/复材界面区域形成牢固的冶金结合过渡区。达到在不降低使用效果（防腐性能、机械强度等）的前提下节约资源、降低成本的效果。 2、焊接性 2.1复材的焊接 2205双相钢钢为超低碳的奥氏体-铁素体不锈钢，在通过固溶处理后具有良好的韧性、强度和焊接性，由于该钢Cr当量与Ni当量比值适当，在高温加热后仍保留有较大量的一次奥氏体组织，又可使二次奥氏体组织在冷却中生成，使钢中的奥氏体相总量不低于30%～40%，因而使钢具有良好的耐腐蚀性能；因母材中含有较高的N，焊接近缝区不会形成单相铁素体区，奥氏体含量一般不低于30%。 双相不锈钢2205具有良好的焊接性，焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热，焊后不热处理。 2.2过渡层的焊接 2205/Q235B复合板焊接过渡层时，由于其符合界面成分复杂，要在保证熔合良好的前提下，尽量减少基材金属的熔入量，即降低熔合比。为此，应采用较小直径的焊条及较小的焊接线能量，当焊接材料选择合理，焊接线能量控制适当时，焊接接头具有良好的综合性能。 2.3基层的焊接 基层为Q235B碳素钢板，焊接工艺成熟。在这里我们选取的J506焊条为低氢钾型焊条，是在低氢钠型基础加入稳弧剂，改善电弧工艺性能，增强了抗裂性。 2.4焊接要点双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的金相比例，因此，焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。当铁素体和奥氏体量各接近50%时，性能较好，接近母材的性能。改变这个比例关系，将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能（尤其是韧性）下降。双相不锈钢2205铁素体含量的最佳值是45%。过低的铁素体含量（<25%）将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降；过高的铁素体含量（>75%）也会有损于耐蚀性和降低冲击韧性。 金相比例的影响因素如下： 焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响，又受到填充金属、焊接热循环、工艺参数的影响。 （1）合金元素的影响 根据研究和大量试验发现，复材中含氮是非常重要的。氮在保证焊缝金属和焊后热影响区内形成足够量的奥氏体方面具有重要作用。氮和镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体元素，但是，
元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响 奥氏体不锈钢含有较多的Cr、Ni、Mn、N等元素。与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢除了具有较高的耐腐蚀性外，还有许多优点。它具有很高的塑性，容易加工变形成各种型材，如薄板、管材等；加热时没有同素异构转变，即没有γ和α之间的相变，焊接性好；低温韧性好，一般情况下没有冷脆倾向；奥氏体不锈钢不具有磁性。由于奥氏体不锈钢的再结晶度比铁素体不锈钢的高，所以奥氏体不锈钢还可以用于550℃以上工作的热强钢。 奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，约占不锈钢总产量的2/3。由于奥氏体不锈钢具有优异的不锈钢酸性、抗氧化性、高温和低温力学性能、生物相容性等，所以在石油、化工、电力、交通、航天、航空、航海、能源以及轻工、纺织、医学、食品等工业上广泛应用。 1.高钼（Mo＞4%）奥氏体不锈钢 高钼奥氏体不锈钢的典型代表是：00Cr18Ni16Mo5和00Cr18Ni16Mo5N。因为含钼量高，所以在耐还原性酸和耐局部腐蚀方面性能有很大提高，可用于更加苛刻的腐蚀环境中。含氮00Cr18Ni16Mo5N钢，由于氮的加入，奥氏体更加稳定，由于铁素体的生成，σ（χ）等脆性相的析出受到一定抑制。 00Cr20Ni25Mo4.5Cu由于此钢含有更高的Cr、Ni、Mo等元素，加之Mo与Cu的复合作用，使00Cr20Ni25Mo4.5Cu既在含Cl离子的水介质中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的能 力有显著提高，图1～图4系在不同温度H 2SO 4 、H 3 P O 4 和含F-50%H 3 P O 4 中耐全面腐蚀和在氯 化物水介质中耐应力腐蚀的实验结果。可以看出00Cr20Ni25Mo4.5Cu比18-12-2型不锈钢的耐蚀范围有所扩大。 图1 00Cr20Ni25Mo4.5Cu在H2SO4中的腐蚀图2 00Cr20Ni25Mo4.5Cu在H3PO4中的腐 蚀(≤0.1mm/a)
高氮无镍奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢因为具有卓越的机械性能和耐磨性被广泛用于管线、化学储存、电站等行业。为了降低镍的使用量，奥氏体不锈钢的固溶氮化处理变得越来越有吸引力。金属溶质氮不仅是一种很强的奥氏体形成元素，还能提高耐磨性和机械性能（如强度和韧性），因此用其作为镍的替代品来获得高强度、高韧性的奥氏体不锈钢是可以预期的。然而高氮钢在使用过程中出现的问题之一是它会发生脆性-延性转变（BDT），这种转变是在面心立方晶格（fcc)合金中基本上看不到的。 日本九州岛大学材料科学工程系的研究者对高氮无镍奥氏体不锈钢的脆性-延性转变机理进行了研究，关注的焦点是位错的活性。首先测定了与位错活性关系密切的0.2%屈服应力下的温度；其次对小尺寸试样进行冲击试验以研究BDT行为；用3个不同的十字头速度进行4点弯曲试验以根据应变速率与BDT温度的关系来确定活化能。也可以通过应变-镦粗试验来确定活化能的值。 试验所用的Fe-25Cr-1.1N不锈钢化学成分见下表： C Si Mn P S Cr N Fe 0.002<0.01<0.01<0.0050.000425.11 1.1余量 在1473K下，在0.1MPa的氮气气氛中，对试验钢种进行固溶氮化处理达72ks，水冷；在1173K下等温热处理达0.3ks；在1473K下二次奥氏体化，然后淬火。获得的研究结果如下：1）Fe-25Cr-1.1N钢的温度与0.2%屈服应力的关系比SUS316L的要紧密得多； 在吸收能曲线的“低架”温度下，沿受检试样的裂纹尾迹未发现明显的塑性变形迹象； Fe-25Cr-1.1N钢BDT温度所需要的活化能比铁素体钢的要高得多，这表明在Fe-25Cr-1.1N钢中，在低温下位错的滑移难以诱发BDT； 可以推测，溶解的氮原子会使得Helmholtz自由能增加和/或位错滑移加剧，从而导致BDT所需的活化能值提高； 面心立方晶格之间位错滑移的热活化过程之差可以解释为什么即使在相同的活化能下，Fe-25Cr-1.1N钢的BDT温度要低很多。
在奥氏体不锈钢中,有碳、铬、锰、硅、硫、磷、钼、氮、钛、铌、镍、铜、硼、铈、镧等元素组成.每种元素对奥氏体不锈钢的影响如下 1.碳的影响： 碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素,碳形成奥氏体的能力为镍的30倍.钢中随着含碳量增加,奥氏体不锈钢强度也随之提高.此外,还能提高奥氏体不锈钢在高浓氯化物（如42%MgCl2沸腾溶液）中的耐应力腐蚀性能.但是在奥氏体不锈钢中,碳通常被视为有害元素,因为在焊接或加热到450度到850度,碳可以和钢中的铬形成Cr23C6型碳化物.导致局部铬贫化,使钢的耐晶间腐蚀性能下降.20世纪60年代以来新发展的铬镍奥氏体不锈钢,为含碳量小于0.03%或0.02%的超低碳型不锈钢.因此,在冷、热加工及焊接与碳弧气刨时应防止不锈钢表面增碳,以免铬的碳化物析出. 2.铬的影响： 在奥氏体不锈钢中,铬是强烈形成并稳定铁素体的元素,可以缩小奥氏体区.在铬镍奥氏体不锈钢中,当碳含量为0.1%,铬含量为18%时,为获得稳定单一奥氏体组织,所需镍的含最最低为8%,铬能增大碳的溶解度而降低铬的贫化度,因而提高铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的.铬还能极有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀及缝隙腐蚀性能.因此铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性.铬可提高
钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能,在镍、钼、铜的复合作用下,铬可提高钢耐一些还原性介质、如有机酸、碱介质的性能. 3.镍的影响： 奥氏体不锈钢中主要合金元素镍,其主梌用是形成并稳定奥氏体,获得完全奥氏体组织,使强有良好的强度、塑性和韧性并具有优良的冷、热加工性、可焊性及低温与无磁性,镍还可以显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向.由于镍能改善铬的氧化膜成份、结构和性能,从而提高奥氏体不锈钢耐氧化性介质的性能.但是降低了钢的抗高温硫化性能,这是由于钢中晶界处形成低熔点硫化镍所致. 4.钼的影响： 钼的作用主要是提高钢在还原性介质（比如H2So4、H2PO4以及一些有机酸和尿素环境）的耐蚀性,并提高钢的耐点蚀及缝隙腐蚀等性能.含钼不儿钢的热加工性比不含钼的差,钼含量越高,热加工越坏.另外含钼奥氏体不锈钢中容易形成X（σ)沉淀,这会恶化钢的塑性和韧性.钼的耐点蚀和耐缝隙腐蚀能力相当于铬的3倍左右. 5.氮的影响： 氮日益成为铬镍氮奥氏体不锈钢的重要合金元素,氮能提高钢的耐局部腐蚀（耐晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀）性,氮形成奥氏体的能力与碳相当,约为镍的30倍.作为间隙元素的氮,其固溶强化作用很强,因
焊接工艺 在焊接工艺评定的基础上，母液桶的制安正式开始。施工程序如下： 4.1选择焊接方式及焊接材料，见下表： 注：以上适用于所有焊缝。 焊接材料入库时，应仔细核对合格证、质量证明书，符合相应标准后才能投入使用。将焊材存放在干燥、通风良好、温度>5℃，且空气相对湿度<60%的库房内；设置焊材二级库，并由保管员专门负责焊材的保管、烘烤、发放和回收，并做好各种记录；焊条使用前按说明书的要求进行烘烤，然后存放到100～150℃恒温箱里随用随取；焊条使用超过4小时应重新烘烤，并且重复烘烤不得超过两次；焊工凭焊接技术员签发的领料单领取焊材。 4.2坡口加工（坡口样式见表3.3） 现场复材面和过渡层都采用等离子弧切割方法开制坡口，并用磨光机进行修磨。应避免将切割熔渣溅落在母材表面上，坡口表面应平整、光洁。基层采用板式坡口机。 4.3焊前清理 焊前应采用机械方法及有机溶剂，将焊接坡口内外两侧至少各20mm范围内的油、漆、锈、垢、毛刺、氧化膜等清除干净，且坡口表面不得有裂纹、夹层等缺陷；多层多道焊时，必须清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷等。为防止焊接飞溅物污染不锈钢表面，应在坡口两侧各100mm范围内涂上石灰水。 4.4组对 为避免增加内应力和产生应力集中，内外壁应尽量平齐，其内壁错边量不宜超过壁厚的10%，且不大于0.5mm；不得对焊接接头进行加热校正，不得用强力对口。厚度相同（基材与复材厚度均相同）的不锈钢复合钢板焊件的装配，应以复材表面为基准。厚度不同（或复材厚度不同，或基材厚度不同，或两者均不同）的不锈钢复合钢板焊件的装配基准，按设计图样的规定执行。 4.5定位焊 定位焊缝只允许焊在基层母材上，且应由持证焊工承担。若发现定位焊缝出现裂纹或其它不允许存在的缺陷时，应予铲除，并移位再焊。 4.6正式焊接 1）焊接规范参数见表3.4： 采用磨光机进行清根，层间温度<100℃。 2）焊接顺序：基层——过渡层——复层。焊接复层前应用磨光机清根，深度2mm。为防止飞溅破坏复层表面，焊接前应涂白垩粉予以保护，复层焊接时应尽量采用快速焊。 3）焊接注意事项 a.不得用碳钢焊材、低合金钢焊材在复层母材、过渡焊缝和复层焊缝上施焊。 b.过渡焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复层母材，且应盖满基层焊缝和基层母材。 c.过渡层焊缝在复层侧距材质分界线距离宜为0.5-1.5mm，在基层侧距材质分界线距离宜为1.5-2.5mm。 d.基材的焊接 焊接基材时，其焊道不得触及和熔化母材。先焊基材时，其焊道根部或表面，应距复合界面1-2mm。 e.过渡层的焊接 焊接过渡层时，要在保证熔合良好的前提下，尽量减少基材金属的熔入量，即降低熔合比。为此，应采用较小直径的焊条及较小的焊接线能量，过渡层的厚度应不小于2mm。 f.复材的焊接
奥氏体不锈钢的力学性能 不论不锈钢板还是耐热钢板，奥氏体型的钢板的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性同时硬度也不高，这也是它们被广泛采用的原因之一。奥氏体型不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小。其抗拉强度在温度 15~80℃范围内增长是较为均匀的。更重要的是：随着温度的降低，其冲击韧度减少缓慢，并不存在脆性转变温度。所以不锈钢在低温时能保持足够的塑性和韧性。 奥氏体不锈钢的工艺性能 1. 焊接性能 奥氏体不锈钢与其它各类不锈钢相比,有着较好的焊接性能,对氢脆也不敏感,可用各种焊接方法顺利地对工件进行焊接或补焊。工件在焊前无需预热,若无特殊要求,焊后也可不进行热处理。奥氏体不锈钢在焊接工艺上应注意焊缝金属的热裂纹。在焊接热影响区的晶界上析出铬的碳化物以及焊接残余应力。对于热裂纹,可采用含适量铁素体的不锈钢焊条焊接,能取得良好的效果。对于要接触易产生局部腐蚀的介质的工件,焊后应尽可能地进行热处理,以防发生晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和其它局部腐蚀。 2. 铸造性能 奥氏体不锈钢的铸造性能比马氏体和铁素体不锈钢好。这类钢中的1828 型钢的铸造收缩率一般为2 %～2. 5 %;18212Mo 型钢的铸造收缩率一般约为2.8 %左右。在这类钢中,含钛的奥氏体不锈钢,其铸造性能比不含钛者要差,易使铸件产生夹杂,冷隔等铸造缺陷。含氮的奥氏体不锈钢(如 ZGCr18Mn8Ni4N)铸造时气孔敏感性较大,在冶炼、铸造工艺上都必须采取防护措施,严格烘烤炉料,采用干型,并严格控制出钢温度和浇注温度等。 合金元素(如铬、镍、钼、铜等)含量高的奥氏体不锈钢(如 ZG1Cr24Ni20Mo2Cu3)在铸造时,铸件(特别是形状较复杂的厚大铸件,以及长管
第42卷 第7期 2007年7月 钢铁 Iron and Steel Vol.42,No.7 J uly 2007 AOD 炉冶炼含氮不锈钢氮成分控制的研究 李学锋1,2, 李正邦2 (1.太原钢铁(集团)公司品质部,山西太原030003; 2.钢铁研究总院冶金工艺研究所,北京100081) 摘 要:对氮在不锈钢熔体中溶解的热力学和动力学行为进行了理论分析,指出氮在不锈钢熔体中溶解度随钢水温度降低和铬、锰、钼含量增加而升高,而随着镍和碳含量的增加而降低;对AOD 炉冶炼不锈钢吹氮合金化工艺控制模型进行了理论研究和实际应用,指出在AOD 炉中氮含量随着钢水碳含量、温度、供氧强度、吹氩强度的变化而变化,该工艺适合冶炼钢种的氮含量小于该钢种在常压下理论氮溶解度的90%,为保证氮成分精度,以小于80%为宜。 关键词:Fe 2Cr 2Ni 2Mn 2Mo 熔体;热力学;动力学 中图分类号:TF704.2 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2007)0720018204 Study of Controlling Nitrogen Content of N 2B earing Stainless Steel During AOD Process L I Xue 2feng 1,2, L I Zheng 2bang 2 (1.Quallity Department ,Taiyuan Iron and Steel (Group )Co.,Taiyuan 030003,Shanxi ,China ;2.Institute of Metallurgical Technology ,Center Iron and Steel Research Institute ,Beijing 100081,China )Abstract :The solution of nitrogen in molten stainless steel was studied thermodynamically and kinetically.The re 2sults showed that the solubility of nitrogen is increased with decreasing temperature and increasing Cr ,Mn ,Mo con 2tent.The theory and practice of nitrogen alloying model by blowing nitrogen into AOD were studied ,and it was in 2dicated that nitrogen content is changed with the changing of carbon content and temperature of molten ,oxygen and argon gas flowing rate.The process is suitable to produce N 2bearing stainless steel which nitrogen content value be 2low 90%and to assure the accuracy of nitrogen content control ,the nitrogen content should be below 80%of solu 2bility under normal pressure. K ey w ords :Fe 2Cr 2Ni 2Mn 2Mo molten ;thermodynamic ;kinetics 作者简介:李学锋(19632),男,硕士,教授级高级工程师; E 2m ail :lixf @https://www.doczj.com/doc/4717873198.html, ; 修订日期:2007204206 氮元素在不锈钢中可以扩大并稳定形成奥氏体组织,在镍当量计算中,氮当量是镍的30倍;氮作为固溶强化元素可以提高奥氏体不锈钢的强度,每增加0.01%的氮可以提高奥氏体不锈钢的室温强度6～10M Pa ,对350℃时的高温强度提高4～7M Pa ,且并不降低它们的塑韧性指标[1];氮还可以显 著改善奥氏体不锈钢和双相不锈钢的耐一般腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀的性能;在双相不锈钢中氮能够减轻铬、钼等元素在两相中的差异,维持足够的相平衡,改善钢的焊接性能。 含氮不锈钢的增氮工艺基本可以分为2类[2]:用富氮合金进行合金化;用氮气增氮。氮气增氮工艺可采用真空感应炉、氩氧炉、等离子炉等装备进行冶炼,需要根据炉容量的大小、钢中氮含量的要求以及氮成分允许的波动范围等具体情况进行合理选择。其中AOD 炉由于其侧吹气体流量调节范围大而且具有良好的动力学条件,气体类型切换自由,是 一种适合于在敞开气氛中进行中低氮含量不锈钢工 业化生产的工艺。 1 氮在Fe 2Cr 2Ni 2Mn 2Mo 熔体中的溶 解度 1.1 氮在铁液中的溶解度 氮气在纯铁液中的溶解反应为: 12 N 2(g )=[N ](1) 据西华特定理,得 lg w ([N ])=12 lg P N 2+lg K N -lg f N (2)式中,w ([N ])为钢水中氮的质量分数;P N 2为[N ]在体系中的平衡分压;f N 为钢液中[N ]的活度系数;K N 是式(1)的反应平衡常数。 lg K N =-188.1/T -1.246 (3)1.2 Fe 2Cr 2Ni 2Mn 2Mo 熔体中氮活度系数的计算 对于Fe 2Cr 2Ni 2Mn 2Mo 多组元合金,Wagner 定
2205+Q235B不锈钢复合板的焊接工艺规程 一、焊接工艺的选择 1、覆层焊接工艺的选择 双相不锈钢2205 具有良好的焊接性，但双相不锈钢2205 中具有较高的铁素体，当拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，存在焊接氢致裂纹的危险，因此，焊接材料选择与焊接过程中应严格控制氢的来源，选用钨极惰性气体保护焊的方法进行双相不锈钢2205 的焊接，其特点是焊接质量优良。为了平衡焊缝金属中的相比例，应选择比母材2205 具有更高奥氏体形成元素的填充材料，通常是增加焊丝中Ni 和N 的含量，因此，根据母材2205 的化学成分，确定选用ER2209 焊丝，直径2.0mm。双相不锈钢复板2205和焊丝ER2209化学成分见表1。 2、基层焊接工艺的选择 基层材料为Q235B,焊接方式及焊材可选用多种方式，如选用焊条 J422 或J427，埋弧焊焊丝 H08A 焊剂 HJ431，氩弧焊：焊丝H08Mn2Si，CO2保护焊H08Mn2Si。焊接基层焊道不得触及和熔化复材，先焊基材时，其焊道根部或表面，应距复合界面1-2mm。焊缝余高应符合有关标准的规定。 3、坡口形式及尺寸的选择 由于填充材料ER2209 具有更高的奥氏体形成元素含量，对优化焊缝金属中的奥氏体、铁素体的比例起着很大作用，因此应保证焊缝金属中的填充材料比例尽可能高，减少熔合比，并考虑到加工的便利及厚度较薄（2+6mm），建议采用采用V 型坡口，接头的坡口角度和间隙需较大些，无钝边，坡口形式及尺
寸见表2。坡口加工一般采用机械方法制成。若采用等离子切割、气割等方法开制坡口，则必须去除复材表面的氧化层，加工完的坡口要进行外观检查，不得有裂纹和分层，否则应进行修补。 二、焊接操作规范 （一）焊前准备 1、下料 1.1划线应在清洁的木板或光洁的平台上进行，加工过程中不能去除的复合钢板材料表面严禁用钢针划线或打冲印。 1.2下料时，应将不锈钢复合钢板原材料移至专用场地用等离子切割或机械切割方法下料。用等离子切割方法下料或开孔的板材，如割后尚需焊接，则要去除割口处的氧化物至显露金属光泽。当利用机械切割方法时，下料前应将机床清理干净，为防止板材表面划伤，压脚上应包橡胶等软质材料。严禁在不锈钢复合钢板材料垛上直接切割下料。切割或机械加工时复层朝上，基层朝下，从复层侧开始加工 1.3不锈钢复合钢板板卷圆时，应在卷板机的轧辊表面或在不锈钢复合钢板表面上覆盖无铁离子的材料
不锈钢复合板的预热温度和层间温度的差别 不锈钢复合板焊前预热和层间温度的控制对减少裂纹的形成有一定影响。预热温度过高,会导致不锈钢复合板焊缝的冷却速度变慢,有可能引起焊接接头晶粒边界碳化物的析出和形成铁素体组织,大大地降低接头的冲击韧性。预热温度过低,则起不到预热的作用,无法防止裂纹的形成。不锈钢复合板与碳钢焊接的预热温度和层间温度要控制在150～300℃。 不锈钢复合板的焊前准备，不锈钢复合板的切割以及坡口加工尽量采用机械加工方法,切割面应光滑,采用剪床切割时,复层应朝上。也可以采用等离子切割,切割时复层朝上,严禁将切割的熔渣落在复层上。 不锈钢复合板坡口加工及检查，坡口形式和尺寸按图纸设计规定,如设计未明确规定的,可参照图其他选用。坡口选用原则：确保焊接质量填充金属少,熔合比小,便于操作。坡口加工一般采用机械方法制成。若采用等离子切割,气割等方法开制坡口,则必须去除复材表面的氧化层。加工完的坡口要进行外观检查,不得有裂纹和分层,否则应进行修补。不锈钢复合板的焊前清理，坡口及其两侧各20mm范围内应用机械方法及有机溶剂进行表面清理,清除表面的油污,锈迹,金属屑,氧化膜及其他污物,复层距离坡口100mm范围内应涂防飞溅涂料。 不锈钢复合板装配应以复层为基准,其错边量不得大于复层厚度的二分之一,且不大于2mm,对于复层厚度不同时,按较小的复层厚度取错边量。定位焊应焊在基层母材上,且采用与焊接基层金属相同的焊接材料。 为防止不锈钢复合板焊接一侧晶体粗大,产生脆化和裂纹,还要采取以下工艺措施：①选用小的热输入,小的焊接电流,较快的焊接速度。②采用短弧焊,电弧稍偏向碳钢母材侧,使两母材金属受热均匀一致。③由于需要多层焊,前一层焊缝冷却至200～300℃后焊下一道焊缝。 ④焊后进行缓冷 各类不同不锈钢的介绍 不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。 铁素体不锈钢：含铬12%～30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。 属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。 奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的wC<0.08%，钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性