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氮對不銹鋼性能的影響

關鍵詞:不銹鋼來源:發布時間:2014-10-09

  氮在不銹鋼中的普遍大量應用是近十多年來不銹鋼材料領域的最重大的進展。除鐵素體不銹鋼外,近十多年來幾乎所有類型的不銹鋼,特別是奧氏體和雙相不銹鋼均普遍用氮進行合金化,從而使奧氏體和α+γ雙相不銹鋼進入了現代不銹鋼時代,不銹鋼有控氮( [N]≤0.10% 或 [N]<0.12%)、中氮( [N]≤0.40% 或 [W]<0.50%)和高氮[N]>0.4% 或 [N]≥0.50%)不銹鋼,超級奧氏體不銹鋼以及含低氮的超級馬氏體不銹鋼。氮在雙相不銹鋼中,雖不能防止σ相的析出,但可抑制的σ相的形成。雙相不銹鋼正式由于加入了氮才出現了第二代和第三代雙相不銹鋼(超級雙相不銹鋼和經濟性雙相不銹鋼),使雙相不銹鋼形成了系列,并成為了與馬氏體、鐵素體、奧氏體等三大類不銹鋼并列的鋼類,由于氮在鐵素體不銹鋼中溶解度極低,而在奧氏體中溶解度很高,因此氮在雙相不銹鋼中的有益作用主要是體現在改善奧氏體組織的性能。

  氮在雙相不銹鋼中可延緩奧氏體相(γ)的高溫熔接并可促進焊后熱影響區二次奧氏體(γ2)的析出,從而有利于雙相不銹鋼的生產、加工和焊接。氮是在不銹鋼中應用的唯一一種氣態合金元素,它取之容易且量無限,價格低廉,生產中加入方便,有益作用顯著,但副作用少,是現代不銹鋼鐘非常有發展前途的重要合金元素。

  氮通過固溶強化等顯著提高奧氏體和雙相不銹鋼的室溫和高溫強度(圖1)。在鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入0.1%N,可使鋼的強度提高60-100MPa,但當氮量適宜時,并不顯著降低鋼的塑、韌性。氮的大量加入可使高氮奧氏體不銹鋼獲得非常高的強度,但鋼的斷裂韌性并不降低。

  圖1.氮對00Cr17Ni14Mo2不銹鋼強度的影響

  氮不僅顯著提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐氧化性酸、還原性酸介質的全面腐蝕性能,而且還提高它們的耐晶間腐蝕、耐蝕點、耐縫隙等局部腐蝕性能,一些實驗結果見圖2~圖4.研究表明,氮在不銹鋼中提高鋼的耐蝕點、耐縫隙腐蝕的能力為鋼中鉻量的16-30倍。

  圖2.氮對鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼腐蝕性能的影響

  圖3.氮對00CrNi6Mo3鋼點蝕速度的影響

  圖4.氮對00Cr25Ni21~30Mo4不銹鋼鋼縫隙腐蝕的影響

  需要強調氮在不銹鋼中對耐蝕性所起的有益作用,鋼中含有足夠量的鉻、鉬元素是必要條件。一般認為,氮可促進鈍化膜中鉻的富集,提高鋼的鈍化能力;氮可形成NH3和NH4+使微區溶液的PH值提高;富鉻的氮化物在金屬與鈍化膜的界面處形成,進一步強化了鈍化膜的的穩定性。研究表明,在雙相不銹鋼中氮還可與鉬結合形成Ni2Mo2N,使鈍化膜更加穩定,從而使鋼的耐蝕性提高,圖5系氮提高奧氏體不銹鋼耐蝕性,對鈍化膜影響的示意圖。

  圖5.含氮奧氏體不銹鋼鈍化膜結構示意圖

  當鋼中氮含量超過某一定量將對不銹鋼的性能產生某些不良影響,例如對奧氏體不銹鋼而言,氮量超過0.12%~0.15%時,鋼的冷、熱加工性和冷成型性能醬油所下降,后者可與氮可降低鋼的層錯能,從而提高奧氏體不銹鋼的加工硬化率,使之與易加工硬化有關。高氮含量時,不僅顯著降低鋼的熱塑性,對熱加工不利,而且由于前述Cr2N沿晶界析出,會提高鋼的晶間腐蝕敏感性。氮在鐵素體不銹鋼中是一種有害元素(后面還將述及)。(轉自不銹鋼概論)