高氮鋼的制造工藝

1、高氮高氮鋼的制造工的制造工藝發(fā)表日期：2007年9月5日出處：冶金信息導(dǎo)刊作者：董廷亮李光強【編輯錄入：bbyy】摘要：摘要：目前，高氮鋼已經(jīng)被認(rèn)定為是發(fā)展高質(zhì)量冶金技術(shù)的主要方向之一。隨著人們對高氮鋼優(yōu)良性能的認(rèn)識，有關(guān)高氮鋼的研制和生產(chǎn)得到了不斷的進步和發(fā)展。簡要回顧了高氮鋼的國內(nèi)外研究歷程，詳細(xì)介紹了幾種公認(rèn)的可接受的高氮鋼的生產(chǎn)方法及其優(yōu)缺點；最后提出了高氮鋼的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：高氮鋼制造工藝氮合金化0前言前言通常情況下，

2、氮被認(rèn)為是鋼中的有害雜質(zhì)之一。雖然常壓下氮在液態(tài)鋼中的溶解度很低，但這些少量的氮卻能導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生時效脆化，于是開發(fā)了各種減少液態(tài)鋼中氮的二次精煉技術(shù)，并還在不斷地改進。然而，在高氮鋼中氮作為合金元素可以和鋼中的其他合金元素(如Mn、Cr、V、Nb、Ti等)交互作用，而賦予該鋼種許多優(yōu)異性能。例如，提高奧氏體的穩(wěn)定性，使鋼的力學(xué)性能大大提高，改善鋼的耐腐蝕性等等。Speidel[1]把鐵素體基體中含有008％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的氮或在奧氏體

3、基體中含04％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的氮的鋼稱為高氮鋼。雖然氮加入鋼中能有諸多有益之處，但由于氮在鋼中的極限固溶度極低，限制了其在常規(guī)冶煉工藝下的加入量，致使高氮鋼的研究在相當(dāng)程度上仍局限于實驗室規(guī)模。目前世界各國正致力于研究新的冶煉工藝并開發(fā)新的含氮廉價鋼種，以使高氮鋼的大工業(yè)生產(chǎn)成為可能。國家自然科學(xué)基金和寶鋼集團公司的鋼鐵研究聯(lián)合基金在2001年也把高氮不銹鋼列入了鼓勵研究開發(fā)的新型鋼鐵材料。1國內(nèi)外研究歷程國內(nèi)外研究歷程在1926年，

4、由于戰(zhàn)爭導(dǎo)致鎳的短缺，激發(fā)人們研究用氮取代部分鎳來穩(wěn)定奧氏體。氮作為合金元素的使用最早報道于1938年。由于煉鋼條件的限制，在大氣壓強下能加入的氮濃度非常低，因此作用不明顯，不足以引起冶金學(xué)家和材料科學(xué)家的重視。隨著加壓冶金技術(shù)的發(fā)展，氮作為強烈間隙原子元素，以廉價、易得等特點，再次引起人們的注意。在20世紀(jì)五六十年代，用氮作為鋼中合金元素的研究曾經(jīng)興起過一個高潮，以Mn、N代Ni制的奧氏體不銹鋼在當(dāng)時是最突出的一個代表性高氮鋼鋼種。2

5、0世紀(jì)80年代后，高氮鋼的熱潮再次涌現(xiàn)。從1988年開始，在法國、德國、烏克蘭、日本、芬蘭、瑞典、印度和比利時已經(jīng)連續(xù)召開了七屆高氮鋼國際會議。其問，也召開過其他高氮鋼國際會議，比如，2003年3月在瑞士召開了HNS2003，并出版了會議錄。第八屆國際高氮鋼會議(HNS2006)于2006年在中國四川的九寨溝召開?？梢姼叩撗芯康呐d隆。Volkov等對高氮鋼研究和應(yīng)用動向有一定的見地，顯然將高氮鋼研究的領(lǐng)域比前一次高潮大大擴展了，見圖1

6、。在開發(fā)新鋼種的同時，人們也認(rèn)識到高氮鋼的制備過程還必須解決存在的一些特殊問題。高氮鋼的研制在于兩方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計含氮鋼的成分；另一方面是通過何種制備手段來得到合乎成分要求的高氮鋼。由于氮在鋼中溶解度很小，因此高氮鋼生產(chǎn)中存在著安全等方面的問題，故使得大規(guī)模生產(chǎn)的增壓感應(yīng)爐未能獲得進一步發(fā)展。23增壓等離子爐中大量氮合金化20世紀(jì)60年代中期，在由Paton研究所(Kiev)和Batell研究所(Ohio)共同發(fā)表的文

7、章中敘述了用等離子重熔爐生產(chǎn)高氮合金鋼的情況。其原理也是通過氣相實現(xiàn)的，差別在于氮在等離子弧中分離成原子的形式供給液體金屬。液態(tài)金屬的吸氮量取決于氮氣的分壓、熔煉速率以及等離子弧的條件等。在等離子弧作用下，達到氮飽和濃度僅需3min，時間明顯比電阻爐、感應(yīng)爐所需的時間短，吸氮速率大，而且溶液中金屬雜質(zhì)含量低，能減少揮發(fā)性元素(如Mn和Cr)的損失，不用加入含氮合金就能得到較高的氮濃度。重熔鋼錠巾的平均氮含量約可達06％，相當(dāng)于Sieve

8、rt公式的平衡值。然而，等離子的條件很難控制，因而對氮含量也就難于精確控制，并且由于熔煉過程中熔池溫度的波動，無論從橫向或縱向上來看，鋼錠中氮的濃度極不均勻。24增壓電渣重熔爐中大量氮合金化20世紀(jì)70年代，西德KruppFschungsinstitu的研究工作者們利用增壓電渣重熔工藝冶煉高氮鋼。重熔裝置采用冷銅坩堝，可由壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)使其不受壓力作用而破壞。其原理與上述兩種方法相反。在增壓電渣重熔過程中通過氣相并沒有產(chǎn)生大量氮合金化，只

9、有在重熔過程中不斷加壓，才能向凝固部分和熔池持續(xù)添加氮。系統(tǒng)持續(xù)的壓力只保證將氮導(dǎo)入金屬液中，其大小取決于合金的成分和所要求的氮含量。加氮的方式有兩種，一種是在重熔過程中連續(xù)添加粒狀高氮合金，另一種是以鋼制空心管作外套，內(nèi)裝燒結(jié)的或鑄造的高氮合金芯組成的組合電極進行重熔。在重熔過程中持續(xù)地添加高氮顆粒時，不僅加氮，而且要加一定量的Cr和Mn。采用這種工藝已比較成功地冶煉了不少高氮不銹鋼。增壓電渣重熔存在許多不足，除生產(chǎn)成本高外還有：1)

10、為了獲得高氮含量，需采用復(fù)雜且昂貴的方法制造復(fù)合電極，同時根據(jù)熔化速率在高壓下添加高氮合金粉末；2)向渣中添加氮化物時會擾亂熔煉過程使重熔錠中氮的分布不均勻；3)有時為了得到成分均勻的產(chǎn)品，必須進行兩次重熔；4)成品合格率低；5)該工藝只能生產(chǎn)尺寸規(guī)格規(guī)定的一些錠子，不能生產(chǎn)任接近最終形狀的鑄件、棒料和板坯。25反壓鑄造法大量氮合金化在常規(guī)冶煉條件下，當(dāng)鋼液中含氮量較高時，氮在凝固過程中形成氣體并逸出，使鋼錠內(nèi)外出現(xiàn)氣孔，嚴(yán)重使鋼鐵表面

11、會呈蜂窩狀。保加利亞的Rashev等經(jīng)過多年努力發(fā)明了高氮鋼反壓鑄造法，成功解決了前述難題。反壓鑄造設(shè)備裝置的要點在于控制加壓裝置中熔融金屬和氣相的氣體置換反應(yīng)，以保證準(zhǔn)確地控制鋼錠中有害氣體和有利氣體的含量。利用這種方法成功地冶煉了一系列超高氮不銹鋼、工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼和一些其他特殊性能的鋼，其含氮量可高達12％左右。結(jié)果表明，此法用于大規(guī)模生產(chǎn)高氮鋼是很有潛力的。它的獨到之處在于其合金化和凝固過程可以在時間和空間上都加以分開；反壓鑄造裝

12、置可用來熔化金屬也可用來接收已經(jīng)熔融好的金屬。值得注意的是，采用此法可以省去等離子弧重熔、電渣重熔、增壓電渣重熔等那樣一個完整的冶煉工序。此法的優(yōu)點還有氮在鋼錠縱向和橫截面上分布均勻；易加入低熔點易揮發(fā)金屬(Ca、Pb、Mg、Zn等)。但是此法未能發(fā)展成大生產(chǎn)，主要阻力使凝固時所需要的氣壓太大，使得它所能制造的鋼錠噸位有限。26VOD工藝大量氮合金化Holzgruber[3]考慮到高壓電渣重熔的缺點提出了用V0D爐大規(guī)模生產(chǎn)高氮鋼的方法