氮對(duì)不銹鋼的作用有哪些

  在最初的冶金研究中，氮一直被認(rèn)為是鋼中的有害氣體，它的存在會(huì)導(dǎo)致鋼變脆，并且由于當(dāng)時(shí)的冶煉水平和技術(shù)條件較為落后，在常壓下向鋼中加入的氮含量不是很高，所以不進(jìn)行氮合金化。直到二十世紀(jì)初，最早研究得出了氮的存在對(duì)不銹鋼的力學(xué)性能以及穩(wěn)定奧氏體的能力有著積極的影響。在這之后，對(duì)氮元素可以提升不銹鋼的耐腐蝕性能進(jìn)行了有效的論證。從二十世紀(jì)三十年代到四十年代后期，鎳資源由于二戰(zhàn)的原因極度缺乏，促使了大批的專家學(xué)者投身到以氮代鎳的研究浪潮之中，此時(shí)，氮在鋼中的作用才真正被重視起來(lái)。德國(guó)率先研發(fā)出了以錳、氮代鎳的不銹鋼，也就是俗稱的200系列不銹鋼。五十年代，隨著冶煉工藝的進(jìn)步，AOD工藝的成熟大大的提高了應(yīng)用氮元素完成不銹鋼合金化的可能性，隨之含氮鋼開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)階段。在這個(gè)階段，極大的豐富了氮對(duì)鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能方面的研究，為以后含氮鋼乃至高氮鋼的飛速發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。二十世紀(jì)八十年代到九十年代，隨著加壓冶煉設(shè)備發(fā)展，高氮鋼的研究開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，先后開(kāi)發(fā)出了一大批高含氮量的鋼種，這些鋼種的顯著特征是具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的加工硬化性能以及優(yōu)異的耐腐蝕性能。到目前為止，已經(jīng)擁有數(shù)十種兩大系列（AISI200系列以及AISI200系列）的高氮鋼被研發(fā)出來(lái)。

一、氮對(duì)不銹鋼力學(xué)性能的影響

  廣泛的研究證明，在鋼中添加氮可以起到強(qiáng)化作用，氮含量達(dá)到0.8%，鋼的強(qiáng)度顯著提高，但是斷裂韌性卻沒(méi)有降低，在退火后，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比傳統(tǒng)鋼種提升了2~3倍。研究結(jié)果表明，鋼中的氮含量提高到2%以上時(shí)，鋼材的強(qiáng)度比傳統(tǒng)的未添加氮元素的奧氏體不銹鋼提高了400%。氮在鋼中的存在主要由以下兩種形式：一是以溶解態(tài)的形式存在，二是以氮化合物的形式存在。氮可以增加奧氏體不銹鋼強(qiáng)度的原因與以上兩種形態(tài)有著必然的關(guān)聯(lián)，溶解態(tài)的氮起到固溶強(qiáng)化的作用；而氮化物形態(tài)的氮?jiǎng)t起到了沉淀析出強(qiáng)化的作用。

 碳和氮在鋼中的是以間隙原子的形態(tài)存在的，在鐵的面心立方體中形成間隙固溶體，雖然氮的原子半徑要比碳小，但是氮在鐵的面心立方體中可以產(chǎn)生更大的晶格膨脹扭曲，對(duì)奧氏體不銹鋼受外力時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙的效果。使鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度得到了提升，伸長(zhǎng)率略有下降，此時(shí)，氮元素起到了間隙固溶強(qiáng)化的作用。

二、氮對(duì)不銹鋼耐蝕性能的影響

  氮的加入在提高奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)鋼材的耐蝕性能也有較大的提升，其中耐局部腐蝕性能尤為突出。奧氏體不銹鋼較為常見(jiàn)的腐蝕現(xiàn)象有以下幾種：點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕以及晶間腐蝕。

  氮對(duì)于改善奧氏體不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性所起到的作用是顯而易見(jiàn)的，郎宇平教授在超級(jí)高氮奧氏體不銹鋼的研究中指出，在耐點(diǎn)蝕性能方面超級(jí)高氮奧氏體不銹鋼幾乎可以與鎳基合金相媲美。為了說(shuō)明氮在點(diǎn)腐蝕過(guò)程中的作用機(jī)理，人們提出了很多假設(shè)，但是目前尚存爭(zhēng)議，主要有以下幾個(gè)方面的論證：

   1. 氨形成理論

    Osazawa和Okato最早提出，不銹鋼中的氮與氫結(jié)合生成銨離子，氫離子的消耗會(huì)使初始形成的點(diǎn)蝕坑內(nèi)的PH值升高，從而促進(jìn)再鈍化反應(yīng)的發(fā)生，增強(qiáng)耐點(diǎn)蝕性能；

  2. 表面富集理論

   部分研究結(jié)果認(rèn)為，在鈍化期間，氮在鈍化膜表面下富集，可以有效的降低鈍化膜破裂后基底層的溶解速度，或者是氮滲入鈍化膜之后改善鈍化膜的性能，阻止氯離子對(duì)鋼的腐蝕；

  3. 硝酸鹽形成理論

  氮在溶解過(guò)程中，在金屬薄膜界面形成銨根離子，然后銨根離子形成硝酸鹽化合物，促進(jìn)點(diǎn)蝕坑表面再次形成鈍化膜，并且通過(guò)穩(wěn)定鈍化膜強(qiáng)化點(diǎn)蝕坑表面。

  在奧氏體不銹鋼的縫隙腐蝕過(guò)程中，氮的加入也會(huì)產(chǎn)生積極的影響：在縫隙產(chǎn)生的地方，氮要比氧分解的更為迅速；氮形成了銨離子，使縫隙內(nèi)溶液的PH值升高；在發(fā)生縫隙腐蝕的地方生成穩(wěn)定的鈍化膜。

  在奧氏體不銹鋼中，由于一些溶質(zhì)元素在晶界的偏析，也使得奧氏體不銹鋼易發(fā)生敏化從而導(dǎo)致晶間腐蝕。關(guān)于晶間腐蝕的機(jī)理，目前被廣為接受的是晶界貧鉻理論。氮元素的加入可以一定程度上增強(qiáng)奧氏體不銹鋼的抗敏化能力，盡管其動(dòng)力學(xué)機(jī)理尚未明確，但是大量的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)窟_(dá)到0.15%左右時(shí)，敏化被抑制。

  在敏化過(guò)程中，氮元素的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

     1. 氮元素可以抑制碳化物的形核生長(zhǎng)；

     2. 氮提高了表面鈍化膜的鈍化性能；

    3. 氮改變了碳鉻化合物平衡中鉻的活性。