奧氏體不銹鋼由于在生產和應用方面具有突出的優(yōu)越性,產量和使用范圍日益擴大,很快占據(jù)不銹鋼的主導地位。針對不同的需求,奧氏體不銹鋼經過不斷的發(fā)展和改進,牌號越來越多,逐步形成當前較為完整的奧氏體不銹鋼品種系列(見圖2-1-1)。目前,在世界范圍內和各主要不銹鋼生產國中,奧氏體不銹鋼產量約占不銹鋼總產量的70%。


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  最早的奧氏體不銹鋼于1912年在德國發(fā)明,1914年定名為V2A的第一個奧氏體不銹鋼在制堿和合成氨生產中獲得工業(yè)應用。其主要成分為20%鉻、7%鎳,但碳含量較高,約為0.25%。其后隨著生產工藝的改進,逐漸演變成為人們所熟知的18-8型不銹鋼,即0Cr18Ni9(304不銹鋼)。受冶煉水平的限制,早期的18-8型不銹鋼中含有較高的碳,很容易與鉻形成碳化物,對耐蝕至關重要的鉻元素受到損失,降低了耐蝕性能。為了避免這種情況發(fā)生,人們開發(fā)了鈦、鈮穩(wěn)定化的奧氏體不銹鋼,其中以1Cr18Ni9Ti(321)不銹鋼最有名。其原理很簡單,就是利用穩(wěn)定化處理,使鈦、鈮優(yōu)先與碳結合,避免了碳與鉻結合。321不銹鋼因其優(yōu)良的力學性能和耐蝕性能,曾廣泛應用于飛機制造等領域。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的出現(xiàn)對于解決敏化態(tài)晶間腐蝕起到了非常重要的作用,但這類鋼也有不足之處,如在進行焊接時,往往會出現(xiàn)一種類似刀狀的腐蝕;鋼中含有鈦、鈮貴金屬,經濟性不太好;鈦容易在鋼中形成TiN夾雜,易發(fā)生表面質量問題等。



  我國從1952年開始采用蘇聯(lián)標準生產321不銹鋼,其成為我國最早研制的不銹鋼品種之一。由于受到冶金裝備的制約和蘇聯(lián)材料體系的影響,直至20世紀90年代,1Cr18Ni9Ti不銹鋼在我國都長期占據(jù)統(tǒng)治地位,約占我國當時不銹鋼總產量70%~75%。



  隨著20世紀60年代AOD、VOD等爐外精煉技術的出現(xiàn),可將鋼中的碳控制在0.03%以內,從而發(fā)展了超低碳奧氏體不銹鋼,代表牌號為00Cr19Ni10(304L)。和304比較,此鋼的碳含量進一步降低,同時為保證完全奧氏體組織,鋼中鉻、鎳含量略有提高。此鋼最大的特點是耐腐蝕性能好,特別是耐晶間腐蝕性能顯著提高。



  我國也較早開始研制這類低碳、超低碳奧氏體不銹鋼鋼種,但限于當時我國的冶金工藝裝備條件只能使用電爐冶煉,對原材料要求高,產品價格貴,生產過程中將碳量降低到所要求的水平相當困難,低碳不銹鋼的推廣應用與當時的歐美先進水平存在差距。“六五”期間我國重點解決了不銹鋼的二次精煉裝備和工藝,先后在鋼廠建成多座AOD和VOD的精煉設備,實現(xiàn)了將碳含量降至0.03%以下且可以使用廉價的原材料?!捌呶濉逼陂g,我國重點解決了低碳、超低碳奧氏體不銹鋼性能水平達到國際水平的軟件技術開發(fā)。針對化工、輕工、紡織等行業(yè),集中開發(fā)了00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2等牌號。20世紀90年代以后,我國304L不銹鋼316L不銹鋼等低碳、超低碳奧氏體不銹鋼品種迎來了蓬勃發(fā)展,逐漸成為我國不銹鋼中的最主要鋼種。



  304L不銹鋼通過降低碳含量,在顯著提升耐晶間腐蝕性能的同時,卻帶來鋼的固溶強度偏低的劣勢。



  在對強度、耐蝕綜合性能有高要求的應用場合,氮合金化的奧氏體不銹鋼逐漸引起了人們的重視。早在20世紀40年代,由于當時不銹鋼中貴重元素鎳資源的奇缺,促使了人們對鉻鎳錳氮和鉻錳氮奧氏體不銹鋼的廣泛研究,使得Cr-Mn-Ni-N不銹鋼系列即美國200系奧氏體不銹鋼誕生。鋼中的氮主要是靠錳提高其溶解度,含量在0.10%~0.25%范圍內。但是受限于冶煉技術,一方面碳含量仍然很難降低到0.06%以下,另一方面氮的加入和固溶缺乏有效手段,200系奧氏體不銹鋼在綜合性能上并沒有300系優(yōu)良,因而只在一些低端的場合得到了應用,并且逐漸淡出了研究者們的視線。到了20世紀70年代,隨著AOD等爐外精煉技術的發(fā)展,特別是加壓冶金技術的出現(xiàn),更高氮含量的奧氏體不銹鋼得以研制成功,氮在奧氏體不銹鋼中的含量越來越高,給奧氏體不銹鋼帶來了性能上的許多有益的變化。具體表現(xiàn)在:(1)氮是強效的奧氏體形成元素,1千克的氮相當于6~22千克鎳的作用,在鎳當量公式中,氮的系數(shù)為18~30,表明其奧氏體形成能力非常強。(2)氮在顯著提高不銹鋼強度的同時,并不降低材料的塑韌性,在奧氏體不銹鋼中,每加入0.10%的氮,其強度提高約60~100兆帕,前提條件是氮必須固溶存在。此外,氮也能提高不銹鋼的抗蠕變、疲勞、磨損以及低溫性能。(3)氮有效地促進了奧氏體不銹鋼耐點蝕、縫隙腐蝕的能力,其作用是鉻的16~30倍,鉬的5倍。同時,適量的氮含量也有利于提高奧氏體不銹鋼的耐晶間腐蝕的能力。因而在20世紀末至21世紀初,掀起了高氮不銹鋼研究的熱潮,研發(fā)了大量高氮奧氏體不銹鋼材料,并廣泛應用于油氣開采、礦山機械、低溫超導等領域。



  由于大量的高氮不銹鋼均需要配合加壓冶煉,很難滿足低成本的要求,從而在21世紀初氮合金化奧氏體不銹鋼的研發(fā)演變成兩個方向:(1)以追求高性能為主要目的,或者是高強高韌的不銹鋼,或者是耐蝕性和力學性能兼顧的超級奧氏體不銹鋼。主要利用氮對不銹鋼力學性能和耐蝕性能的貢獻,通過特殊的冶煉工藝和恰當?shù)暮辖鹪O計,將氮極大地固溶于鋼中,從而研制出力學性能和耐蝕性能均非常優(yōu)異的特殊用途不銹鋼。此方面工作以德國、保加利亞、瑞士和日本為代表,材料主要用于特殊領域,如超導、國防軍工等。日本國立材料研究院(NIMS)于2000年后開展的面向海洋開發(fā)的高氮高鉬奧氏體不銹鋼系列研究工作,氮含量達1%左右。(2)以節(jié)約資源、降低成本為主要目的的經濟型不銹鋼。此類鋼利用氮對鋼組織的影響,部分或全部替代貴重金屬鎳,使得鋼在較低的原料成本下仍保持奧氏體組織,從而在性能上兼顧奧氏體鋼的特點和氮對鋼性能的作用,進一步擴大了不銹鋼的使用。如美國在20世紀60年代后逐步開發(fā)的Nitronic合金系列,奧地利伯樂(Bohler)公司生產的無磁鉆鋌系列鋼等。針對中國市場對低成本不銹鋼的需求,美國開發(fā)了204Cu不銹鋼,蒂森克虜伯(Thyssenkrupp)公司開發(fā)了Nirostal.4640不銹鋼,山特維克(Sandvik)公司開發(fā)了Loniflex 不銹鋼。



  我國在20世紀90年代開始比較系統(tǒng)地開展氮在不銹鋼中應用的研究工作,主要為國防軍工等特殊性能要求的不銹鋼進行的研究。2000年后,由于國際上對高氮不銹鋼的開發(fā)熱潮及對氮的有益作用的深刻認識,國內不銹鋼行業(yè)開始重視氮在不銹鋼中的應用,并廣泛在304、316奧氏體不銹鋼中加入適當?shù)蕴岣吡W性能和耐蝕性能。2004年新修訂的不銹鋼牌號標準中,增加了304N、304LN、316NG不銹鋼、316LN不銹鋼等含氮奧氏體不銹鋼。但是當時對氮在不銹鋼中的存在形式和作用的認識還比較模糊。盡管鋼鐵研究總院、上海材料研究所等單位很早就關注氮合金化不銹鋼的學術動態(tài),但是真正掀起全國范圍的氮合金化不銹鋼研究熱潮是在2006年于四川九寨溝召開的高氮鋼國際會議。鋼鐵研究總院在國家“973計劃”基礎研究的支持下,系統(tǒng)研究了1Cr22Mn16N奧氏體不銹鋼的析出相、韌脆轉變、熱加工和焊接等性能,2009年在國際上率先采用電爐+AOD+連鑄大工業(yè)流程于常壓下工業(yè)化生產出氮含量超過0.6%的高氮奧氏體不銹鋼。在“十二五”和“十三五”期間,進一步依托國家科技支撐計劃,研制出工業(yè)化產品的高氮無磁護環(huán)和無磁鉆鋌材料。與此同時,中科院金屬所研究開發(fā)了醫(yī)用無鎳BIOSSN4不銹鋼,并用于醫(yī)療器械的制造。北京科技大學、太鋼、太原科技大學等單位對Mn18Cr18N護環(huán)用鋼進行了熱加工等方面的研究。在冶煉工藝方面,鋼鐵研究總院、北京科技大學采用粉末冶金工藝進行了高氮奧氏體不銹鋼的研究。東北大學采用氮氣保護電渣重熔和加壓電渣重熔工藝進行了約1%氮含量的高氮奧氏體不銹鋼的研究。目前,越來越多的氮合金化不銹鋼開始工業(yè)生產,據(jù)不完全統(tǒng)計,全國每年生產的氮合金化不銹鋼多達1000萬噸以上,占不銹鋼消費量的30%以上。




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