含氮不銹鋼管是指加入一定量氮元素的不銹鋼管,因其明顯提高不銹鋼管的強(qiáng)度及耐蝕性,在有些場(chǎng)合可起到減少甚至代鎳的作用。當(dāng)今含氮不銹鋼管受到關(guān)注,成為了冶金和材料研究領(lǐng)域一項(xiàng)前沿技術(shù),現(xiàn)已大量用于化工、食品、航空航天、海洋平臺(tái)、醫(yī)療器械和醫(yī)用植入材料等領(lǐng)域。目前含氮不銹鋼管可大致分為低氮型(N<0.4%)和高氮型(N>0.4%)兩大類。一氮在鋼中的作用總體來說:氮在不銹鋼管中提高屈服強(qiáng)度的主要途徑有固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化及氮化物彌散強(qiáng)化;在提高強(qiáng)度的同時(shí),并不降低塑韌性;此外,還提高蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗磨損能力;另外,還能提高抗腐蝕性。
1)固溶氮對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響
氮與碳相似,是形成間隙相的主要元素,在奧氏體不銹鋼管中,氮大部分固溶在奧氏體中,在鐵素體中很少;在鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼管中,氮在兩相的分配因數(shù)為0.23~0.25。氮是擴(kuò)大奧氏體區(qū)和具有穩(wěn)定奧氏體的作用,相當(dāng)于鎳的25倍左右(Nieq=Ni%+0.5Mn%+30C%+25N%)(不同文獻(xiàn)有不同的報(bào)道,從13.4至30倍)。在常規(guī)的188奧氏體不銹鋼管中,會(huì)有少量的鐵素體存
在,隨著碳量的提高,鐵素體量將增加;而加入氮以后,隨氮量的增加,可以減少鐵素體量的增加;另外,可彌補(bǔ)由于降低碳量而造成對(duì)組織帶來的不利影響,氮可使鐵素體的形態(tài)由網(wǎng)狀、長條狀向短棒狀、孤島狀轉(zhuǎn)變,從而減少網(wǎng)狀鐵素體對(duì)奧氏體不銹鋼管強(qiáng)度和塑性的不利影響。
2)金屬氮化物及其彌散現(xiàn)象
在奧氏體不銹鋼管中,存在彌散氮化物—Cr2N,氮延緩M23C6及金屬間化合物析出;在含Ti、Nb鋼中,會(huì)存在TiN、NbN、Cr3Nb3N、CrNbN等氮化物;在含Mo雙相鋼中,有很大比例氮以MoN、Mo2N2Cr的氮化物形式存在于奧氏體基體中;在馬氏體不銹鋼管中,氮是馬氏體中主要的間隙元素,對(duì)馬氏體相變和性能起決定性作用。氮在馬氏體不銹鋼管中,與其他元素形成氮化物分布于晶界上,能防止晶粒長大,提高硬化能力。
2氮在不銹鋼管中的有益作用
(1)氮是奧氏體形成元素,在一些鋼中作為有益元素加入,能顯著提高力學(xué)性能和耐蝕性。
(2)氮作為合金化元素,在各類不銹鋼管和耐熱鋼,可以取代并節(jié)省Ni。
(3)氮是固溶元素,以間隙原子形式產(chǎn)生固溶強(qiáng)化,顯著提高鋼的強(qiáng)度,每0.001%N可增加6MPa強(qiáng)度,并基本上與工藝條件無關(guān)。這種作用要超過其他間隙元素。如固溶態(tài)下,一般奧氏體不銹鋼管的Rp0.2約200MPa,含0.5%N的不銹鋼管Rp0.2達(dá)500MPa,0.9%N的Rp0.2達(dá)800MPa。而同時(shí)韌性不明顯降低。
(4)鐵基體與氮化物的界面能小于鐵基體與碳化物的界面能。因此氮化物更易形成彌散細(xì)小的強(qiáng)化相。鋼的含氮量及溫度對(duì)晶粒大小有影響,隨氮量的增加,晶粒細(xì)化作用將更大,低溫下更有效,高溫下氮的這種作用變小,甚至消失??傊?,氮在不銹鋼管中主要通過固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化及氮化物彌散強(qiáng)化途徑來提高、改善鋼的性能。
(5)再者,氮的加入可改善奧氏體不銹鋼管的耐一般腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕能力。氮合金化能促進(jìn)奧氏體不銹鋼管表面富氮鈍化膜的形成,并抑制碳化物的析出,從而可降低晶界腐蝕的敏感性;Cr2N的析出所造成的晶間腐蝕也不如Cr23C6析出所造成的晶間腐蝕顯著。
(6)氮具有很強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕能力,約是Cr的30倍,與Mo元素一起相互作用可顯著提高抗點(diǎn)蝕性能,且抗點(diǎn)蝕性能隨氮含量的提高而顯著提高。如含氮0.3%~0.6%的高氮鋼X2CrNiMnMoNbN251854(UNSS34565)具優(yōu)異的耐腐蝕性能,在固溶態(tài)下特別能耐各種氧化性或還原性酸的腐蝕,即使這些酸受到鹵化物的污染影響也不多。
3氮在鋼中的有害作用
通常鋼中氮是在煉鋼過程中隨爐料進(jìn)入,或鋼水可從爐氣中吸入。如將含氮量較高的鋼從高溫急冷后,得到氮在αFe中過飽和固溶體(N在αFe中最大溶解度在591℃為0.1%,隨溫度的下降,溶解度急劇下降,而在室溫下<0.001%),在室溫下長期放置或稍高溫度加熱時(shí),氮會(huì)逐漸以氮化鐵形式從αFe中析出,使鋼變脆(強(qiáng)度硬度升高、塑韌性下降),俗稱時(shí)效。另外,氮還會(huì)與鋼中的Ti、Al等元素形成脆性夾雜物,聚集在晶界上,影響疲勞性能。早期普遍認(rèn)為加入少量的氮對(duì)鋼的有利作用不明顯,相反對(duì)沖擊韌度、塑性存在不利影響,這些也阻礙了人們對(duì)氮應(yīng)用的重視。