（钢铁冶金专业论文）高氮钢凝固过程中氮的偏析和析出行为研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1i l l l1 1 1 1 1 1 1ill iiii y 17 16 9 9 5 s e g r e g a t i o na n d l i b e r a t i o nb e h a v i o ro f n i t r o g e ni nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fh i g h n i t r o g e ns t e e l s b yl iw a n m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r ：j i a n gz h o u h u a l e c t u r e r ：l ih u a b i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 东北大学硕士学位论文独创性声明和使用授权书 独创性2 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：e 思0 学位论文作者签名：痞万嘲 。 日 期： 枷7 7 一 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 高氮钢凝固过程中氮的偏析和析出行为研究 摘要 高氮钢是近年来随着冶金科技的进步而出现的一种新型工程材料。高氮钢具有优异 的力学性能、良好的耐腐蚀性能，因而受到国内外的广泛重视。对于高氮不锈钢的熔炼 工艺而言，除了保证氮进入不锈钢熔体外，还必须保证氮在其凝固过程中固溶在合金体 系中，避免偏析和形成气孔。氮含量较高的不锈钢在凝固过程中容易发生氮的偏析和析 出，导致产品出现气孔而报废，已经成为影响高氮钢产业化进程的严重制约因素，因而 对于高氮钢凝固过程中偏析和析出行为的理论研究具有十分重要的现实意义。 东北大学电冶金实验室在真空感应炉内冶炼的高氮钢的n 含量已经能够达到1 0 以 上，但是冶炼出的钢锭往往偏析和析出现象严重，有较多的气孔产牛，需要经过电渣重 熔工艺才能得到合格的钢锭，这样大大提高了成本，而且生产周期变长，不利于高氮钢 的产业化，为此电冶金实验室开发了加压感应炉和加压电渣炉等加压冶金设备来生产高 氮钢，但牛产工艺还处于摸索阶段，需要完备成熟的理论体系进行支撑。 本课题利用p r oe n g i n e e r 软件和p r o c a s t 软件作为工具，分别对2 0 千克小钢锭和 1 7 吨大钢锭进行了浇注过程和凝固过程的模拟，得到了流场、温度场、压力场等的动 态变化过程。凝固数值模拟技术利用计算机技术能够可视化的显示铸造全过程，对凝固 缺陷，凝固时间，缺陷位置等进行估测，能够利用计算机进行预牛产，避免工艺设计的 盲目性，缩短新工艺的设计周期和设计成本，提高新产品开发效率。结合p r o c a s t 数 值模拟结果，分析了浇注温度、凝固压强、凝固速度因素对凝固过程的影响。 通过分析凝固过程中偏析的原因和液态金属对流产生的原因，讨论了合金成分、氮 含量、氮分压以及凝固条件等因素对氮偏析的影响规律。根据枝晶间液态金属流动时的 质量守恒和溶质守恒，使用区域宏观偏析预测数学模型粤：一( 毒) ( 1 + v v t ，) g , 对加 d 乙，l 一 占 乙， 压感应炉冶炼的2 0 千克小钢锭和文献中报道的1 7 吨大钢锭宏观偏析程度进行了预测， 预测结果显示2 0 千克小钢锭几乎没有宏观偏析，1 7 吨大钢锭宏观偏析现象明显，这与 实验检测结果一致。 通过分析钢液吸氮，析氮的过程和影响因素，得到了气泡形成和长大的条件，并结 合氮在液相和固相中的溶解度公式，建立了高氮钢中氮析出的控制方程，通过m a t l a b 数值运算程序，计算得到高氮钢凝固过程中防止气泡析出所需的最小凝固压强。冶炼实 验表明在加压感应炉内冶炼高氮钢时，由于凝固压强高于最小凝固压强，冶炼出的钢锭 没有气泡析出；而在真空感应炉内冶炼高氮钢时，由于凝固压强低于最小凝固压强，x 射线探伤结果表明钢锭有大量气泡析出。 i i i 东北大学硕士学位论文 摘要 通过本课题的研究，使计算机模拟浇注和凝固过程中温度场、压力场、速度场的动 态变化过程成为可能，为分析偏析、气体析出等提供了基础；提出并验证了能够准确预 测钢锭宏观偏析的方法，为优化工艺提供了条件；提出并验证了冶炼高氮钢时的最小凝 固压强的计算方法，能够为设计冶炼和凝固工艺提供理论依据。 关键词：高氮钢；凝固：偏析；析出；p r o c a s t s e g r e g a t i o na n dl i b e r a t i o nb e h a v i o ro fn i t r o g e ni nt h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f h i g hn i t r o g e ns t e e l s a bs t r a c t h l g t ln i t r o g e ns t e e l sa r eb e c o m i n gan e wt y p eo fe n g i n e e r i n gm a t e r i a lw i t ht h ep r o g r e s so f m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s h i g hn i t r o g e ns t e e l sh a v eb e e n e x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e dl a t e l yd u et ot h e i re x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a sf o r t h es m e l t i n g p r o c e s so fh i g hn i t r o g e ns t e e l s ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt om a k es u r en i t r o g e n e n t e r i n gt h em e l ta n dd i s s o l v i n gi nt h ea l l o ys y s t e mf o ra v o i d i n gs e g r e g a t i o na n dl i b e r a t i o n s e g r e g a t i o na n dl i b e r a t i o no c c u re a s i l yi nt h es t a i n l e s ss t e e l sw i t hh i g hn i t r o g e nc o n t e n t w h i c hr e s u l t si nt h ef o r m a t i o no fp o r e sa n dt h e d i s c a r d i n go ft h ep r o d u c t i th a sb e c o m eaf a t a l r e s t r i c t i n gf a c t o ri nt h ei n d u s t r i a lp r o g r e s so fh i g h i n v e s t i g a t et h es e g r e g a t i o na n dl i b e r a t i o nt h e o r y n i t r o g e ns t a i n l e s ss t e e l s n i t r o g e ns t e e l s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o d u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fh i g h t h eh i g h n i t r o g e ns t e e l sw i t hh i g hn i t r o g e nc o n t e n ta b o v e1 0 p e r c e n th a v eb e e l l m a n u f a c t u r e du s i n gv a c u u mi n d u c t i o nf u r n a c ei ne l e c t r o m e t a l l u r g yl a b o r a t o r yo f n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y i ti sn e c e s s a r yt h a tt h ei n g o t sm u s tb er e m e l t e df o l l o w e db ya ne l e c t r o l s l a g r e m e l t i n gf u r n a c et oe l i m i n a t i n gt h es e r i o u ss e g r e g a t i o na n dt o om a n yp o r e s ，w h i c hi n c r e a s e s t h ep r o d u c t i o nc o s ta n dc y c l ea n dr e j e c t st h ei n d u s t r i a lp r o g r e s so fh i g hn i t r o g e ns t e e l s t h e n t h ep r e s s u r e di n d u c t i o nf u r n a c ea n dp r e s s u r e d e l e c t r o l s l a gr e m e l t i n gf u r n a c eh a v e b e e n d e v e l o p e di ne l e c t r o m e t a l l u r g yl a b o r a t o r yt op r o d u c eh i g hn i t r o g e ns t e e l sw i t hn os e r i o u s s e g r e g a t i o na n dt o om a n yp o r e s b u tt h es u i t a b l ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p l e t ea n d s o p h i s t i c a t e dt h e o r ys y s t e mi ss t i l ln e e d e dt oe x p l o r e t h ep o u r i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o g r e s so f2 0 k gw e i g h ti n g o ta n d1 7 t o n sw e i g h ti n g o t s w e r es i m u l a t e du s i n gp r oe n g i n e e ra n dp r o c a s t s o f t w a r e t h ed y n a m i cv a r i a t i o no ff l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r e f i e l da n dp r e s s u r ef i e l do ft h e p r o c e s s c a nb eo b t a i n e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fs o l i d i f i c a t i o ns h o w st h ew h o l ep r o g r e s so fc a s t i n gv i s u a l l y , e s t i m a t e st h ef l a w , t h es o l i d i f i c a t i o nt i m e ，t h ep o s i t i o no ff l a wa n dp r e c e d e sp r e p r o d u c t i o nw i t ht h ec o m p u t e r t h em e t h o dc a na v o i db l i n dt e c h n o l o g i c a l d e s i g n ，s h o r t e nd e s i g nc y c l e ，c u td o w nt h ec o s ta n d i n c r e a s et h ee x p l o i te f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to ft h ep o u r i n g t e m p e r a t u r e ，s o l i d i f i c a t i o n p r e s s u r ea n df r e e z i n gr a t eo nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fp r o c a s t t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e a s o no fs e g r e g a t i o na n dt h ec o n v e c t i o no ft h el i q u i dm e t a l ，t h e i n f l u e n c er u l eo fs e g r e g a t i o nc a u s e db ya l l o yc o m p o s i t i o n ，n i t r o g e nc o n t e n t ，n i t r o g e np a r t i a l p r e s s u r ea n ds o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o nw a sd i s c u s s e di nt h e p a p e r b a s e do nt h em a s s c o n s e r v a t i o na n ds o l u t ec o n s e r v a t i o no f l i q u i df l o wi nt h ei n t e r d e n d r i t i c ，t h em a c r o s e g r e g a t i o n o f2 0 k gw e i g h ti n g o ts m e l t e db yp r e s s u r e di n d u c t i o nf u m a c ea n d 1 7t o n sw e i g h ti n g o t v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s m e l t e db yv a c u u mi n d u c t i o nf u r n a c ew e r ep r e d i c t e d t h ep r e d i c t e dr e s u l t ss h o w st h a tt h e 2 0 k gw e i g h ti n g o th a sn om a c r o s e g r e g a t i o na n dt h e1 7 t o n sw e i g h ti n g o th a so b v i o u s m a c r o s e g r e g a t i o n ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t hm e a s u r i n gr e s u l t s t h r o u g ha n a l y z i n ga b s o r b i n ga n dl i b e r a t i n gn i t r o g e n ，c o n d i t i o n so ft h ef o r m a t i o na n d g r o w t ho ft h en i t r o g e np o r ec a nb eo b t a i n e d b a s e do nt h es o l u b i l i t yf o r m u l ai nf l u i dp h a s e a n ds o l i dp h a s e ，g o v e r n i n ge q u a t i o n so ft h el i b e r a t i o no ft h en i t r o g e nw e r eb u i l ta n dt h el e a s t p r e s s u r en e e d e di nt h es o l i d i f i c a t i o nf o ra v o i d i n gt h ef o r m a t i o no fp o r ew a sc a l c u l a t e db y m a t l a bn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e t h es m e l t i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e r ea r en o n i t r o g e np o r e sw h e nt h es o l i d i f i c a t i o np r e s s u r ei nt h ep r e s s u r e di n d u c t i o nf u r n a c ei sh i g h e r t h a nt h el e a s tp r e s s u r e ，w h i l em a n yn i t r o g e np o r e so c c u r r e dw h e nt h es o l i d i f a c a t i o np r e s s u r e i nv a c u u mi n d u c t i o nf u m a c ei sl e s st h a nt h el e a s tp r e s s u r e b a s e do nt h i sr e s e a r c h ，d y n a m i cv a r i a t i o n sp r o c e s so ft e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l da n d v e l o c i t yf i e l dc a nb es i m u l a t e db yc o m p u t e r , w h i c hp r o v i d ee v i d e n c ef o rt h ea n a l y s i so f s e g r e g a t i o na n dl i b e r a t i o nb e h a v i o r t h em e t h o df o rp r e d i c t i n gt h em a c r o s e g r e g a t i o ni s p r o p o s e da n dv e r i f i e d ，w h i c hp r o v i d e sc o n d i t i o n sf o ro p t i m i z i n gt e c h n o l o g y t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fs m e l t i n gh i g hn i t r o g e ns t e e l si sp r o p o s e da n dv e r i f i e d ，w h i c hc a np r o v i d et h e o r y f o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n gt h es m e l t i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s k e y w o r d ：h i g hn i t r o g e ns t e e l s ；s o l i d i f i c a t i o n ；s e g r e g a t i o n ；l i b e r a t i o n ；p r o c a s t v i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 使用授权书i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 课题研究的目的、意义1 1 3 本课题研究的主要内容2 第2 章文献综述3 2 1 氮合金化不锈钢的发展历程3 2 2 高氮钢的制备方法5 2 2 1 热等静压熔炼( h i p ) 和加压感应炉熔炼5 2 2 2 反压铸造法6 2 2 3 加压电渣重熔熔炼( p e s r ) 7 2 3 高氮不锈钢的应用领域。7 2 4 偏析产生的原因8 2 5 偏析的种类及影响因素1 0 2 6 偏析的检测方法1 1 2 7 简单的预计宏观偏析的方法1 2 2 8 凝固数值模拟的的发展历程1 3 2 9 金属凝固传热传质和流动耦合模拟的研究进剧4 6 1 。1 5 2 1 0 气体在钢液中的析出行为1 7 2 1 1 小结1 8 第3 章钢锭宏观偏析模型建立及参数确定1 9 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 液态金属的对流19 3 2 枝晶间液态金属的流动2 0 3 3 凝固过程的研究方法2 3 3 4 凝固过程的控制方程2 4 3 5 边界条件和初始条件的设定原理2 5 3 6p r o c a s t 建模及数值模拟计算过程2 6 3 6 1 定义材料2 7 3 6 2 定义界面2 9 3 6 3 定义边界条件3 0 3 6 4 定义重力、初始条件和运行参数3 0 3 6 5 数据转化和求解器运算3 0 3 6 6 查看模拟结果3 0 3 7 模拟结果讨论与分析3 0 3 7 1 不同浇注温度对凝固过程的影响3 0 3 7 2 不同凝固压强对凝固过程的影响。3 1 3 7 3 不同凝固速度对凝固过程的影响3 2 3 8 小钢锭宏观偏析程度的判定3 4 3 9 小钢锭宏观偏析模拟结果的验证4 0 3 1 0 大钢锭宏观偏析程度的判定4 l 第4 章氮气孑l 析出机理及控制方程4 9 4 1 金属液吸收气体的过程4 9 4 1 1 吸附阶段。4 9 4 1 2 扩散阶段5 0 4 2 高氮钢中氮的溶解度5 0 4 3 气体的析出机理5 2 4 3 1 气体扩散析出5 2 4 - 3 2 气泡的形成与上浮5 2 4 4 析出性气孔的形成机理5 4 4 5 高氮钢中气孔析出的控制方程5 6 4 6 高氮钢气孔析出控制方程的验证5 7 v t 东北大学硕士学位论文 目录 第5 章结论6 1 参考文献6 3 致j 射6 7 作者简介6 9 攻读硕士期间发表论文7 1 论文包含图、表、公式及文献7 3 附录7 5 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 高氮钢是近年来随着冶金科技进步出现的一种新型工程材料。所谓“高氮钢”是指材 料中的实际氮含量超过了在常压下制备材料所能达到的极限值的钢。氮作为钢中的间 隙元素，通过与其它合金元素( m n 、c r 、m o 、v 、n b 和t i 等) 的协同作用，能改善 钢的多种性能，包括强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性、耐腐蚀性能等，因而高氮钢有着 广阔的开发前景。 东北大学电冶金实验室在真空感应炉内冶炼的高氮钢的n 含量已经能够达到1 0 以 上，但是冶炼出的钢锭往往偏析和析出现象严重，有较多的气孔产生，需要经过电渣重 熔工艺才能得到合格的钢锭，这样大大提高了成本，而且生产周期变长，不利于高氮钢 的产业化。为了缩短生产流程，减少成本，电冶金实验室在国内率先通过开发加压电渣 炉和加压感应炉等加压冶金设备来牛产高氮钢，但生产工艺还处于摸索阶段，没有完备 成熟的理论体系进行支撑。目前，对于氮在液相和固相中的溶解度的研究已经取得一定 成果【2 1 ，而且常压下的吸氮和析氮动力学模型也已经建立，但高氮钢的凝固工艺理论还 亟待完善。 对于高氮不锈钢的熔炼工艺而言，除了保证氮进入不锈钢熔体外，还必须保证氮在 其凝固过程中固溶在合金体系中，避免偏析和形成气孔【3 】。已有的研究表明，提高体系 压力不仅可以提高氮在不锈钢体系不同相中的溶解度，而且可以有效抑制其凝固过程中 氮的偏析与析出【4 5 】。根据这一原理，国外己开发了一些利用氮气加压制备高氮不锈钢 的方法，如加压电渣重熔( p e s r ) 6 - 8 】，加压感应熔炼【9 1 0 】，加压等离子熔炼( p a r p ) 【1 1 12 1 ，加压弧渣重熔技术( p a s r ) 【1 3 ，1 4 1 等。利用上述方法虽然可生产出氮含量较高的 不锈钢，但由于凝固过程中易发牛氮的偏析和析出，而使产品出现气孔导致报废。因此， 研究高氮不锈钢加压凝固过程中氮的偏析和析出行为，找出影响因素及其影响规律，并 建立能准确预报高氮不锈钢加压凝固过程中氮偏析程度和析出的相关模型，从而确定不 同冶炼工艺条件下高氮不锈钢加压凝固的合理工艺参数，对于开发成分均匀、组织致密 的高质量高氮不锈钢具有非常重要的意义。 1 2 课题研究的目的、意义 本课题通过对高氮不锈钢加压凝固过程中氮的偏析和析出行为研究，揭示氮在高氮 不锈钢加压凝固条件下，氮偏析和氮气泡形核和长大机理；考察在加压感应炉熔炼条件 下，合金成分、氮含量、氮分压以及凝固条件对氮偏析和析出气泡的影响规律；综合考 虑氮在高氮不锈钢加压凝固过程中偏析和析出的影响因素，并结合实验研究结果，建立 - l - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能够准确预报高氮不锈钢加压凝固过程中氮偏析程度和析出气泡相关模型。 由于受冶炼设备和工艺技术的限制，国内高氮不锈钢的研究、开发及高氮不锈钢加 压熔炼的工业化进程受到很大的限制，其相关研究仍处于起步阶段，尤其是关于高氮不 锈钢加压熔炼冶炼学理论基础的相关研究亟待加强。因此，通过对氮在高氮不锈钢加压 凝固过程中偏析和析出行为的冶金学理论基础研究，不仪能揭示氮在高氮不锈钢加压凝 固过程中偏析和析出的机理，建立能够准确预报氮偏析和析出的相关模型，而且可以得 出不同加压工艺条件下高氮不锈钢凝固过程的合理工艺参数，为我国高氮不锈钢加压熔 炼的工业化生产提供理论依据，进而推动高氮不锈钢这类新型先进钢铁材料的工业化开 发、牛产及应用，同时促进加压冶金工艺的发展。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题使用有限元方法对高氮钢浇注和凝固过程进行模拟，得到凝固过程的温度 场、流场、压力场等结果，为计算偏析和析出提供数据基础。对高氮不锈钢加压凝固条 件下，氮偏析和氮气孔形核长大机理进行研究，分析高氮钢凝固过程中冷却条件、氮分 压、合金体系成分和液体流动因素对氮偏析的影响，并建立凝固过程宏观偏析数学模型。 深入研究钢液吸氮，析氮，气泡形成、上浮和长大的机理，并根据氮在不同相中氮的溶 解度，建立氮气孔析出的控制方程并通过冶炼实验进行验证。 - 2 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 氮合金化不锈钢的发展历程 不锈钢诞生己有近百年历史，它的发明是世界冶金史上的一项重大成就。随着石油、 化工、能源、宇航和生物工程等工业技术的发展，对不锈钢耐蚀性能及综合力学性能提 出了更高的要求。奥氏体不锈钢凭借其在多种腐蚀介质中具有的优秀的耐蚀性能、良好 的综合力学性能和优良的工艺性能在众多领域获得了广泛的应用。然而，镍合金化的奥 氏体不锈钢不仅成本昂贵，而且因人体器官对含镍的生物工程材料存在过敏性( n i 0 2 时) ，近年来由此引起的人体皮肤过敏症发病率不断提高。因此人们开始研究用氮取代 部分镍来稳定奥氏体，对用氮合金化的奥氏体不锈钢的开发和研究倍受人们的关注。受 最初冶炼技术和条件的限制，在大气压强下钢水中能加入的氮含量非常低，因此氮的作 用不明显。近年来随着加压冶金技术水平的不断提高，奥氏体不锈钢中氮的加入量也在 不断增加。一般认为，氮含量超过常规冶炼条件下钢中所能达到极限值的钢称为高氮钢， 奥氏体不锈钢中氮的加入量达到约o 4 被称为高氮奥氏体不锈钢。高氮奥氏体不锈钢 由于它优良的力学性能和耐腐蚀性能，越来越受到该领域研究学者的重视。 1 9 1 2 年a n d r e wjh 首次研究了氮加入钢中的作用，通过这项工作，首次在文献中 记载了氮对钢力学性能及奥氏体稳定性的重大影响【l 引。1 9 2 6 年a d e o e kjh 做了氮在铬 和铁铬合金中作用的相似研究【l6 | 。2 0 世纪3 0 年代及4 0 年代后期，世界大战期间由于 镍的短缺刺激了用氮代替镍以稳定奥氏体区的可能性研究。与此同时，u h l i ghh 首次 报道了氮对耐蚀性的有利影响【l 。有两个原因促使人们重新认识氮在这些合金中的意 义：一是合金元素比如镍元素的供给逐渐减少；二是为满足实现高强度面心立方体钢生 产的需要。 2 0 世纪5 0 年代，开始开发氮合金钢的潜在性能及工艺技术。当a o d 工艺使得氮 作为气体代替不同的合金成为可能时，钢中氮的引入开始采用廉价的氮气而不是价格昂 贵的氮化合金。2 0 世纪6 0 年代末，首次工业化生产了含氮不锈钢2 1 c r - 9 m n 7 n i 0 3 2 n ， 该种钢强度高，低温韧性值大，耐蚀性好。2 0 世纪6 0 年代末丰富完善了氮对力学性能 和耐腐蚀性能影响的相关知识，但并没有涉及高氮钢的广泛应用领域。 2 0 世纪7 0 年代瑞典人a v e s t a 将氮引入到m o 钢中进行合金化，并申请了专利生产 氮合金化钼钢2 5 4 s m o ( 2 0 c r - 1 8 n i 6 m o 0 7 c u 0 2 n ) ，美国开发了合金a l 6 x n ( 2 0 c r - 2 0 n i 6 3 m o 0 2 2 n ) 。2 0 世纪8 0 9 0 年代，开发了许多极高氮含量的高铬、高锰 及高钼合金。 2 0 世纪9 0 年代以后，基于航空、航海、建筑以及低温工程和压力容器等领域对高 氮钢性能的要求，各国陆续开发了多种新型廉价的高氮钢种，氮含量可高达1 0 以上， 3 - 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 从而使高氮钢的发展又出现一个新的高潮。目前工业化牛产的典型高氮钢的种类j i ! 表 2 1 所示。 表2 1 最近t 业化生产的高氮钢及其成分 1 8 - 1 9 】 t a b l e2 1h i g hn i t r o g e ns t e e l sa n dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n si nr e c e n ti n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n 钢种标准 c rn im om nn 其他生产厂家 我国含氮钢的研究开始于2 0 世纪5 0 年代，原北京钢铁学院的肖纪美教授就开始研 究钢中氮对组织和性能的影响。2 0 世纪7 0 年代，中科院金属研究所成功地开发出含氮 无镍双相不锈钢( 0 c r l7 m n l 4 m 0 2 n ) ，并获得了一定应用。对此钢种的应用和研究工作 一直都在进行，如组织与性能、疲劳与磨损性能、耐气蚀性能、塑一i 生d n i 性能等【2 0 l 。2 1 世纪初，中科院金属所在国家8 6 3 项目的支持下，研究开发含氮医用无镍奥氏体不锈钢 ( f e 1 7 c r - 1 4 m n 2 m o 0 4 6 n ) ，较全面的研究了该钢种的力学性能、耐蚀性能、磨蚀性 能和生物相容性，结果证明，新钢种较传统医用3 1 6 l 不锈钢具有更为优良的综合力学 性能、耐体液腐蚀性能和生物相容性。此外，中科院金属所以中氮含量的2 2 c r - 1 3 n i 5 m n 为基础研制成功的高强度抗氢钢( h r 3 ) 在核技术领域获得了应用。东北大学在2 0 世 纪9 0 年代以来也开展了氮合金化的实验室研究工作【2 1 1 ，并在1 0 吨电弧炉和3 0 吨a o d 炉上得到应用。我国不锈钢企业也在近几年成功地开发出用气相渗氮法冶炼含氮不锈钢 的工艺。 我国从上世纪8 0 年代末也开始了高氮不锈钢的初步研究，如原上海钢铁研究所曾 利用保加利亚的反压铸造技术进行了高氮不锈钢的初步研究。近几年，东北大学、中科 院金属所和钢铁研究总院等单位在高氮不锈钢冶炼、组织性能和加工工艺方面开展了一 定的研究工作。我国高氮钢研究的丰要成果是通过跟踪围外技术，并由国家组织一重集 团、二重集团等企业与科研院所联合攻关研制出的m n l 8 c r l 8 n 护环钢( 相当于p 9 0 0 ) 。 其中，东北大学与一重合作，采用电弧炉冶炼一氮气保护浇注常压下电渣重熔的新型生 4 东北大学硕士学位论文笫2 章文献综述 产工艺，冶炼出0 4 8 加6 4 的高氮m n l 8 c r l 8 n 2 2 1 。但由于受国内冶炼技术和设备的 限制，国内高氮钢的研究与开发受到很大的限制，与国外相比还存在较大的差距。 高氮不锈钢的抗拉强度目前己能达到3 6 0 0 m p a ，预计不久的将来可超过4 0 0 0 m p a 并同时具有良好的韧性和较高的抗腐蚀性能。具有良好性能的高氮不锈钢己经进入商业 化应用阶段，如大型火力发电机( 3 0 0 m w 以上) 护环钢己在发达国家和我国得到广泛应 用，而且随着制造工艺技术的进步，制造成本将不断降低，性能进一步提高，高氮不锈 钢的应用范围将不断扩大。可以预见，高氮不锈钢在交通运输( 汽车、火车、轮船) 、建 筑( 如超高强度钢筋) 、宇航空间工业、海洋工程、原子能和军事工业等许多领域将得到 广泛应用【2 3 1 。 2 2 高氮钢的制备方法 目前，制备高氮钢的方法大体分为氮气加压熔炼法、粉末冶金法和表面渗氮法，其 中氮气加压熔炼法是现在最具工业前景的制备方法。这一类熔炼高氮钢的方法包括：热 等静压熔炼( h i p ) 、加压感应炉熔炼、大熔池法( b s b ) 、加压电渣重熔( p e s r ) 、加 压钢包氮气吹洗、加压等离子电弧熔炼、电弧渣重熔技术( a s r ) 以及加压弧渣重熔 ( a s r p ) 。其中加压电渣重熔是商业上生产高氮钢的有效方法，目前工业化生产最大的加 压电渣炉达2 0 t 。电弧渣重熔技术( a s r ) 以及加压弧渣重熔( a s r p ) 是比较廉价和最具 发展前景的高氮钢制备手段。 2 2 1 热等静压熔炼( h i p ) 和加压感应炉熔炼 热等静压熔炼和加压感应炉熔炼是两种在实验室规模制备高氮钢的方法。它们都是 通过气液反应提高钢水氮含量的。在该过程中能影响和控制动力学与氮浓度的重要参数 有：气相一熔体界面的表面、反应器运行温度、对流强度、氮分压及熔体的合金元素。 用热等静压( h i p ) 炉熔炼高氮不锈钢的一般过程见图2 1 2 4 , 2 5 】。首先将约5 0 0 9 的 样品置于炉内的a 1 2 0 3 坩埚( f 4 c m x l 5 c m ) 中。调节氮分压和温度同步上升至2 0 0 m p a 和1 6 5 0 ，并根据钢种的不同选择保温时间。当氮浓度在熔体中达到饱和后，开始降低 温度而氮分压保持不变。对不锈钢而言，当温度降至1 0 0 0 ( 低于该合金的熔点) 时， 氮气压力才开始下降，铸体冷却速度大约2 0 3 0 h r ；对于b c c 一铁合金而言，通过熔 炼氮含量可从l a t m 下的0 0 3 增加到1 2 ；对于f c c 一铁合金，则氮含量可从1 a t m 下 的o 0 4 5 增加到4 0 。尽管如此，这种熔炼方法的高氮钢铸锭的顶端 n 比底端 n 】 高，说明其凝固过程的控制尚有问题。 相比于h i p 熔炼方法而言，用加压感应炉熔炼制备高氮钢的规模较大。由于熔炼时 熔体在感应搅拌作用下发生对流运动，加快了氮在熔体中的扩散，从而缩短熔体中氮在 特定压力下达到平衡的时间，最后所得铸锭组织也比较均匀。加压感应炉是在0 2 m p a 以上的高压气氛下进行冶炼的炼钢设备。它的加热原理和常压感应炉相同。加压感应炉 5 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 同其它生产高氮钢的方法相比，具有工艺流程简单、节省能源，钢中含氮量的分布均匀 性高，减少甚至避免气体析出等特点。加压感应炉冶炼能够直接生产出高氮钢锭，省略 一次重熔工序，节省了能源并减少了金属损失， 率也提高了约3 左右。 。u 剑 赠 从而降低了生产成本，同时金属的收得 时间m i t l 图2 1 在h i p 炉中熔炼的温度和压力图 f i g 2 1t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r