不锈钢(高氮不锈钢)

d[C] dt

A1
（2）[%C]=0.05~0.10时，脱碳速度与钢液碳含量具有线性关系。

d[C] dt

A2[C]
（3）[%C] ≤ 0.05时的极低碳区，脱碳速度与含碳量呈n次方指数关系

d[C] dt

A3[C]n
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不锈钢钢种合金元素的作用
Cr 生成钝化膜，提高耐腐蚀性能 Ni 扩大奥氏体，提高抗磨蚀性，高温韧性提高 改善机械性能，可焊性 C 奥氏体稳定化元素；易生成Cr23C6，减低耐腐蚀性能 Ti、Nb 消除晶间腐蚀 Mn 稳定奥氏体，降低耐腐蚀性能（MnS） Mo 、Cu 提高某些不锈钢耐腐蚀性能 N 提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能，N和Mo的协同作用能显著提高其耐腐蚀 性能 稀土元素 主要在于改善工艺性能方面。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢 中加0.02~0.5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。
而含有降低溶解度元素的铁基合金， 恰恰相反，随温度提高氮的溶解度增大。
温度和铬含量对钢中溶解的影响
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氮在高氮不锈钢凝固过程中的行为研究
在凝固过程中由于钢按L→δ-Fe→γ-Fe顺序发生相变，由于氮在δFe中溶解度很小，在凝固过程中氮在凝固相的前端富集，若钢液中氮的 含量很高，凝固过程中有可能会析出气泡。
Cr25Mn11Si3N Cr15Ni4Mo2N
Cr12MoVN
W6Cr5V2N W5Cr5V2N W2Cr6V2N 55NiCrMoV7N 3Cr4Mo2VN 30WCrMoVN 55CrVMoN 38CrNi3MoVN
性能特点
室温强度显著提高，低温冲击韧性明显改善； 持久强度提高而断裂韧性不明显下降； 具有优良的耐蚀性能，抗应力腐蚀； 奥氏体化稳定，无磁化化稳定；
Cr 显著提高氮在不锈钢中的溶解度，形成 氮化物的趋势较Ti、Zr等元素小。
Mn 在HNS中广泛用来增加氮的溶解度，较 Ni廉价，具有强烈的稳定奥氏体的作用，过 高Mn对耐腐蚀性能不利。
Ni 不锈钢中重要的合金元素，Ni减小了氮在 钢液中的溶解度，且镍对人体有过敏反应。
Mo 提高氮在钢液中的溶解氮，主要作用是 提高耐腐蚀性能。
高氮不锈钢
高氮钢是近年来随着冶金科技的进步出现的一种新型的工程材料。 高氮钢----材料中的实际氮含量超过了在常压下（0.1MPa）制备材料
所能达到的极限值的钢。 含氮奥氏体不锈钢：控氮型（氮含量0.05%～0.10%）
中氮型（氮含量0.10%～0.40%） 高氮型（氮含量在0.40%以上） 铁素铁、马氏体不锈钢：氮含量大于0.08%时，便可称为高氮钢。 N与其它元素(Mn, Cr, V, Nb, Ti等)作用, 改善钢的多种性能: 高强度、高韧 性、大的蠕变抗力、良好的耐腐蚀性能。 高氮不锈钢成为目前的主要研究热点，尤其是高氮奥氏体不锈钢
氮和钼元素对高氮钢缝隙腐蚀影响 临界缝隙腐蚀温度和合金成分的关系
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氮对高氮不锈钢晶间腐蚀的影响
氮的加入可以提高普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢耐敏化态晶间腐蚀性能，其 本质是N影响敏化处理时Cr23C6的形核和长大，并降低了与Cr23C6平衡Cr的活度。 高纯奥氏体不锈钢中，没有碳化铬析出，主要因为一方面氮增加了钝化膜的 稳定性，在一定程度上降低了平均腐蚀率；另一方面，在含氮高的钢中虽然有氮 化铬，但由于氮化铬的析出速度很慢，敏化不会造成晶界贫铬，对敏化态晶间腐 蚀影响很小。
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氮对高氮不锈钢耐点蚀的影响
合金成分对奥氏体不锈钢耐点蚀性能影响
氮是提高奥氏体不锈钢耐点蚀性能最有效元素 PREN=1[Cr]+3.3[Mo]+X[N]，X＝13~30
•PREN----耐点蚀当量。 •最常用的并被广为接受的一种评定系统的 数值评定方法。PREN 是以金属中某些元素
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不锈钢（高氮不锈钢）
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不锈钢的基本知识
➢ 不锈钢定义
不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一 定化学稳定性的钢的总称。
➢ 不锈钢一般特性
表面美观、清洁、光洁度高 优异的耐腐蚀性能（比普通钢长久耐用） 强度高，因而薄板使用的可能性大 耐高温氧化 常温塑性好，易于加工 焊接性能良好
Tf1 Tf
T
提高温度：但耐火材料寿命降低
电弧炉冶炼不锈钢“去碳保铬” 的理论基础
降低CO分压
VOD和AOD冶炼不锈钢“去碳 保铬”的理论基础
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不锈钢冶炼动力学
电炉吹氧的工业表明，钢液的脱碳速度可大致分为三个阶段：
（1）[%C]>0.1时，脱碳速度与碳含量无关，而仅取决于供氧强度。
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防止氮在凝固过程中析出措施
为了防止气泡析出，必须满足下列公式：
Pb Pa Pm 2 / r
式中： Pb—氮气泡的形核压力；
Pa —凝固体系上的压力；
Pm —钢液的静压力；
—气泡的表面张力；
ห้องสมุดไป่ตู้r —气泡的半径。
防止高氮钢在凝固过程中氮气泡的析出：
的质量分数为基础计算的一个数值。
奥氏体不锈钢中合金元素对在Cl-环境中 对点蚀电位的影响
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氮对高氮奥氏体不锈钢耐缝隙腐蚀性能影响
N 、Cr、Mo提高了合金的耐缝隙腐蚀的 能力，而Mn和Ni降低了合金耐缝隙腐蚀的 能力。 N和Mo的协同作用显著地提高了高氮钢 耐缝隙腐蚀性能
政建设、汽车
韧性、缺口敏感性、焊接性能差
18%Cr+8Ni
奥氏体 Austenitics
高Cr-Ni系列钢 在18%Cr+8Ni基础上增 加Cr、Ni含量并加入Mo、
无
韧性和塑性较高，强度低，硬度小， 石油、化学、轻工、
加工性能好，耐晶间腐蚀性能较好， 食品、医药等行业中
原料成本高
的应用
Cu、Si、Nb、Ti等元素
显著提高氮溶 液度，强烈形 成氮化物元素
平衡氮化物 形成和氮溶 解度元素
强烈降低氮 溶解度元素
中性元素
合金元素对钢液中氮溶解度的影响
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温度对氮溶解度的影响
随铬含量增加，氮溶解度显著增大， 温度对溶解度影响趋势增大，且随温度 的提高氮的溶解度降低，这种现象存在 于含有增加氮溶解度元素（如Mn、Mo） 的铁基合金中。
(3)
lg
K3


38840 T

24.95
(4)
K3

aCr 2.(PCO
/
P0 )3
/
aC
.a 3 Cr2O3
(5)
aC
PCO / P0
2/3
aCr2O3
1/3
K a 3
Cr2O3
(6)
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去碳保铬措施
ΔG
(2) (1) (1)
Pco=1 Pco< 1
双相钢 Duplex
Cr 18%~28%，
耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有
Ni3%~10%。含有Mo、 Cu、Si、Nb、Ti，N等
有
明显提高、优良的耐孔蚀性能。兼 石油、化工、造纸、 有奥氏体和铁素体不锈钢的特点 海洋等领域
元素。
马氏体
12-18%Cr+0.2~1%C
Martensitics +Ni；Mo、Si、Ti、V
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不锈钢耐腐蚀机理
Cr与空气中的O2反应生成致密的氧化物保护膜“钝化膜”，使机体得到保护。
钝化膜 1-10nm
机体
钝化膜主要成分：Cr2O3（普通Cr系不锈钢而言） CrO42- 、Cr（OH）、MoO42- （含Mo等元素的不锈钢体系）
生成钝化膜条件：%Cr＞12%
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高氮不锈钢的应用领域
转子主体与用P900制成的护环的装配情况
人工合成的骨质人体材料
盐雾实验后含氮与不含氮马氏体不锈钢腐蚀情况的比较
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合金元素对氮溶解的影响
Ti、Zr、V、Nb 等元素显著提高氮溶解度， 形成氮化物的趋势强烈。
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不锈钢典型分类、性能、用途
成分特点
磁性
主要性能
主要用途
铁素体 Ferritics
Cr:11-15%; 16-20%； 21-30%
导热系数大，膨胀系数小、抗氧化
性好、抗应力腐蚀优良、耐点蚀, 家用电器、厨房设备、
有 缝隙腐蚀
交通运输、环保及市
强度高, 冷加工性能好
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不锈钢冶炼工艺流程的演变及发展趋势
不锈钢冶炼热力学
➢ 如何实现“去碳保铬”
2 个反应的竞争 :
2[C] O2 2CO(g)
(1)
4 / 3[Cr] O2 2 / 3Cr2O3(s)
(2)
Cr2O3 3[C] 2[Cr] 3CO(g)
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高氮钢分类、氮含量、主要钢种及性能
分类 奥氏体不锈钢
铁素体不锈钢 高速工具钢
热作模具钢 冷作模具钢
结构钢
[%N] ＜1.20～2.80
0.08～0.60 ＜0.20
0.02～0.16 0.05～0.60 0.05～0.20
主要钢种
Cr18Mn11N Cr18Mn12Si2N0.7
高温蠕变性能改善，蒸汽透平叶片工作温度 提高到873K
结晶组织细小； 氮化物弥散分布，不易聚集；
热硬性强，粘着系数低；
结晶组织细小； 易加工，强度及韧性改善；
工作温度提高到973K；
工作温度可提高到773K
韧性改善，冷脆转折温度明显下降；
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高氮不锈钢力学性能研究
大量研究认为，氮可显著提高不锈钢的屈服强 度和抗拉强度。高氮奥氏体不锈钢具有高的屈服强 度和抗拉强度，其屈服强度和抗拉强度可达到传统 AISI 200(美国钢铁学会标准 ) 和300系列不锈钢的2-4倍 以上，且仍能保持较高的断裂韧性。
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晶粒大小和强度也完全符合Hall–Petch关系 Speidel等人的研究表明，高氮不锈钢的强度与其氮含量有直接的关系 •由于多晶体中的晶界的变形抗力较大，且每个晶粒的变形都要受到周围晶粒的牵 制，故多晶体的室温强度总是随着晶粒的细化（即晶界总面积的增加）而提高。
可增加表面活性元素，增大 值 ；
增大体系压力，即凝固过程在高压下进行 。
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氮在凝固过程中析出的相关研究
Feichtinger研究了Fe18Cr18Mn在凝固过 程中，氮分压对氮分配系数 k0 N sol, / Nliq 影 响。
Defilippi J D在研究Cr-Mn-N合金体系中首先发现了氮合金化的奥氏体不锈钢存 在韧脆性转变现象。 Uggowitzer和 Speidel等人发现，无镍的高氮Cr-Mn-N奥氏体钢中存在韧脆转变 温度（DBTT），并且其与氮含量有关。 大量的研究者针对不同体系的高氮奥氏体不锈钢的韧脆性转变现象进行了研究， 并对其低温断裂机理进行了解释，目前看法尚不统一。
多晶体屈服强度σs与晶粒平均直径d之间的关系可用霍尔-佩奇公式描述： •os =σ0 +kd-1 /2
•式中σ0、 k——与晶体类型有关的常数。
氮含量为1.0%的高氮奥氏体不锈钢晶粒 尺寸对其机械性能的影响
氮固溶强化奥氏体不锈钢
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氮合金化奥氏体不锈钢韧脆性转变现象
有
保持一定的耐腐蚀性能，具有较高 蒸汽轮机叶片、餐具、
硬度、强度、耐磨性能
外科手术器械
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不锈钢的品种发展
������ 超纯铁素体不锈钢 ������ 高性能200系列奥氏体不锈钢 ������ 高氮不锈钢 ������ 抗菌不锈钢
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不锈钢中碳对其耐腐蚀的影响
含碳量较高的不锈钢在敏化温度范围内（600-950℃），晶界析出Cr23C6
VCr 远小于 VC
铬从晶粒内固溶体中扩充到晶界，因而只能消耗晶界附近的铬，造成晶粒 边界贫铬区。（%Cr＜12%）
抑制Cr23C6生成措施
降%C＜0.03%，添加Ni补偿 添加Ti or Nb，抑制Cr23C6生成