熱力學(xué)計(jì)算在高氮奧氏體不銹鋼研究中的應(yīng)用

郎宇平，陳海濤，翁宇慶，屈華鵬

（1鋼鐵研究總院 特殊鋼研究所，北京100081；2中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，北京100711）

氮合金化奧氏體不銹鋼由于其優(yōu)良的綜合性能以及經(jīng)濟(jì)性獲得越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。對(duì)于奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，合金元素氮的加入導(dǎo)致了其性能的明顯變化。首先，固溶氮的加入，顯著提高奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)并不降低其塑韌性。這在很大程度上彌補(bǔ)了奧氏體不銹鋼強(qiáng)度不足的弱點(diǎn)，并為設(shè)計(jì)新型高強(qiáng)高韌鋼提供了新的思路[1－4］。其次，固溶氮的加入，促進(jìn)了奧氏體不銹鋼的耐蝕性能，尤其是耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能[5－7］。此外，氮的加入，使得不銹鋼中的奧氏體相更加穩(wěn)定，還能提高不銹鋼的耐磨性能[1，8］。

正是基于上述現(xiàn)象，各國(guó)研究者對(duì)氮合金化不銹鋼展開(kāi)了全面的研究。這些研究可以分為兩大方向：一是基于普通奧氏體不銹鋼如304，316類型，加入一定氮含量，以適當(dāng)提高強(qiáng)度和耐蝕性并減少鎳含量降低成本為目的；二是追求高性能不銹鋼，研究開(kāi)發(fā)高氮不銹鋼。由于氮在奧氏體中的溶解度明顯大于其在鐵素體、馬氏體中的溶解度，因此這部分工作更多地是圍繞高氮奧氏體不銹鋼展開(kāi)，包括部分超級(jí)奧氏體不銹鋼。該類研究的核心問(wèn)題之一就是高氮的加入，目前有兩個(gè)主要途徑：一是采用加壓冶煉；二是通過(guò)合金設(shè)計(jì)，選擇合適的合金體系，在常壓下實(shí)現(xiàn)高氮不銹鋼的冶煉制造。加壓冶煉由于制造成本高，技術(shù)難度大，更多地用于特殊用途不銹鋼的制造，很難推廣。而在常壓下制造高氮不銹鋼的思路由于其較低的制造成本和顯著的性能改變，越來(lái)越多地吸引人們的注意，成為高氮不銹鋼研究的主要方向之一。

研究氮合金化不銹鋼的最大技術(shù)難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮辖痼w系以最大限度地增加氮溶解度從而分享固溶氮帶來(lái)的諸多益處。隨著熱力學(xué)軟件Thermo－Calc在材料研究中的逐步推廣應(yīng)用，其在氮合金化奧氏體不銹鋼研究中的有益作用越來(lái)越被重視[9］。本文詳細(xì)介紹了Thermo－Calc熱力學(xué)軟件在氮合金化奧氏體不銹鋼研究中的幾種應(yīng)用，計(jì)算了主要合金元素對(duì)氮合金化不銹鋼的氮溶解度、凝固過(guò)程相轉(zhuǎn)變以及析出相的影響，最終設(shè)計(jì)出低成本、無(wú)磁、高性能的高氮奧氏體不銹鋼。

1 合金元素對(duì)氮飽和溶解度的影響

1.1 氮溶解度

很長(zhǎng)一段時(shí)間，研究者在考慮氮溶解度時(shí)，主要集中在熔融態(tài)，即液態(tài)鋼中的飽和溶解度。促進(jìn)氮溶解度的合金元素有鉻、錳、鉬、釩、鈮等，降低其溶解度的有鎳、銅、硅、碳、鋁等[10］。在常壓冶煉下，氮在液態(tài)鋼液中的溶解度可以根據(jù)式（1）計(jì)算[11］：

式中：Xi為i元素的含量；分別為i元素的一、二、三級(jí)反應(yīng)參數(shù)。

從式（1）可以看到，液態(tài)鋼中氮的溶解度主要受合金元素及其含量的影響，冶煉溫度也是一個(gè)重要因素。相同成分下，冶煉溫度越高，氮的溶解度越低。根據(jù)不同元素的反應(yīng)參數(shù)，可計(jì)算出其對(duì)鋼液中氮飽和溶解度的影響。但是反應(yīng)參數(shù)的獲得，需要大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，因此采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際操作難度較大。利用Thermo－Calc軟件計(jì)算，可簡(jiǎn)化上述計(jì)算過(guò)程。圖1示出了0.1C－17Mn－1.5Ni－Fe合金中不同鉻含量液態(tài)鋼中飽和氮溶解度的變化。不管是高鉻還是低鉻，隨著鋼液溫度的降低，飽和氮溶解度逐漸升高，直到凝固初期（液相線）達(dá)到一個(gè)最高值。鉻含量顯著影響鋼液中的飽和氮溶解度。隨著鉻含量從17%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）增加到23%，飽和氮溶解度值也相應(yīng)增加。鉻含量為21%的鋼液中飽和氮溶解度最大可達(dá)到0.81%。同樣的計(jì)算還表明：碳、鎳含量對(duì)液態(tài)鋼的飽和氮溶解度影響并不明顯。

圖1 Cr含量對(duì)鋼液飽和氮溶解度的影響Fig.1 The influence of Cr on the nitrogen solubility in liquid steel

碳、鎳對(duì)氮溶解度的影響主要體現(xiàn)在凝固過(guò)程，特別是凝固初期。傳統(tǒng)不銹鋼理論認(rèn)為，在奧氏體不銹鋼中，碳含量過(guò)高，容易產(chǎn)生晶間腐蝕。因此，在設(shè)計(jì)奧氏體不銹鋼時(shí)，一般均將碳控制在0.03%以下，以保證即使在敏化態(tài)也不發(fā)生晶間腐蝕。這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的不足是進(jìn)一步降低了奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度。熱力學(xué)計(jì)算表明：適當(dāng)碳含量不僅可增加奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度，并且對(duì)氮合金化奧氏體不銹鋼凝固過(guò)程中飽和氮溶解度的影響也十分明顯。圖2顯示的是不同碳含 量 下，22Cr－17Mn－1.5Ni－Fe合 金 凝 固 過(guò) 程 中相的變化。

圖2 凝固過(guò)程中C含量對(duì)飽和氮溶解度的影響 （a）0.03%C；（b）0.15%CFig.2 The influence of C on the nitrogen solubility during solidification （a）0.03%C；（b）0.15%C

在液態(tài)時(shí)，鋼從1600℃高溫冷卻下來(lái)，鋼中飽和氮溶解度逐漸增大，這和公式（1）中的計(jì)算結(jié)果是一致的。隨著鋼中δ相的析出，鋼的飽和氮溶解度值減小。進(jìn)一步降溫，鋼液中開(kāi)始析出γ相，此時(shí)飽和氮溶解度又逐步增大，并隨著γ凝固相的增多而增大。在整個(gè)凝固過(guò)程中，飽和氮溶解度的變化趨勢(shì)是一致的，不同的是變化的程度。對(duì)于無(wú)碳鋼，由于δ相的析出導(dǎo)致飽和氮溶解度降低的程度更嚴(yán)重，最多可降至0.33%，而含0.15%碳鋼氮溶解度最低值為0.63%。這一計(jì)算結(jié)果表明，碳阻止凝固過(guò)程中因δ相的析出引起的氮溶解度的下降。根據(jù)G.Stein等提出的凝固模型[12］，碳的這一作用將抑制δ枝晶與鋼液接觸的局部區(qū)域氮?dú)馀莸漠a(chǎn)生，從而有利于凝固過(guò)程中氮的溶解和保持。

鎳和碳有相似的作用。圖3計(jì)算結(jié)果表明，在22Cr－17Mn－Fe合金體系中，適當(dāng)增加鎳含量，并不改變液態(tài)鋼中的飽和氮溶解度，但是卻對(duì)凝固過(guò)程中飽和氮溶解度的變化影響較大。無(wú)鎳時(shí)，隨著凝固先期δ鐵素體的析出，氮的飽和溶解度逐漸降低，在1367℃時(shí)達(dá)到極低值0.57%。當(dāng)鎳含量增加到1.5%，凝固初期，氮的飽和溶解度不再降低。并且，隨著高溫γ相的析出，鋼中氮的飽和溶解度反而增大。此外，隨鎳含量增加，高溫δ＋γ兩相區(qū)變窄。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，一定的鎳含量有利于實(shí)驗(yàn)鋼快速通過(guò)δ＋γ雙相區(qū)，從而減少高溫δ相的含量，實(shí)現(xiàn)單一奧氏體組織。這對(duì)生產(chǎn)全奧氏體組織不銹鋼來(lái)說(shuō)是有益的。

圖3 凝固過(guò)程中Ni含量對(duì)飽和氮溶解度的影響 （a）0%Ni；（b）1.5%NiFig.3 The influence of Ni on the nitrogen solubility during solidification （a）0%Ni；（b）1.5%Ni

對(duì)于氮合金化奧氏體不銹鋼，錳是不可或缺的元素。一直以來(lái)，人們對(duì)錳在高氮不銹鋼中的作用爭(zhēng)議較大。一方面，錳促進(jìn)氮的溶解，有助于奧氏體相的穩(wěn)定。但是另一方面，錳極易與鋼中的硫結(jié)合生成MnS夾雜，成為點(diǎn)蝕起源，降低不銹鋼的耐蝕性能。為此，錳含量在高氮不銹鋼中需嚴(yán)格界定。圖4顯示為不同錳含量在22Cr－1.5Ni－Fe合金體系中飽和氮溶解度值的變化情況?？梢苑浅Ｇ逦乜吹?，隨著錳含量的增加，不僅液態(tài)鋼中的飽和氮溶解度值逐漸增大（在17%Mn時(shí)極值可達(dá)0.81%），而且在凝固初期，先共析δ鐵素體對(duì)氮溶解度的負(fù)面影響也逐漸減弱。當(dāng)錳含量增加到17%時(shí)，因高溫δ相的析出導(dǎo)致的氮飽和溶解度值降低的現(xiàn)象消失，不再成為增加氮含量的瓶頸。因此，錳對(duì)氮合金化不銹鋼來(lái)說(shuō)，具有非常重要的有益作用。此外，錳對(duì)不銹鋼高溫γ相區(qū)也有明顯影響。圖5為不同錳含量在22Cr－1.5Ni－Fe合金中與氮含量及奧氏體相區(qū)的關(guān)系。從圖5可以看到，隨著錳含量的增加，高溫γ相區(qū)變大，表明γ相區(qū)變得更加穩(wěn)定。這和Li H.X.的計(jì)算結(jié)果一致[13］。當(dāng)錳含量超過(guò)12%時(shí)，γ相區(qū)總體略微向右下方移動(dòng)?？紤]到相區(qū)右側(cè)即為飽和氮溶解度，因此，錳含量的增加，增大了γ相區(qū)的飽和氮溶解度。錳的這種作用是其在氮合金化不銹鋼中的最有益之處，即錳擴(kuò)大并穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，促進(jìn)氮在不銹鋼中的溶解度。

圖4 Mn含量對(duì)飽和氮溶解度的影響Fig.4 The influence of Mn on the nitrogen solubility

圖5 Mn含量對(duì)γ相區(qū)的影響Fig.5 The influence of Mn on the phaseγ

1.2 鐵素體阱

對(duì)于低牌號(hào)奧氏體不銹鋼，在凝固過(guò)程中不可避免地要在1200～1500℃時(shí)經(jīng)歷一個(gè)“鐵素體阱”[12］?！拌F素體阱”的出現(xiàn)對(duì)氮的溶解度會(huì)有很大的影響。一般人們?cè)谘兄坪蜕a(chǎn)氮合金化不銹鋼時(shí)，主要關(guān)注的是如何將氮加入到不銹鋼中。這樣在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，常常出現(xiàn)下面的現(xiàn)象：鋼液中氮加入了，但在凝固過(guò)程中，受“鐵素體阱”的影響，局部氮逸出，造成局部缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量皮下氣泡。皮下氣泡的出現(xiàn)往往會(huì)在后期軋制、鍛造變形過(guò)程中留下缺陷，影響產(chǎn)品的最終使用。如何避免凝固過(guò)程中“鐵素體阱”的出現(xiàn)，是氮合金化不銹鋼合金設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。“鐵素體阱”的出現(xiàn)，本質(zhì)上是奧氏體形成元素含量不夠，導(dǎo)致凝固時(shí)先期有一個(gè)δ＋γ相共析的過(guò)程。從前面的計(jì)算結(jié)果可以看到，奧氏體形成元素碳、鎳、錳都有效抑制“鐵素體阱”的出現(xiàn)。因此，在合金設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)成分、成本以及性能的要求，有選擇地增加奧氏體形成元素的含量。圖6為不同錳含量對(duì)22Cr－1.5Ni－Fe合金體系中“鐵素體阱”的影響。從計(jì)算結(jié)果看，錳含量的增加可有效地縮小“鐵素體阱”的出現(xiàn)，保證氮在凝固過(guò)程中不逸出。

圖6 Mn含量對(duì)“鐵素體阱”的影響Fig.6 The influence of Mn on the“ferrite trap”

2 壓力對(duì)飽和氮溶解度的影響

對(duì)鋼鐵冶煉來(lái)說(shuō)，有三大熱力學(xué)因素：化學(xué)成分，溫度和壓力。之前的冶煉更關(guān)注于前兩個(gè)因素的作用，而忽視了壓力的影響。隨著20世紀(jì)70年代開(kāi)始加壓冶煉技術(shù)的出現(xiàn)，壓力因素越來(lái)越多地被利用到特種合金的冶煉中。壓力對(duì)不銹鋼中氮的溶解度影響顯著，圖7為不同壓力下Fe－21Cr－17Mn合金體系中高溫奧氏體相中氮的飽和溶解度的變化。在負(fù)壓情況下（真空冶煉或破真空適當(dāng)充氣），氮的飽和溶解度值較低。隨著壓力的增加，高溫奧氏體相中氮飽和溶解度值增大，在5×105Pa的正壓情況下（加壓冶煉），氮的飽和溶解度可達(dá)到2.2%以上。壓力可顯著增加不銹鋼中氮的飽和溶解度值，有益于發(fā)揮固溶氮在不銹鋼中的作用。對(duì)于氮合金化不銹鋼，根據(jù)不同用途的不同要求，部分合金在設(shè)計(jì)時(shí)限制錳、鎳含量，或者為滿足耐蝕性的要求，需添加適量鉬含量，此類合金以耐腐蝕性能為主，兼具良好的力學(xué)性能，在海洋工程和部分油氣開(kāi)采領(lǐng)域中應(yīng)用。此類合金在常壓下僅靠溫度控制和適當(dāng)?shù)某煞终{(diào)整已不能滿足高氮冶煉的要求，必須采用加壓冶煉。加壓冶煉包括加壓感應(yīng)爐冶煉和加壓電渣爐冶煉。目前從設(shè)備能力來(lái)看，不管是感應(yīng)爐還是電渣爐，壓力均可達(dá)6×106Pa以上。但是從工業(yè)推廣應(yīng)用來(lái)看，加壓感應(yīng)爐更適合制造小錠型產(chǎn)品，加壓電渣爐可實(shí)現(xiàn)大錠型產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，不過(guò)對(duì)原料（電極）的要求較嚴(yán)格。

圖7 壓力對(duì)氮溶解度的影響Fig.7 The influence of pressure on the nitrogen solubility

3 熱力學(xué)計(jì)算的應(yīng)用

根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，針對(duì)不同的合金體系，在冶煉時(shí)可選擇不同的冶煉工藝。目前冶煉氮合金化不銹鋼可采用真空感應(yīng)爐、非真空感應(yīng)爐、電爐＋氬氧脫碳法（Argon－Oxygen Decarburization，AOD）、加壓爐等工業(yè)裝備。真空感應(yīng)爐冶煉時(shí)需在精煉后破真空加氮化合金，不是最適宜的工藝。非真空感應(yīng)爐和電爐＋AOD工藝，均是在常壓下進(jìn)行，冶煉成本相對(duì)較低，并容易實(shí)現(xiàn)氮的加入。非真空冶煉時(shí)，布料順序非常關(guān)鍵?；驹瓌t是：有利于氮溶解的合金如鉻需先期加入，錳的加入比較復(fù)雜。從氮溶解角度考慮，需要先期加入。但是錳在冶煉時(shí)有錳蒸氣揮發(fā)，不利于錳含量控制和環(huán)保。因此綜合考慮，可先期適當(dāng)布置部分錳合金，然后在加入氮化合金前再全部加入。此外，非真空冶煉對(duì)造渣工藝要求嚴(yán)格，需選擇適宜的渣系。造渣既是脫氧精煉的要求，另一方面也可保護(hù)氮?dú)獾囊莩?。在所有工藝?yán)铮姞t＋AOD冶煉是最經(jīng)濟(jì)又有效的辦法，適宜工業(yè)化批量生產(chǎn)。只要對(duì)合金體系設(shè)計(jì)合理，并采用適宜的AOD吹煉工藝，可實(shí)現(xiàn)氮含量高達(dá)0.6%以上的不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)。而加壓爐冶煉對(duì)于生產(chǎn)特殊合金是非常有效的工藝，但是有關(guān)加壓爐冶煉的工藝，由于前期積累不多，需針對(duì)具體鋼種，選擇合適的充壓氣體（如N2，Ar2等）和適宜的壓力。

采用熱力學(xué)計(jì)算方法后，可以減少對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的依賴。具體來(lái)說(shuō)，經(jīng)熱力學(xué)計(jì)算后，某合金體系具有什么樣的組織，基本上在冶煉前就大致有判斷了，僅需采用少量的成分組合進(jìn)行驗(yàn)證即可。例如，對(duì)于Fe－21Cr－16Mn合金體系，不同氮含量決定了材料是否為單相奧氏體或雙相鋼（奧氏體＋鐵素體）。圖8是0.56N和0.64N兩種鋼的組織。可以看到，0.56N鋼中存在一定量的鐵素體組織，經(jīng)測(cè)算，鐵素體含量在3%～5%，而0.64N的鋼種則為完全奧氏體組織。

圖8 氮含量對(duì)組織的影響 （a）0.56N；（b）0.64NFig.8 The influence of nitrogen on the micro structures （a）0.56N；（b）0.64N

熱力學(xué)計(jì)算相圖的另一個(gè)用途是，可以參考制定熱處理制度和熱加工過(guò)程中的控制溫度。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于 Fe－21Cr－17Mn－1.5Ni－0.6N 合金體 系，為 保證完全奧氏體組織，固溶溫度的選擇可根據(jù)高溫γ相的區(qū)域來(lái)確定。如圖1所示，氮含量為0.6%時(shí)，對(duì)應(yīng)的γ相區(qū)上沿線對(duì)應(yīng)溫度大約為1130℃。據(jù)此，固溶溫度只要低于此溫度，就可以保證固溶處理后組織為完全奧氏體組織。而熱加工過(guò)程中的溫度控制，主要是避免有害中間相的析出。同樣對(duì)Fe－21Cr－17Mn－1.5Ni－0.6N合金體系來(lái)說(shuō)，根據(jù)計(jì)算相圖，實(shí)驗(yàn)鋼在600～900℃時(shí)，存在Cr23C6和Cr2N析出物。此兩類析出物的存在，將嚴(yán)重惡化實(shí)驗(yàn)鋼的耐腐蝕性能和沖擊韌性，是熱加工和最終熱處理必須避免出現(xiàn)的。實(shí)際研究時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)方法繪制的Cr23C6，Cr2N析出曲線如圖9所示。從曲線判斷，此類鋼的Cr23C6和Cr2N析出敏感溫度（“鼻尖”溫度）分別對(duì)應(yīng)于850℃和900℃，與相圖計(jì)算結(jié)果吻合。當(dāng)然，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果僅僅只是表明相的存在區(qū)域和熱力學(xué)上的可能性，而實(shí)際結(jié)果還需結(jié)合動(dòng)力學(xué)的條件進(jìn)行具體分析。

圖9 高氮不銹鋼中的析出物曲線 （a）Cr23C6析出物曲線；（b）Cr2N析出物曲線Fig.9 The curves of precipitates of Cr23C6and Cr2N（a）the precipitate curves of Cr23C6；（b）the precipitate curves of Cr2N

以熱力學(xué)計(jì)算為指導(dǎo)，將其貫穿到新型資源節(jié)約型奧氏體不銹鋼的研究過(guò)程中。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，實(shí)驗(yàn)分別選取鉻含量20%～22%，鎳含量0%～2%，錳含量16%～18%波動(dòng)，并采用非真空感應(yīng)爐和真空感應(yīng)爐兩種裝備進(jìn)行冶煉。分析結(jié)果表明，鉻、錳含量促進(jìn)固溶氮的溶解。合金體系為1Cr20Mn16N的實(shí)驗(yàn)鋼，氮含量在0.55%即出現(xiàn)皮下氣泡，真空冶煉出現(xiàn)皮下氣泡的現(xiàn)象更甚。合金體系為1Cr22Mn18Ni2N的實(shí)驗(yàn)鋼，氮含量即使達(dá)到0.77%，也未出現(xiàn)皮下氣泡現(xiàn)象。合金體系為1Cr21Mn16N0.55的實(shí)驗(yàn)鋼，出現(xiàn)部分鐵素體組織（含量小于15%）。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步按照熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化合金體系。主要確保鋼種既不出現(xiàn)皮下氣泡，并且組織為完全奧氏體。仍然采用非真空感應(yīng)爐和真空感應(yīng)爐兩種裝備，冶煉出了合金體系為1Cr21Mn17Ni2N的奧氏體不銹鋼。鋼錠扒皮后，未發(fā)現(xiàn)皮下氣泡。經(jīng)檢驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到550MPa以上，是普通AISI304不銹鋼的2倍以上；其組織為完全奧氏體組織，相對(duì)磁導(dǎo)率小于1.005，具有優(yōu)良的低磁導(dǎo)率性能。由于合金中僅采用2%以下的鎳含量，其材料成本低于AISI304。

4 關(guān)于氮合金化不銹鋼合金設(shè)計(jì)的思考

在研究氮合金化不銹鋼時(shí)，其中主要的一個(gè)目標(biāo)就是如何使合金元素氮的有益作用最大化的發(fā)揮。需要明確的是，氮對(duì)不銹鋼的有益作用只有當(dāng)其以間隙氮原子存在于晶體間隙時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)，而一旦其以氮化物（如Cr2N）的形式存在，其作用不僅無(wú)益，甚至對(duì)耐蝕性能有害[14］。發(fā)揮氮的有益作用，就是要提高合金體系中氮的飽和溶解度。從前面的論述中，可以看到，適宜的合金體系和加壓冶煉是促進(jìn)氮溶解度的有效措施。在進(jìn)行合金體系設(shè)計(jì)時(shí)，首要的一點(diǎn)是必須保證不銹鋼的組織為奧氏體組織，不管是最終組織還是加工過(guò)程中的組織，因?yàn)橹挥袏W氏體組織的八面體晶體結(jié)構(gòu)，才能最大化地促進(jìn)氮溶解度，而其他如馬氏體、鐵素體組織對(duì)氮的溶解非常有限。這也是在設(shè)計(jì)氮合金化不銹鋼時(shí)是否含鎳以及含多少鎳時(shí)考慮的主要因素。當(dāng)然，鎳對(duì)不銹鋼低溫韌性的有益作用也必須考慮。其次，對(duì)于有利于氮溶解的合金元素如鉻、錳、鉬等元素，其在合金體系中可以適當(dāng)考慮。對(duì)于鉻元素，一般來(lái)說(shuō)，必須要保證其含量在17%以上才能獲得比較滿意的耐蝕性[15］。錳元素的作用，如前所述，主要是擴(kuò)大并穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，促進(jìn)氮溶解。相比其對(duì)耐蝕性的弱影響，錳對(duì)組織的作用更有利于氮合金化不銹鋼的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)以力學(xué)性能為主，兼顧耐蝕性的承力結(jié)構(gòu)不銹鋼。這里要避免一個(gè)誤區(qū)，即為降低成本，一味地降低不銹鋼中的鉻、鎳含量，生產(chǎn)制造所謂的“200系”不銹鋼。這種所謂的“200系”材料的主要特征是低鎳（Ni≤1%）、低鉻（Cr≤15%）。其中大多數(shù)材料已經(jīng)違背了不銹鋼的科學(xué)原理，成為典型的“易銹鋼”。其對(duì)消費(fèi)者的誤導(dǎo)和資源的浪費(fèi)非常嚴(yán)重，需嚴(yán)格禁止。

5 結(jié)論

（1）合金元素對(duì)氮在不銹鋼中的飽和溶解度和凝固過(guò)程影響顯著。鉻元素主要增加液態(tài)鋼的氮溶解度，增加0.1%的碳即能顯著增大奧氏體不銹鋼在高溫凝固時(shí)的最小氮溶解度。少量的鎳含量既增加奧氏體不銹鋼高溫凝固時(shí)的最小氮溶解度，縮小高溫δ鐵素體存在的溫度區(qū)間，也能使鋼在室溫下有完全的奧氏體組織。

（2）錳元素既增加液態(tài)鋼中的飽和氮溶解度，又增加凝固初期的最小氮溶解度。適當(dāng)?shù)腻i含量能擴(kuò)大并穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，避免“鐵素體阱”的出現(xiàn)。

（3）加壓冶煉能彌補(bǔ)部分合金體系常壓下氮溶解度有限的不足，增加冶煉時(shí)氣體壓力能有效促進(jìn)氮在不銹鋼中的溶解度。

（4）采用熱力學(xué)計(jì)算工具可以對(duì)高氮奧氏體不銹鋼的冶煉、組織控制、熱處理和熱加工提供科學(xué)的指導(dǎo)。新型高氮奧氏體不銹鋼的析出相主要為Cr23C6，Cr2N，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

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