不銹鋼(高氮不銹鋼)ppt課件

1、不銹鋼（高氮不銹鋼）,不銹鋼的基本知識(shí),不銹鋼定義,不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定化學(xué)穩(wěn)定性的鋼的總稱。,不銹鋼一般特性,表面美觀、清潔、光潔度高 優(yōu)異的耐腐蝕性能（比普通鋼長(zhǎng)久耐用） 強(qiáng)度高，因而薄板使用的可能性大 耐高溫氧化 常溫塑性好，易于加工 焊接性能良好,不銹鋼耐腐蝕機(jī)理,Cr與空氣中的O2反應(yīng)生成致密的氧化物保護(hù)膜“鈍化膜”，使機(jī)體得到保護(hù)。,鈍化膜,1-10nm,機(jī)體,鈍化膜主要成分：Cr2O3（普通Cr系不銹鋼而言）,生成鈍化膜條件：%Cr12%,CrO42- 、Cr（OH）、MoO42- （含Mo等元素的不銹鋼體系）,不銹鋼中碳對(duì)其耐腐蝕的影

2、響,含碳量較高的不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)（600-950），晶界析出Cr23C6,鉻從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界，因而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。（%Cr12%）,遠(yuǎn)小于,抑制Cr23C6生成措施,降%C0.03%，添加Ni補(bǔ)償 添加Ti or Nb，抑制Cr23C6生成,不銹鋼冶煉熱力學(xué),如何實(shí)現(xiàn)“去碳保鉻”,2 個(gè)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng) :,(1),(2),(3),(4),(5),(6),不銹鋼冶煉工藝流程的演變及發(fā)展趨勢(shì),去碳保鉻措施,G,T,Tf,Tf1,不銹鋼冶煉動(dòng)力學(xué),電爐吹氧的工業(yè)表明，鋼液的脫碳速度可大致分為三個(gè)階段：,（1）%C0.1時(shí)，脫碳速度與碳含量無(wú)關(guān)，而僅取決于供氧強(qiáng)度

3、。,（2）%C=0.050.10時(shí)，脫碳速度與鋼液碳含量具有線性關(guān)系。,（3）%C 0.05時(shí)的極低碳區(qū)，脫碳速度與含碳量呈n次方指數(shù)關(guān)系,不銹鋼鋼種合金元素的作用,Cr 生成鈍化膜，提高耐腐蝕性能 Ni 擴(kuò)大奧氏體，提高抗磨蝕性，高溫韌性提高 改善機(jī)械性能，可焊性 C 奧氏體穩(wěn)定化元素；易生成Cr23C6，減低耐腐蝕性能 Ti、Nb 消除晶間腐蝕 Mn 穩(wěn)定奧氏體，降低耐腐蝕性能（MnS） Mo 、Cu 提高某些不銹鋼耐腐蝕性能 N 提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能，N和Mo的協(xié)同作用能顯著提高其耐腐蝕性能 稀土元素 主要在于改善工藝性能方面。奧氏體和奧氏體鐵素體不銹鋼中加0.020.5的稀土元素

4、（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。,不銹鋼典型分類、性能、用途,不銹鋼的品種發(fā)展,超純鐵素體不銹鋼 高性能200系列奧氏體不銹鋼 高氮不銹鋼 抗菌不銹鋼,高氮不銹鋼,高氮鋼是近年來(lái)隨著冶金科技的進(jìn)步出現(xiàn)的一種新型的工程材料。,高氮鋼-材料中的實(shí)際氮含量超過(guò)了在常壓下（0.1MPa）制備材料 所能達(dá)到的極限值的鋼。 含氮奧氏體不銹鋼：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） 鐵素鐵、馬氏體不銹鋼：氮含量大于0.08%時(shí)，便可稱為高氮鋼。,N與其它元素(Mn, Cr, V, Nb, Ti等)作用, 改善鋼的多種性能: 高強(qiáng)度、高韌

5、性、大的蠕變抗力、良好的耐腐蝕性能。,高氮不銹鋼成為目前的主要研究熱點(diǎn)，尤其是高氮奧氏體不銹鋼,高氮鋼分類、氮含量、主要鋼種及性能,高氮不銹鋼力學(xué)性能研究,大量研究認(rèn)為，氮可顯著提高不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。高氮奧氏體不銹鋼具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)AISI 200(美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ) 和300系列不銹鋼的2-4倍以上，且仍能保持較高的斷裂韌性。,氮含量為1.0%的高氮奧氏體不銹鋼晶粒尺寸對(duì)其機(jī)械性能的影響,氮固溶強(qiáng)化奧氏體不銹鋼,晶粒大小和強(qiáng)度也完全符合HallPetch關(guān)系 Speidel等人的研究表明，高氮不銹鋼的強(qiáng)度與其氮含量有直接的關(guān)系 由于多晶體

6、中的晶界的變形抗力較大，且每個(gè)晶粒的變形都要受到周?chē)Я５臓恐疲识嗑w的室溫強(qiáng)度總是隨著晶粒的細(xì)化（即晶界總面積的增加）而提高。多晶體屈服強(qiáng)度s與晶粒平均直徑d之間的關(guān)系可用霍爾-佩奇公式描述： os =0 +kd-1 /2 式中0、 k與晶體類型有關(guān)的常數(shù)。,氮合金化奧氏體不銹鋼韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,Defilippi J D在研究Cr-Mn-N合金體系中首先發(fā)現(xiàn)了氮合金化的奧氏體不銹鋼存在韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 Uggowitzer和 Speidel等人發(fā)現(xiàn)，無(wú)鎳的高氮Cr-Mn-N奧氏體鋼中存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT），并且其與氮含量有關(guān)。 大量的研究者針對(duì)不同體系的高氮奧氏體不銹鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)

7、象進(jìn)行了研究，并對(duì)其低溫?cái)嗔褭C(jī)理進(jìn)行了解釋，目前看法尚不統(tǒng)一。,氮對(duì)高氮不銹鋼耐點(diǎn)蝕的影響,合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能影響,氮是提高奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能最有效元素,PREN=1Cr+3.3Mo+XN，X1330,奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)在Cl-環(huán)境中 對(duì)點(diǎn)蝕電位的影響,PREN-耐點(diǎn)蝕當(dāng)量。 最常用的并被廣為接受的一種評(píng)定系統(tǒng)的數(shù)值評(píng)定方法。PREN 是以金屬中某些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)計(jì)算的一個(gè)數(shù)值。,氮對(duì)高氮奧氏體不銹鋼耐縫隙腐蝕性能影響,臨界縫隙腐蝕溫度和合金成分的關(guān)系,N 、Cr、Mo提高了合金的耐縫隙腐蝕的能力，而Mn和Ni降低了合金耐縫隙腐蝕的能力。 N和Mo的協(xié)同作用顯著地

8、提高了高氮鋼耐縫隙腐蝕性能,氮和鉬元素對(duì)高氮鋼縫隙腐蝕影響,氮對(duì)高氮不銹鋼晶間腐蝕的影響,氮的加入可以提高普通低碳、超低碳奧氏體不銹鋼耐敏化態(tài)晶間腐蝕性能，其本質(zhì)是N影響敏化處理時(shí)Cr23C6的形核和長(zhǎng)大，并降低了與Cr23C6平衡Cr的活度。 高純奧氏體不銹鋼中，沒(méi)有碳化鉻析出，主要因?yàn)橐环矫娴黾恿蒜g化膜的穩(wěn)定性，在一定程度上降低了平均腐蝕率；另一方面，在含氮高的鋼中雖然有氮化鉻，但由于氮化鉻的析出速度很慢，敏化不會(huì)造成晶界貧鉻，對(duì)敏化態(tài)晶間腐蝕影響很小。,轉(zhuǎn)子主體與用P900制成的護(hù)環(huán)的裝配情況,鹽霧實(shí)驗(yàn)后含氮與不含氮馬氏體不銹鋼腐蝕情況的比較,人工合成的骨質(zhì)人體材料,高氮不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)

9、域,合金元素對(duì)氮溶解的影響,Ti、Zr、V、Nb 等元素顯著提高氮溶解度，形成氮化物的趨勢(shì)強(qiáng)烈。 Cr 顯著提高氮在不銹鋼中的溶解度，形成氮化物的趨勢(shì)較Ti、Zr等元素小。 Mn 在HNS中廣泛用來(lái)增加氮的溶解度，較Ni廉價(jià)，具有強(qiáng)烈的穩(wěn)定奧氏體的作用，過(guò)高M(jìn)n對(duì)耐腐蝕性能不利。 Ni 不銹鋼中重要的合金元素，Ni減小了氮在鋼液中的溶解度，且鎳對(duì)人體有過(guò)敏反應(yīng)。 Mo 提高氮在鋼液中的溶解氮，主要作用是提高耐腐蝕性能。,顯著提高氮溶液度，強(qiáng)烈形成氮化物元素,平衡氮化物形成和氮溶解度元素,中性元素,強(qiáng)烈降低氮溶解度元素,合金元素對(duì)鋼液中氮溶解度的影響,溫度對(duì)氮溶解度的影響,溫度和鉻含量對(duì)鋼中溶解

10、的影響,隨鉻含量增加，氮溶解度顯著增大，溫度對(duì)溶解度影響趨勢(shì)增大，且隨溫度的提高氮的溶解度降低，這種現(xiàn)象存在于含有增加氮溶解度元素（如Mn、Mo）的鐵基合金中。 而含有降低溶解度元素的鐵基合金，恰恰相反，隨溫度提高氮的溶解度增大。,氮在高氮不銹鋼凝固過(guò)程中的行為研究,在凝固過(guò)程中由于鋼按L-Fe-Fe順序發(fā)生相變，由于氮在-Fe中溶解度很小，在凝固過(guò)程中氮在凝固相的前端富集，若鋼液中氮的含量很高，凝固過(guò)程中有可能會(huì)析出氣泡。,防止氮在凝固過(guò)程中析出措施,為了防止氣泡析出，必須滿足下列公式：,式中：,防止高氮鋼在凝固過(guò)程中氮?dú)馀莸奈龀觯?可增加表面活性元素，增大 值 ； 增大體系壓力，即凝固過(guò)程

11、在高壓下進(jìn)行 。,氮在凝固過(guò)程中析出的相關(guān)研究,Feichtinger研究了Fe18Cr18Mn在凝固過(guò)程中，氮分壓對(duì)氮分配系數(shù) 影響。 陸利明等探討了對(duì)高氮鋼凝固過(guò)程及偏析進(jìn)行了理論計(jì)算，為避免氮在凝固過(guò)程中氣泡析出的施加的最小壓力進(jìn)行了計(jì)算。但是該計(jì)算方法沒(méi)有考慮合金元素對(duì)氮溶解的影響。 M.R.R idolfi研究了16%18%Cr高氮奧氏體不銹鋼中氮?dú)馀莸奈龀鲂袨椋{(diào)整鋼液成分可以避免氣泡的生成。,氮分壓對(duì)氮分配系數(shù)的影響,高氮不銹鋼制備技術(shù),高氮鋼的開(kāi)發(fā)主要集中在兩個(gè)方面：一方面根據(jù)材料性能的要求設(shè)計(jì)高氮鋼的成分；另一方面是通過(guò)制備技術(shù)來(lái)得到合乎成分要求的高氮鋼。就高氮鋼制備而言，最

12、關(guān)鍵的問(wèn)題在于尋找廉價(jià)的氮源；在迅速提高氮含量的同時(shí)防止氮在高氮鋼凝固過(guò)程中逸出，且保證氮在鋼中均勻分布。 目前，國(guó)外用于制備高氮鋼的方法有：常壓電渣重熔工藝、氮?dú)饧訅喝蹮挿?、粉末冶金法和表面滲氮法。,氮?dú)饧訅喝蹮挿?高氮奧氏體不銹鋼的冶煉理論基礎(chǔ)及其材料性能研究,高氮不銹鋼加壓制備技術(shù),氮?dú)饧訅喝蹮捀叩讳P鋼鋼有兩個(gè)基本的機(jī)理,（1）在氮?dú)馊垠w的界面上發(fā)生反應(yīng)N22N，雙原子氮?dú)夥纸獬蓡卧拥?，并被熔體吸收；,這一類熔煉高氮不銹鋼的方法包括：熱等靜壓熔煉（HIP）、加壓感應(yīng)爐熔煉、加壓等離子熔煉、加壓電渣重熔（PESR）、反壓鑄造法。,（2）直接往液態(tài)渣或熔體中加入金屬的氮化物或其復(fù)合物。,

13、熱等靜壓熔煉（HIP）和加壓感應(yīng)爐熔煉,熱等靜壓熔煉和加壓感應(yīng)爐熔煉是兩種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備高氮鋼的方法。他們都是通過(guò)氣液反應(yīng)提高鋼水氮含量的。,熱等靜壓熔煉爐內(nèi)壓力最大可達(dá)200MPa，制備的高氮鋼氮含量可達(dá)4%，但在高氮鋼機(jī)體中易形成氮化物沉淀 ，氮分布均勻性存在問(wèn)題。,圖3 采用熱等靜壓法制備高氮不銹鋼的工藝曲線,加壓感應(yīng)爐熔煉,Stair-Uocorz利用實(shí)驗(yàn)研究型加壓感應(yīng)熔煉爐研究氮在合金中溶解度行為時(shí)，將氮分壓提高到10MPa，制備合金中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)3以上。 在保加利亞500kg加壓感應(yīng)爐進(jìn)行了制備高氮鋼的研究，Cr18Mn12N鋼在氮分壓1.2MPa感應(yīng)爐內(nèi)持續(xù)滲氮3.5h，

14、鋼液中的氮含量從0.35增加到0.42% 。 鋼液滲氮的過(guò)程中，氣相熔體界面的表面積占主導(dǎo)地位，當(dāng)它非常小時(shí)，熔池中鋼液的氮飽和度就不高。,圖4 50kg加壓感應(yīng)爐設(shè)備示意圖,加壓電渣重熔熔煉（PESR）,加壓電渣重熔是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。目 前典型的合金化方式有兩種：設(shè)有合金添加裝置（德國(guó)） 制造復(fù)合電極（日本）。,圖7 德國(guó)加壓電渣爐的設(shè)備示意圖,德國(guó)最大加壓電渣爐為20t，熔煉室運(yùn)行壓力4.2MPa，最大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20。,日本國(guó)家材料研究所（NIMS）在上世紀(jì)90年代研制了1臺(tái)20kg的實(shí)驗(yàn)用高壓電渣爐實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)最大壓力為5MPa，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)控制在4MPa。采用此

15、高壓電渣設(shè)備生產(chǎn)的高氮鋼中氮含量可達(dá)1以上。,德國(guó)16噸和20噸的高壓電渣爐圖片,圖8 16噸高壓電渣爐照片,圖9 20噸高壓電渣爐照片,加壓等離子電弧熔煉（PARP）,Torkhov采用加壓等離子電弧爐制備25Cr16Ni7Mn0.6N高氮不銹鋼實(shí)驗(yàn)研究表明，采用等離子弧可以加速鋼水的滲氮，而且金屬雜質(zhì)含量較低，在較低的氮分壓下，不需要添加氮化合金即可獲得非常高的氮含量。,用等離子弧滲氮時(shí)，熔融金屬暴露于等離子弧中時(shí)利用化學(xué)吸附和電場(chǎng)吸附使鋼水增氮，其平衡時(shí)氮的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱力學(xué)氮飽和濃度。,存在缺點(diǎn)：,1）電能消耗高； 2）其壓力僅限在0.45MPa以下； 3）由于等離子噴槍內(nèi)溫度的分布不

16、均勻，造成氮不同程度的分解，從而造成熔池中氮的分布不均勻； 4）設(shè)備復(fù)雜昂貴，難以生產(chǎn)板坯，鍛錠和鑄錠。,高氮不銹鋼冶煉的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究 高氮不銹鋼的制備,實(shí)驗(yàn)室對(duì)高氮不銹鋼的相關(guān)研究,當(dāng),壓力對(duì)氮活度的作用系數(shù)。,氮溶解度與體系溫度、氮分壓和合金成分的熱力學(xué)計(jì)算模型,高氮不銹鋼冶煉的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究-NEU,模型的驗(yàn)證,氮溶解度的計(jì)算值與測(cè)量值比較,氮分壓對(duì)氮溶解度的影響,氮分壓對(duì)304和316不銹鋼熔體氮溶解度影響,在氮分壓小于0.1MPa時(shí)，熔體中氮的溶解度與氮分壓符合Sievert定律 西華特定律定義為氣體在鋼中的溶解度與它在氣相中的分壓的平方根成正比。,在1873K純鐵和Fe-Cr、F

17、e-Mn合金體系中氮分壓對(duì)氮溶解度的影響,當(dāng)?shù)謮捍笥?.1MPa，尤其是在熔體中合金元素含量較高時(shí)，不符合Sievert定律 氮溶解度隨氮分壓的增加顯著提高，因此加壓熔煉是制備高氮鋼的有效手段,氮分壓對(duì)氮溶解度的影響,溫度對(duì)氮溶解度的影響,在1873K、0.1MPa和5MPa壓力下純鐵和不同的合金體系中溫度對(duì)氮溶解度的影響,氮分壓一定，溫度對(duì)氮溶解度的影響取決于合金的成分 純鐵和Fe-Ni合金，隨著溫度的增加，熔體中氮的溶解度增大,對(duì)于一定合金成分和氮分壓的熔體來(lái)說(shuō)，熔體中氮的溶解度可表示為：,其中A1883280 fN,1873,當(dāng)fN,1873=-0.057時(shí)，A0；當(dāng)fN,18730，

18、熔體中氮溶解度隨溫度的增加而減?。划?dāng)fN,1873-0.057時(shí)，A0，熔體中氮溶解度隨溫度的增加而增大。 因此在一定的氮分壓條件下，溫度對(duì)熔體中氮溶解度的影響取決于氮的活度系數(shù)，而活度系數(shù)與合金成分密切相關(guān)，因此溫度對(duì)熔體氮溶解度的影響，取決于合金系成分。,溫度對(duì)氮溶解度的影響,氮分壓對(duì)合金體系氮溶解度的影響,Fe18Cr18Mn在不同氮分壓下的溶解度 (a) 0.02MPa; (b) 0.1MPa; (c) 0.6MPa,合金成分對(duì)合金體系氮溶解度的影響,4Cr-16Mn合金在0.1MPa氮分壓下的溶解度,隨著奧氏體形成元素含量的提高，凝固過(guò)程中鐵素體區(qū)域逐漸減小至可能消失,適當(dāng)提高合金體

19、系中奧氏體形成元素的含量可減少氮在其凝固過(guò)程中析出的趨勢(shì),氮在高氮不銹鋼凝固過(guò)程中的偏析和析出行為研究,建立了氮在高氮不銹鋼熔體在凝固過(guò)程中的偏析模型 隨著凝固的進(jìn)行，氮濃度逐漸增大，且固相率越大時(shí)，氮濃度增加的越快。當(dāng)前沿氮濃度超過(guò)其飽和值時(shí)，便會(huì)有氮?dú)馀菸龀龅目赡堋?氮濃度隨凝固進(jìn)程的變化3,避免氮析出所需要施加的最小壓力計(jì)算,Fe-13Cr的PNmax為0.73MPa，F(xiàn)e-18Cr-9Ni為0.33MPa。18Cr18Mn， N0=0.8%時(shí)， PNmax為0.41MPa， N0=1.2%時(shí)PNmax為1.29MPa。 為避免氮析出所需要施加的最小壓力為PbminPNmax-Pm-2/