由于含氮鋼常常出現時效硬化,氮在鋼中容易出現偏析和氣孔,甚至造成鋼鑄件報廢,而且氮增加了鐵素體鋼的脆性,因此在過去很長一段時間,人們對氮的認識都是負面的。對氮在鋼中的有益影響的認識,開始于20世紀初。1912年Andrew首先發現了氮對力學性能的影響以及氮的奧氏體化能力。1926年Adcodk研究證明氮的加入能夠提高含鉻鋼的強度。之后,Uhlig首先提出氮除了提高強度以外還能提高鋼的耐腐蝕性能。第二次世界大戰期間由于鎳供應嚴重不足,德國人首先研制出以錳、氮代替部分鎳的不銹鋼。20世紀50年代,隨著對含氮合金潛在特性認識的深入和含氮鋼制備技術的發展,尤其氬氧脫碳法(argon-oxygen decarburization,AOD)的出現,含氮不銹鋼在美國變得很流行,開發了含氮的高錳系列奧氏體不銹鋼,即AISI 200系列不銹鋼,其典型成分為18Cr-5Ni-8Mn-0.15N,具有明顯優于304不(bu)銹鋼(gang)的強度和耐腐蝕性能。同時,氮在不銹鋼中作用的研究也不斷深入。60年代之后,氮作為合金元素在AISI 300 系列奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中得到廣泛應用,逐漸形成許多含氮的不銹鋼品種系列。
然而,上述含氮不銹鋼均未達到“高氮鋼”的氮含量要求。高氮不(bu)銹(xiu)鋼研究開始于20世紀60年代初期,研究人員在實驗室內采用加壓感應爐實驗了多種氮含量的高氮奧氏體鋼。基于加壓下氮在合金中的溶解行為研究,Bezobrazov等、Chipman和Corriganl14建立了氮在合金中的溶解度模型,有力推進了高氮不銹鋼的研發。到60年代后期,氮對力學性能和耐腐蝕性能的影響機理逐步得到了豐富和完善。在1976年美國腐蝕工程師協會(NationalAssociation of Corrosion Engineers,NACE)國際會議上,Osozawa和Okada提出了NH3/NH1形成理論。然而,受當時高氮鋼冶煉技術的限制,氮含量均低于0.6%,高氮鋼并沒有得到廣泛應用。
從1988年召開第(di)一屆(jie)(jie)高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)議(yi)后,相繼在(zai)(zai)聯邦德(de)國(guo)(guo)、日本、比利時和中國(guo)(guo)等召開了(le)12屆(jie)(jie),各國(guo)(guo)的科研人(ren)員就高氮(dan)鋼的研究與開發等議(yi)題進行了(le)深入的交流(liu)與探討。高氮(dan)鋼國(guo)(guo)際會(hui)議(yi)的連續召開極大地(di)推動了(le)世界高氮(dan)鋼的發展,也(ye)進一步加深了(le)人(ren)們對氮(dan)在(zai)(zai)鋼中作用(yong)機理的認識。
到20世紀(ji)80~90年代,高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)制備技(ji)術,特別是加(jia)壓冶煉設備取得了長足的(de)(de)發(fa)展,研發(fa)出加(jia)壓等離子電(dian)弧熔(rong)煉、加(jia)壓鋼(gang)(gang)包氮(dan)(dan)氣吹洗法、加(jia)壓感應熔(rong)煉等技(ji)術。1980年以(yi)來,德國Krupp和(he)(he)(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)(gong)司相繼建(jian)成了用(yong)(yong)(yong)于工(gong)業化(hua)(hua)生(sheng)產高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)(de)16t和(he)(he)(he)20t 加(jia)壓電(dian)渣爐,其(qi)壓力可達(da)4.2MPa,主(zhu)要通(tong)過添加(jia)Si3N4等氮(dan)(dan)化(hua)(hua)合(he)金來完成增氮(dan)(dan)任務。利用(yong)(yong)(yong)該技(ji)術,德國VSG公(gong)(gong)司分別于1975年、1981年和(he)(he)(he)1996年成功研制出大型火力發(fa)電(dian)機護(hu)環用(yong)(yong)(yong)鋼(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)(he)(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目前護(hu)環用(yong)(yong)(yong)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)已(yi)在發(fa)達(da)國家得到廣泛應用(yong)(yong)(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)(gong)司商(shang)業化(hua)(hua)生(sheng)產了19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)種在強度(du)、韌性、延展性、加(jia)工(gong)硬(ying)化(hua)(hua)能(neng)(neng)力以(yi)及耐(nai)(nai)腐蝕性能(neng)(neng)方面表現優(you)異。后來,瑞士(shi)的(de)(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)(gong)司改(gai)進了19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制了一種加(jia)工(gong)硬(ying)化(hua)(hua)能(neng)(neng)力極高(gao)(gao),并具有(you)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)硬(ying)度(du)、良好(hao)的(de)(de)韌性和(he)(he)(he)優(you)異耐(nai)(nai)腐蝕性能(neng)(neng)的(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)。
隨著(zhu)人們(men)對(dui)氮(dan)(dan)在不(bu)銹鋼(gang)(gang)中作用(yong)機制(zhi)認識的(de)(de)不(bu)斷深入,基于(yu)以氮(dan)(dan)代(dai)碳(tan)的(de)(de)合金設計理念,開發(fa)(fa)出一系列(lie)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)及(ji)耐(nai)(nai)蝕塑(su)料模具(ju)鋼(gang)(gang)。德國(guo)VSG 公(gong)司采用(yong)加壓電渣重熔(rong)和(he)精密鍛造技術(shu)開發(fa)(fa)出高(gao)氮(dan)(dan)不(bu)銹軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang) Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備強度和(he)硬度高(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)好、耐(nai)(nai)腐蝕性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)優(you)異(yi)和(he)回火穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing)強等特點,其(qi)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)明顯優(you)于(yu)目前航空(kong)航天領域(yu)的(de)(de)商用(yong)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(M50和(he)M50NiL等),已應用(yong)于(yu)航天飛機燃(ran)料泵(beng)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、遙感衛星控制(zhi)力矩陀(tuo)螺高(gao)速轉(zhuan)子(zi)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、飛機渦輪發(fa)(fa)動機主軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、起落架滾珠絲杠、直升機旋轉(zhuan)斜盤軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)等部(bu)件。奧地利(li)B?hler公(gong)司利(li)用(yong)加壓電渣重熔(rong)工藝,開發(fa)(fa)了性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)含氮(dan)(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐(nai)(nai)蝕塑(su)料模具(ju)鋼(gang)(gang),其(qi)純凈度更高(gao),組織更均勻細小,同時具(ju)有極佳的(de)(de)拋(pao)光和(he)耐(nai)(nai)腐蝕性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)、良好的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)、加工性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)以及(ji)尺寸(cun)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)(xing),滿(man)足了高(gao)端(duan)耐(nai)(nai)蝕鏡面塑(su)料模具(ju)市場需求。
日本國家材料研(yan)究所(suo)于1997年開(kai)(kai)始進(jin)行日本超(chao)級(ji)鋼(gang)開(kai)(kai)發(fa)計劃(hua)(STX21)中的(de)“耐(nai)海(hai)水腐(fu)蝕(shi)不(bu)銹鋼(gang)的(de)開(kai)(kai)發(fa)”工作,利用復(fu)合(he)電極的(de)加壓電渣爐在(zai)4MPa下開(kai)(kai)發(fa)出節省資源型高性(xing)能耐(nai)海(hai)水腐(fu)蝕(shi)高氮不(bu)銹鋼(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼(gang)種具有極其(qi)優(you)異(yi)的(de)耐(nai)蝕(shi)性(xing),抗(kang)拉強度(du)達到1200MPa以(yi)上(shang),延(yan)伸(shen)率與(yu)SUS 304不(bu)銹鋼(gang)相(xiang)當,并(bing)且在(zai)-196~500℃范圍內具有同樣(yang)的(de)特性(xing)。

