【与不锈同行】奥氏体和双相不锈钢多为含氮钢（上）

　　原标题：【与不锈同行】奥氏体和双相不锈钢多为含氮钢（上）

　　奥氏体不锈钢的应用量约占不锈钢的70%。如压力容器类的设备，由于要求耐压、耐蚀、耐高温或耐低温，设备制造中要求变形、焊接，且多要求在制造状态应用，因而采用奥氏体不锈钢的比例更要超过一般不锈钢设备。双相不锈钢近年来的发展很快，应用量明显增加。含氮钢基本上都包括在奥氏体不锈钢和双相不锈钢中。表1中统计了主要的不锈钢牌号标准和压力容器标准中所采用的奥氏体不锈钢和双相不锈钢牌号中含氮钢牌号数量所占的比例。

　　在已列入各国正式的不锈钢标准中的超级奥氏体不锈钢和超级双相不锈钢（PRE≥40）22种牌号中，除NO8366外，21种牌号均为氮含量0.1%～0.6%的牌号。EN13445:2009中推荐可用至－273℃（绝对零度）的十种奥氏体不锈钢全部为含氮钢。

　　1.2奥氏体与双相不锈钢采用含氮钢的可能性

　　1）氮要成为不锈钢中的合金元素，首先是氮应具有一定的进入不锈钢熔化液相中的能力。氮在熔化钢液中具有较高的溶解度。凝固成固相后，奥氏体相在固溶处理温度具有较高的溶解度。奥氏体不锈钢在固溶处理后基本上全部或绝大部分均为奥氏体相，可以溶入较多的氮。双相不锈钢在固溶处理后也有约一半为奥氏体相，也能溶入较多的氮。这是这两类不锈钢可能采用含氮钢的基本原因。铁素体不锈钢在高温退火温度时，氮的溶解度很低。如在含铬26%的铁素体不锈钢中，温度在927℃以上时氮的溶解度仅为0.023%，593℃时仅为0.006%。因而铁素体不锈钢不可能采用含氮钢。马氏体不锈钢高温快冷后为马氏体，马氏体与铁素体一样同属体心立方晶格，氮的溶解度也很低，一般也不用含氮钢。再加上马氏体不锈钢本身耐蚀性偏低，焊接性能差，焊接构件本来就少用。马氏体沉淀硬化不锈钢基体亦为马氏体，对氮的溶解度也很低。

　　1.3奥氏体与双相不锈钢广泛采用含氮钢的必要性

　　2）在奥氏体不锈钢中，奥氏体中的氮含量即为钢中的氮平均含量。而在双相不锈钢中，奥氏体相中的氮含量约为铁素体相中的氮含量的10倍，约为双相钢中平均氮含量的1.8倍。而奥氏体相中的镍含量仅约为铁素体相中镍含量的1.67倍，仅约为双相钢中平均镍含量的1.25倍。因此在双相钢中氮对奥氏体相的奥氏体形成和稳定能力与镍相比较，由于氮的两相分配系数为0.1，而镍为0.6（见表5），因而氮在奥氏体相中的增加量比镍高得多，致使氮对奥氏体相的奥氏体形成与稳定作用要明显高于镍的作用，这使含氮双相不锈钢与非含氮双相不锈钢相比，在焊接高温热影响区基本能避免产生性能很差的单相铁素体区，含氮成为关键因素。据此，1971年以后研发的双相不锈钢全为含氮钢。

　　4）合金元素固溶于奥氏体基体有固溶强化、提高强度的作用。不锈钢中的合金元素在基体中的溶解形式可分两类，一为原子直径较小的元素如碳、氮等插入型溶解元素，溶质以插入到基体的原子间隙中的形式，造成晶格的歪扭畸变与位错较大，固溶强化的作用较大。一为原子直径较大的金属如铬、镍、钼等为置换式溶解，固溶强化的作用较小。在耐蚀不锈钢中碳的含量应较低，固溶强化的作用不太明显，耐热不锈钢才考虑较高的碳含量。氮在奥氏体不锈钢中的溶解度比碳高，氮含量常比碳高，因此氮在奥氏体不锈钢中的固溶强化作用很强，可显著提高强度。每加入0.1%的氮可使铬镍奥氏体不锈钢的室温抗拉强度和屈服强度提高约60～100MPa。如304LN的RP0.2保证值要比304L高约20%，而伸长率的保证值均为40%。因此含氮钢可提高强度，节省材料。

　　2、氮在不锈钢中的溶解度与含量

　　2.1氮在铁素体不锈钢中的溶解度

　　2.2氮在奥氏体不锈钢中的溶解度

　　1）氮在奥氏体相中的溶解度最高，熔化液相中其次，铁素体中最低。

　　3）由于奥氏体相在固溶处理温度时氮的溶解度明显高于氮含量，冷却时要冷到氮含量高于溶解度的温度后，才能析出氮化物，因而析出较慢。

　　式中，LLPN2为氮分压，氮分压为一个大气压时按1计；

　　［Cr］为钢液中铬的百分含量；

　　当提高熔炼炉中钢液表面气氛的氮分压时，可以提高钢液中氮的溶解度。如当奥氏体钢中铬含量为25%时，钢液中氮的溶解度上限约为0.4%～0.5%。如能提高冶炼气氛中的氮分压，在压力下冶炼与浇注，可以炼出氮含量0.4%～0.5%以上的奥氏体钢。实际上现在氮含量达到0.8%～1.0%的高氮奥氏体不锈钢已开始工业化。

　　图2为18Cr-Ni-N奥氏体不锈钢在900℃时的相平衡图。由图2可见，18-8钢在N≥0.23%时才析出Cr2N，此时氮的溶解度约为0.23%。

　　双相不锈钢中有奥氏体和铁素体两种基体相，两相的体积比各占一半时具有最佳的综合性能。氮在奥氏体相与铁素体相中分别的溶解度与前述奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢中的溶解度分别类似。不存在双相不锈钢统一的溶解度。双相不锈钢的化学成分是指钢的平均成分。但合金元素在奥氏体相和铁素体相中含量的分配是不同的。铁素体相中会富集铁素体形成元素；奥氏体相会富集奥氏体形成元素。某合金元素在铁素体相中的含量与该元素在奥氏体相中的含量之比值称为双相不锈钢中该元素在两相中的分配系数。合金元素对在固溶状态（1040～1090℃）的大多数双相不锈钢中两相的分配系数是相似的。主要合金元素的分配系数见表5。

　　双相不锈钢中的氮含量上限与奥氏体不锈钢一样取决于熔炼液相中氮的最大溶解度。铬、钼含量可提高溶解度；碳、镍含量可降低溶解度。现代双相不锈钢铬、钼含量高，碳含量基本上均为超低碳（C≤0.03%），镍含量常为奥氏体不锈钢的三分之一或四分之一。因而双相不锈钢熔炼液相中氮的溶解度并不比奥氏体不锈钢低。即双相不锈钢的氮含量上限并不比奥氏体不锈钢低。标准牌号S33207的氮含量为0.40%～0.60%。

　　前已提及，为达到更好的性能，奥氏体不锈钢中溶入更多的氮量是有利的（指固溶状态）。而铁素体不锈钢中应尽量降低氮含量才有利。固溶后双相不锈钢中的奥氏体相中的溶解氮含量要明显高于奥氏体不锈钢中的溶氮量（约高一倍），使双相不锈钢中的奥氏体相具有更好的性能。而双相不锈钢中铁素体相中的氮含量仅为钢材平均氮含量的18%。

　　3、不锈钢按氮含量的分类

　　不锈钢的标准化学成分中，如不标明氮含量，则将氮当作杂质，为非含氮不锈钢，一般应控制N≤0.04%。有些铁素体不锈钢标明氮含量应不超过0.015%、0.02%、0.03%等，均属非含氮不锈钢。

　　中国20世纪的不锈钢标准中没有采用控氮型奥氏体不锈钢。在GB/T208782007（牌号）中有6个牌号，GB/T42372007和GB/T32802007（板）中各有12个牌号，GB245112009（承压板）中有5个牌号采用了控氮钢，规定N≤0.10%。其他管、棒、锻件标准中均未采用控氮钢。

　　中氮型奥氏体不锈钢含氮量为0.10%～0.4%（或0.6%）。0.4%（或0.6%）为常压下冶炼的奥氏体不锈钢熔炼液相中氮的最大溶解度（与成分有关）。中氮型奥氏体不锈钢可在常压时冶炼与浇注。一般铬含量为18%的中氮型奥氏体不锈钢的氮含量多在0.1%～0.25%的范围，如304N、304LN、316N、316LN、317LN等。高铬、锰、钼的牌号由于氮的溶解度较高，氮含量可高些。中氮型奥氏体不锈钢在含氮奥氏体不锈钢中为最能发挥含氮钢有利作用的类型。超级奥氏体不锈钢基本上均为中氮钢，主要因其有着优异的耐蚀性能，同时具有较高的强度。

　　3.5含氮双相不锈钢

　　20世纪30年代即开始发展与应用双相不锈钢，特点是钢中不含氮。如329、654（1Cr17Ni11Si4AlTi）、3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2）等，称为第一代双相不锈钢。由于焊接接头的焊缝区特别是近熔合线的高温热影响区易出现单相铁素体组织而使性能严重劣化，没有在焊接构件中获得较多应用。1971-1989年，由于加入了0.1%～0.25%的氮，基本解决了焊接区易出现单相铁素体的问题。典型牌号为2304（00Cr23Ni4N）、2205（00Cr22Ni5Mo3N）、329J1（00Cr25Ni5Mo2N）等，使双相不锈钢得到较广泛的应用，称为第二代双相不锈钢。

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