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高氮不锈钢管件的发展及应用

作者:管件 来源: 日期:2020/4/26 4:39:30 人气:2

研究表明:氮是一种有应用潜力的合金元素。在CrNiMn系不锈钢管件中,含氮为0.015%N时,其显微组织为铁素体;在0.13%~0.33%N时,显微组织为铁素体+奥氏体;当氮为0.58%N时,显微组织为奥氏体。含氮不锈钢管件可分为含氮奥氏体不锈钢管件、含氮双相不锈钢管件、含氮铁素体不锈钢管件、含氮马氏体不锈钢管件和含氮沉淀硬化不锈钢管件五大类。

1含氮奥氏体不锈钢管件

氮在奥氏体不锈钢管件中研究开发较早,而且应用广。应用的含氮奥氏体不锈钢管件可分为控氮型、中氮型和高氮型三种。

控氮型(0.05%~0.10%N)在超低碳(C0.02%~0.03%)铬镍奥氏体不锈钢管件中加入0.05%~0.10%N,用于提高强度,达到含Ti的或普通低碳(C≤0.08%)奥氏体不锈钢管件的强度水平,同时耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀性能优良。

中氮型(0.1%~0.5%N)目前以耐腐蚀为主要目的,同时有较高的强度,如在304、304L、316、316L中加入0.1%~0.27%N。高氮型(N>0.4%)既具有高强度,又耐腐蚀,现含氮量可达到0.8%~1.0%。

另外,还发展了超级奥氏体不锈钢管件,类似于高合金镍基超合金,有更高的力学性能和耐蚀性,至今已发展至第三阶段,主要特点是氮合金化,为提高氮的溶解度引入了Mn,为强化合金元素的协同作用,大幅提高Cr、Mo的含量,典型牌号有瑞典的Avesta的654SMo钢(24Cr-22Ni-7Mo-3Mn-0.5Cu-0.5N)。另外,发展以氮代镍(+Mn),节省成本,形成铬锰氮系奥氏体不锈钢管件。如美国AISI标准就规定2××表示铬锰镍氮奥氏体不锈钢管件,如:201(1Cr17Mn6Ni5N)、202(1Cr18Mn8Ni5N)(新牌号均为钢号前的含碳量1改为12)等。

2氮强化双相不锈钢管件

氮强化双相不锈钢管件的作用引起广泛重视,不仅强度高,而且耐蚀性更好,尤其是改善耐点蚀和耐晶界腐蚀。

双相不锈钢管件的屈服强度约是不含氮常用奥氏体不锈钢管件的2倍,含氮的双相不锈钢管件抗拉强度可达700~900MPa、断后伸长率>20%。需注意:在双相不锈钢管件中,通过奥氏体形成元素氮和镍与铁素体形成元素铬和钼的平衡,才能获得所期望的双相组织。提高氮量并不总是提高屈服强度,因双相不锈钢管件的屈服强度取决于两相中较软相的屈服强度。当氮量高时为奥氏体相,氮量低时为铁素体相。双相不锈钢管件分为四类:分别为低合金型、中合金型、高合金型(第二代)及超级双相不锈钢管件(第三代)。氮的引入对第二代和第三代双相不锈钢管件的出现起着至关重要的作用。已有的钢种如:00Cr23Ni4N(0.1N),00Cr22Ni15Mo3N(0.15N),00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN(0.25N),00Cr25Ni7Mo4N(0.3N)(瑞典的SAF2507)(新牌号碳含量00均改为022)。

氮与镍一样是形成奥氏体和扩大奥氏体区的元素,而且能力远大于镍。在高温下氮稳定奥氏体的能力也比镍大,氮的存在使其在高温加热或焊接HAZ能确保一定数量的奥氏体存在,防止焊后出现单相铁素体,从而提高焊接HAZ的耐蚀性和力学性能。

氮还可以显著提高双相不锈钢管件的耐点蚀、耐缝隙腐蚀、应力腐蚀和耐晶间腐蚀性能,同时氮还能够显著提高强度,并增加韧性,延缓金属间相的形成。

3氮强化马氏体不锈钢管件

马氏体不锈钢管件强度影响最大的因素是间隙原子的含量,随C、N含量的增加,强度提高。有人研究得出:

Fe-N马氏体屈服强度与N原子百分数的平方根呈直线关系。要提高马氏体钢的耐蚀性,要降C,从而出现超纯净不锈钢管件,使C<0.03%,这样降低强度(通常为了获得强度、韧性、耐腐蚀性良好的综合性能,认为马氏体铬镍不锈钢管件的C不超过0.2%,沉淀硬化不锈钢管件C<0.1%,马氏体时效不锈钢管件C<0.03%)。而加入N对马氏体不锈钢管件腐蚀性影响不大,相反可提高力学性能(氮的强化效果高于碳,是一种廉价的强化元素)。可见N的加入对超纯净马氏体不锈钢管件的发展有很大的影响。马氏体不锈钢管件加入N后,提高强度的同时,还提高耐蚀性,如15%Cr-1%Mo-0.4%N在硬度>58HRC时有极好的耐磨性和耐蚀性,已应用于航空透平轴承及化工等行业的紧固件。11%Cr-3.6%Ni-3%Co-1.4%Mo-0.6%V-0.03%Nb-0.04%C-0.16%N钢利用氮化物的析出硬化,可提高低温、高温强度,断裂韧度和蠕变强度,已应用于燃气透平盘。

4含氮铁素体不锈钢管件

铁素体不锈钢管件中氮的溶解度不大,氮的强化效果不大,相反会引起明显的脆性现象(通常把N与C、S、P、O等微量元素一起看作为杂质元素,对其组织和性能起着损害作用)。氮除提高强度外(0.1%N使屈服强度增加40MPa),使脆性转变温度提高(上升70~100℃)、焊接后耐腐蚀性差、缺口敏感性大。一般不采用。

考虑其强化可通过Fe-N合金的淬回火形成弥散的氮化物来实现,氮化物比碳化物更稳定、更细小,能有效改善铁素体不锈钢管件的高温性能、耐蚀性,并提高冲击韧度和屈服强度。当今美国Calt公司开发的CRVIBLE446含氮铁素体不锈钢管件具有较高的耐蚀性和耐热性,用于蒸发器、锅炉导流板等。

5含氮沉淀硬化不锈钢管件

沉淀硬化不锈钢管件中C、N、P、S、Si的含量及热处理对其断裂韧度和应力腐蚀等性能影响极大。通常氮被认为是有害元素。但在一些特殊场合、特殊用途上开发了某些含氮沉淀硬化不锈钢管件,如美国开发的15Cr-5Ni的含氮沉淀硬化不锈钢管件具有优异的横向韧性和较高的可锻性、耐蚀性,用于制造阀门、齿轮等零件。

6氮强化无Ni医用不锈钢管件

高氮无镍奥氏体不锈钢管件具有优良的综合性能,在许多方面优于316L。目前已有一些研究者提出了高氮的Fe-Cr-Mn-Mo-N奥氏体不锈钢管件用于生物医学,作为人体植入材料,这些材料具有良好的力学性能和耐蚀能力,避免镍元素(医用的奥氏体不锈钢管件要求Ni<0.5%)在人体内析出造成的致敏性及其他组织反应,并且对生物有很好的相容性。高氮无镍奥氏体不锈钢管件的开发应用为医用材料临床应用开辟了新的方向。

7国外部分高氮(N>0.4%)、少镍或无镍不锈钢管件系列。