您所在的位置:首页 > 不锈钢知识 > 不锈钢管 > 正文

氮在不锈钢管中的存在形式与影响

作者:admin 来源: 日期:2020/4/26 5:02:58 人气:28

含氮不锈钢管是指加入一定量氮元素的不锈钢管,因其明显提高不锈钢管的强度及耐蚀性,在有些场合可起到减少甚至代镍的作用。当今含氮不锈钢管受到关注,成为了冶金和材料研究领域一项前沿技术,现已大量用于化工、食品、航空航天、海洋平台、医疗器械和医用植入材料等领域。目前含氮不锈钢管可大致分为低氮型(N<0.4%)和高氮型(N>0.4%)两大类。一氮在钢中的作用总体来说:氮在不锈钢管中提高屈服强度的主要途径有固溶强化、晶粒细化及氮化物弥散强化;在提高强度的同时,并不降低塑韧性;此外,还提高蠕变强度、疲劳强度和抗磨损能力;另外,还能提高抗腐蚀性。

1)固溶氮对组织结构的影响

氮与碳相似,是形成间隙相的主要元素,在奥氏体不锈钢管中,氮大部分固溶在奥氏体中,在铁素体中很少;在铁素体-奥氏体双相不锈钢管中,氮在两相的分配因数为0.23~0.25。氮是扩大奥氏体区和具有稳定奥氏体的作用,相当于镍的25倍左右(Nieq=Ni%+0.5Mn%+30C%+25N%)(不同文献有不同的报道,从13.4至30倍)。在常规的188奥氏体不锈钢管中,会有少量的铁素体存

在,随着碳量的提高,铁素体量将增加;而加入氮以后,随氮量的增加,可以减少铁素体量的增加;另外,可弥补由于降低碳量而造成对组织带来的不利影响,氮可使铁素体的形态由网状、长条状向短棒状、孤岛状转变,从而减少网状铁素体对奥氏体不锈钢管强度和塑性的不利影响。

2)金属氮化物及其弥散现象

在奥氏体不锈钢管中,存在弥散氮化物—Cr2N,氮延缓M23C6及金属间化合物析出;在含Ti、Nb钢中,会存在TiN、NbN、Cr3Nb3N、CrNbN等氮化物;在含Mo双相钢中,有很大比例氮以MoN、Mo2N2Cr的氮化物形式存在于奥氏体基体中;在马氏体不锈钢管中,氮是马氏体中主要的间隙元素,对马氏体相变和性能起决定性作用。氮在马氏体不锈钢管中,与其他元素形成氮化物分布于晶界上,能防止晶粒长大,提高硬化能力。

2氮在不锈钢管中的有益作用

(1)氮是奥氏体形成元素,在一些钢中作为有益元素加入,能显著提高力学性能和耐蚀性。

(2)氮作为合金化元素,在各类不锈钢管和耐热钢,可以取代并节省Ni。

(3)氮是固溶元素,以间隙原子形式产生固溶强化,显著提高钢的强度,每0.001%N可增加6MPa强度,并基本上与工艺条件无关。这种作用要超过其他间隙元素。如固溶态下,一般奥氏体不锈钢管的Rp0.2约200MPa,含0.5%N的不锈钢管Rp0.2达500MPa,0.9%N的Rp0.2达800MPa。而同时韧性不明显降低。

(4)铁基体与氮化物的界面能小于铁基体与碳化物的界面能。因此氮化物更易形成弥散细小的强化相。钢的含氮量及温度对晶粒大小有影响,随氮量的增加,晶粒细化作用将更大,低温下更有效,高温下氮的这种作用变小,甚至消失。总之,氮在不锈钢管中主要通过固溶强化、晶粒细化及氮化物弥散强化途径来提高、改善钢的性能。

(5)再者,氮的加入可改善奥氏体不锈钢管的耐一般腐蚀、点蚀、应力腐蚀和晶界腐蚀能力。氮合金化能促进奥氏体不锈钢管表面富氮钝化膜的形成,并抑制碳化物的析出,从而可降低晶界腐蚀的敏感性;Cr2N的析出所造成的晶间腐蚀也不如Cr23C6析出所造成的晶间腐蚀显著。

(6)氮具有很强的抗点蚀能力,约是Cr的30倍,与Mo元素一起相互作用可显着提高抗点蚀性能,且抗点蚀性能随氮含量的提高而显着提高。如含氮0.3%~0.6%的高氮钢X2CrNiMnMoNbN251854(UNSS34565)具优异的耐腐蚀性能,在固溶态下特别能耐各种氧化性或还原性酸的腐蚀,即使这些酸受到卤化物的污染影响也不多。

3氮在钢中的有害作用

通常钢中氮是在炼钢过程中随炉料进入,或钢水可从炉气中吸入。如将含氮量较高的钢从高温急冷后,得到氮在αFe中过饱和固溶体(N在αFe中最大溶解度在591℃为0.1%,随温度的下降,溶解度急剧下降,而在室温下<0.001%),在室温下长期放置或稍高温度加热时,氮会逐渐以氮化铁形式从αFe中析出,使钢变脆(强度硬度升高、塑韧性下降),俗称时效。另外,氮还会与钢中的Ti、Al等元素形成脆性夹杂物,聚集在晶界上,影响疲劳性能。早期普遍认为加入少量的氮对钢的有利作用不明显,相反对冲击韧度、塑性存在不利影响,这些也阻碍了人们对氮应用的重视。