利用粉末冶金技术生产高氮钢成热点

发布时间：2013/6/24 0:16:47

一般认为，基体组织为奥氏体且含氮量超过0.4%，或基体组织为铁素体且含氮量超过0.08%的钢才可称为高氮钢。在常压下，氮在钢中的溶解度非常低，加入很困难。同时，在高压下熔炼的技术难度大，熔炼铸造的设备又十分复杂和昂贵，因此限制了高氮不锈钢的发展。随着AOD炉外精炼技术的工业应用，使得氮的加入和控制问题得到了一定程度的解决，也促进了高氮不锈钢的发展。同时，随着资源短缺问题的日益突出，高氮不锈钢再次成为研究的热点。

粉末冶金技术：提高性能成本较低

利用粉末冶金技术生产高氮钢，可以通过非平衡方法获得过饱和的含氮固溶体和细小沉淀相，提高材料的性能，可以直接制备出形状复杂的零件而无需后续机加工，其成本比高压熔炼法低。

常压下氮在钢液中的溶解度低，且在凝固的过程中经过氮溶解度更低的δ-Fe区。为了抑制钢中氮在凝固过程的析出，通常采用提高氮分压的手段来提高钢中的氮含量。因此高压冶金技术被开发出来，以大规模制备高氮不锈钢，但是这些高压设备复杂且费用比较高。由于氮在固态奥氏体中溶解度要比氮在熔体中的溶解度大得多，因此可以在一定的温度下通过固态钢渗氮来提高钢中氮的含量，粉末冶金就是利用这个原理来制备高氮含量的合金粉末。粉末冶金法可在较低的氮压力和温度下完成合金粉末氮化。

采用机械合金化（MechanicalAlloying）制备高氮不锈钢粉末是粉末冶金取得突破性进展的新技术之一。其基本原理是粉末在氮气气氛的高能球磨机中经过反复塑性变形、冷焊、破碎、细化，氮与粉末发生扩散和固态反应形成高氮含量、晶粒细化的过饱和固溶体。近几年来，大量的研究者利用机械合金化手段，在氮气气氛下制备超饱和氮的高氮钢粉末。制备的高氮钢粉末通过粉末冶金成型技术制备成高氮钢产品。在纯铁和Fe-18Cr-8Ni中采用机械合金化手段可以制备出氮含量超过1%的高氮钢粉末。墨西哥学者采用机械合金化的手段制备出高氮纳米不锈钢Fe18Cr11MnN，合金粉末经过144个小时的机械合金化后，其中的固溶氮含量可达5%，晶粒尺寸均在10nm以下。

目前，国内外采用粉末冶金法生产高氮不锈钢主要有以下几种方式：*种是通过各种途径先制得高氮不锈钢粉末，然后用模压烧结、粉末锻轧等传统粉末冶金成形技术加工成高氮不锈钢产品；第二种是将不含氮的不锈钢粉末用注射成形等方式加工成坯后，在烧结过程中进行氮化处理；第三种是将制备高氮不锈钢粉末和后续烧结工艺中进行吸氮处理二者相结合制备高氮不锈钢。

用粉末冶金技术生产含氮材料有如下优点：粉末冶金材料的晶粒很细而造成Hall-Petch（霍尔-佩奇）强化等效应。它还含大量细小沉淀物，可通过弥散和沉淀强化提供很高的性能。若用高氮钢水制粉，通过快速冷却，可使材料中含有过饱和的间隙氮。利用粉末冶金制备高氮不锈钢与高压冶金相比，投资规模小。

国外一直热衷于对高氮不锈钢的研究，并且取得了丰富的成果。关于高氮不锈钢的基础研究、性能研究、使用性能如焊接性能研究和新材料的开发都有了新的发展，并且发展速度相当快。