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不銹鋼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(ao)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(dan)不銹鋼研究開始于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(kai)第(di)一(yi)屆高氮(dan)鋼國際會議(yi)后,相繼在聯邦(bang)德國、日(ri)本、比利時和中國等召開(kai)了(le)12屆,各國的(de)(de)(de)科研人員(yuan)就高氮(dan)鋼的(de)(de)(de)研究與開(kai)發等議(yi)題進行了(le)深(shen)入的(de)(de)(de)交流與探討。高氮(dan)鋼國際會議(yi)的(de)(de)(de)連續召開(kai)極大(da)地推(tui)動了(le)世界高氮(dan)鋼的(de)(de)(de)發展,也進一(yi)步加深(shen)了(le)人們對(dui)氮(dan)在鋼中作用機理的(de)(de)(de)認識。
到(dao)(dao)20世紀80~90年(nian)代,高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)制(zhi)備(bei)技術(shu),特別是(shi)加(jia)壓冶煉設備(bei)取得(de)了(le)長足的(de)發(fa)展,研發(fa)出加(jia)壓等(deng)(deng)離子(zi)電(dian)弧熔煉、加(jia)壓鋼(gang)(gang)包氮(dan)(dan)氣吹洗法、加(jia)壓感應熔煉等(deng)(deng)技術(shu)。1980年(nian)以(yi)(yi)來(lai)(lai),德國(guo)Krupp和(he)(he)VSG(Vereinigte Schmiedewerke GmbH)公(gong)司相繼建成(cheng)了(le)用(yong)于(yu)工(gong)(gong)業化生產(chan)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)的(de)16t和(he)(he)20t 加(jia)壓電(dian)渣爐,其壓力可達(da)4.2MPa,主要通過添加(jia)Si3N4等(deng)(deng)氮(dan)(dan)化合金來(lai)(lai)完成(cheng)增氮(dan)(dan)任務。利用(yong)該技術(shu),德國(guo)VSG公(gong)司分(fen)別于(yu)1975年(nian)、1981年(nian)和(he)(he)1996年(nian)成(cheng)功(gong)研制(zhi)出大型火(huo)力發(fa)電(dian)機護環用(yong)鋼(gang)(gang)P900(18Cr-18Mn-0.6N)、P900-N(18Cr-18Mn-0.9N)和(he)(he)P2000(16Cr-14Mn-3Mo-0.9N)。目(mu)前護環用(yong)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)已在發(fa)達(da)國(guo)家得(de)到(dao)(dao)廣(guang)泛應用(yong)。南非 Columbus Joint Venture(CJV)公(gong)司商業化生產(chan)了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5N,此鋼(gang)(gang)種在強(qiang)度(du)、韌(ren)性(xing)、延(yan)展性(xing)、加(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化能力以(yi)(yi)及耐腐蝕(shi)性(xing)能方面(mian)表現優異(yi)。后來(lai)(lai),瑞士的(de)Nitrofer AG(NAG)公(gong)司改進了(le)19Cr-10Mn-1Ni-0.5Mo-0.5N,研制(zhi)了(le)一(yi)種加(jia)工(gong)(gong)硬(ying)化能力極高(gao),并具有較(jiao)高(gao)的(de)硬(ying)度(du)、良好的(de)韌(ren)性(xing)和(he)(he)優異(yi)耐腐蝕(shi)性(xing)能的(de)高(gao)氮(dan)(dan)鋼(gang)(gang)。
隨著人們對氮(dan)在不銹(xiu)鋼中(zhong)作用(yong)(yong)機(ji)(ji)制(zhi)認識的(de)(de)不斷(duan)深(shen)入,基于以氮(dan)代碳的(de)(de)合金設計(ji)理(li)念,開發(fa)出(chu)一系列(lie)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)高(gao)(gao)氮(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼及耐蝕(shi)(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)鋼。德國(guo)VSG 公司采用(yong)(yong)加壓電(dian)渣(zha)重熔(rong)和(he)精密鍛造技術開發(fa)出(chu)高(gao)(gao)氮(dan)不銹(xiu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼 Cronidur 30(15Cr-1Mo-0.3C-0.4N),具(ju)備(bei)強(qiang)度(du)和(he)硬度(du)高(gao)(gao)、韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)好(hao)、耐腐蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)異(yi)和(he)回火穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)強(qiang)等(deng)特點,其性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)明顯優(you)于目(mu)前航(hang)空航(hang)天(tian)領域的(de)(de)商用(yong)(yong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(M50和(he)M50NiL等(deng)),已應用(yong)(yong)于航(hang)天(tian)飛機(ji)(ji)燃料(liao)泵軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、遙(yao)感衛星(xing)控制(zhi)力(li)矩(ju)陀螺高(gao)(gao)速轉(zhuan)子軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、飛機(ji)(ji)渦輪發(fa)動機(ji)(ji)主軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、起落架(jia)滾珠(zhu)絲杠、直升機(ji)(ji)旋(xuan)轉(zhuan)斜盤軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)等(deng)部件(jian)。奧地利(li)B?hler公司利(li)用(yong)(yong)加壓電(dian)渣(zha)重熔(rong)工(gong)藝,開發(fa)了(le)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)優(you)異(yi)的(de)(de)含氮(dan)M303(0.1%N)、M333(0.1%N)和(he)M340(0.2%N)耐蝕(shi)(shi)塑料(liao)模(mo)具(ju)鋼,其純凈度(du)更(geng)高(gao)(gao),組織(zhi)更(geng)均勻(yun)細小,同(tong)時(shi)具(ju)有(you)極佳的(de)(de)拋(pao)光和(he)耐腐蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)、良好(hao)的(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)、加工(gong)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)以及尺寸穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing),滿足了(le)高(gao)(gao)端耐蝕(shi)(shi)鏡面(mian)塑料(liao)模(mo)具(ju)市場(chang)需(xu)求。
日本(ben)國家(jia)材(cai)料(liao)研究所于(yu)1997年開(kai)(kai)始進行日本(ben)超(chao)級鋼(gang)(gang)開(kai)(kai)發計劃(hua)(STX21)中的(de)“耐海水腐蝕(shi)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)開(kai)(kai)發”工(gong)作,利(li)用復合電極(ji)的(de)加壓(ya)電渣(zha)爐在4MPa下(xia)開(kai)(kai)發出節省資源型(xing)高(gao)性(xing)能耐海水腐蝕(shi)高(gao)氮不銹(xiu)鋼(gang)(gang) 23Cr-4Ni-2Mo-1N。該鋼(gang)(gang)種(zhong)具有極(ji)其優異的(de)耐蝕(shi)性(xing),抗拉強度(du)達(da)到1200MPa以上(shang),延伸率與(yu)SUS 304不銹(xiu)鋼(gang)(gang)相(xiang)當,并且在-196~500℃范圍內具有同樣的(de)特性(xing)。