[發明專利]一種高氮鋼的制備方法

有效

• 申請號: 201510215609.5
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN104862447B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 金青林;陽康
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C21C7/00
• 分類號: C21C7/00;C22C33/04
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技術領域

本發明涉及一種高氮鋼的制備方法，屬于高氮鋼冶煉技術領域。

背景技術

氮合金化對不銹鋼有諸多益處:首先，氮合金化能夠顯著提高不銹鋼的強度，但不降低塑性；其次，氮是強烈的奧氏體穩定化元素，可以減少甚至取代不銹鋼中的鎳，經濟效益顯著；此外，氮合金化還能提高不銹鋼的耐蝕性能。氮含量超過常規熔煉條件下鋼所能達到的上限的鋼(鐵素體基體為0.08%，奧氏體基體為0.4%)稱為高氮鋼，由于氮在奧氏體中的溶解度遠大于其在鐵素體、馬氏體中的溶解度，氮合金化的研究工作更多地是圍繞高氮奧氏體不銹鋼（氮含≧0.4%。目前不銹鋼的氮合金化主要基于高壓熔煉工藝（如：熱等靜壓熔煉、增壓電渣重熔、加壓感應熔煉、高壓底吹氮等）和常壓熔煉工藝（如：氬氧脫碳AOD工藝、添加氮化合金、電渣重熔， 吹氨氣冶煉等）。

針對不銹鋼進行氮合金化， 首先要考慮的問題是如何提高氮含量。奧氏體不銹鋼根據其凝固過程中的相變規律分為四種，其中應用最廣泛不銹鋼例如200系列、300系列均屬于FA型即液相→鐵素體→奧氏體，鋼液從高溫冷卻下來，熔體中的氮溶解度逐漸增大。進入糊狀區后一般先經過“鐵素體區”然后再析出奧氏體。氮在鐵素體中的溶解度遠低于液相和奧氏體中的溶解度，所以鐵素體會向液相中排出氮，造成氮在液相中局部富集。這是造成偏析和氣孔的直接原因，易出現氮偏析、氣孔等鑄造缺陷， 影響后續的軋制、鍛造等產品的質量是不銹鋼氮合金化存在的主要問題。

由于氮在奧氏體中溶解度遠高于其在熔體中的溶解度，因此采用固溶氮化，粉末冶金等基于固態擴散的制備方法以大幅提高奧氏體不銹鋼的氮含量。以固溶氮化為例，該工藝無常壓熔煉的氣孔問題，是生產高氮鋼簡單而有效的方法。但是固溶氮化的滲氮時間長，且滲氮層厚度有限，不適合規模化生產。

綜上，液態條件下進行氮的合金化，由于鐵素體中氮溶解度低，導致凝固過程中存在氮含量偏低且存在偏析，同時易形成氣孔等鑄造缺陷，影響后續的軋制、鍛造等塑形產品的質量；氮在奧氏體中溶解度遠高于其在熔體中的溶解度，固態下進行氮合金化能顯著提高鋼中氮含量且避免常壓熔煉的氣孔問題。但是固溶氮化的滲氮時間長，且滲氮層厚度有限，主要用于表面改性，不適合規模化生產。

發明內容

針對氮合金化的現有技術中存在的缺陷（液態條件下合金化易形成氣泡，固態條件下氮合金化僅局限于表面），本發明提供一種方法能有效防止氮合金化過程中氮偏析及易形成氣孔的問題，達到增氮的目的。

具體包括以下步驟：（1）將奧氏體不銹鋼在真空下加熱至熔化后，充入氮氣，待金屬液中氮達到飽和后開始冷卻；（2）將金屬溶液冷卻到半固體溫度區間內進行保溫，待保溫3-60min 后，隨爐冷卻至室溫。

本發明方法中半固態溫度區間保溫過程，理論上保溫時間越長越好，保溫時間越長氮含量越高，此外，適當的增大熔煉量有利于保溫過程的控制。

本發明方法的中半固體溫度區間為液相線溫度(T_L)以下、固相線溫度(Ts)以上，其中液相線溫度、固相線溫度，以實際用鋼的差熱分析（DTA）為準。

本發明中步驟（1）為常規技術，具體為將奧氏體不銹鋼，放置在熔煉坩堝內，封閉熔煉爐，然后抽真空，抽完真空后將實驗用鋼加熱至熔化，控制鋼液的過熱度，使溫度維持在1500-1550℃（一般不銹鋼的熔點高于1450℃），再充入氮氣作為氮合金化的氮來源，當爐內氮氣壓達到0.1~2Mpa，關閉進氣閥，使金屬液在高壓氮氣氛圍下保溫15-30分鐘，以便氮充分溶解，待金屬液中氮達到飽和后，開始冷卻。

本發明的原理為：在半固態溫度區間內進行保溫，因為氮作為間隙原子高溫條件下在固相（鐵素體和奧氏體）中的擴散系數較大，使得凝固過程更趨于平衡凝固，進而減少氮的偏析和富集，同時有利于氮在奧氏體中達到飽和，

針對Fe-Cr-Mn-Ni系、Fe-Cr-Mn系、Fe-Cr-Ni系合金中的FA型，進行半固態溫度區間保溫可以促進凝固過程中液相直接轉變成奧氏體，提高奧氏體的質量分數，減少和降低凝固過程中鐵素體的析出，甚至能越過鐵素體區而直接形成奧氏體，進而有效的減少氮的偏析與氣孔的形成，提高鋼中的含氮量，增氮效果尤為明顯。

本發明所述方法適用于奧氏體不銹鋼例如200系列、300系列以及Fe-Cr-Mn-Ni系合金的氮合金化，為高氮鋼的制備提供了一種新思路新方法，針對FA型即遵循液相→鐵素體→奧氏體轉變規律的鋼種，效果尤為明顯。

本發明的有益效果為：

（1）促進液相向奧氏體的直接轉變進而降低氮在液相中的濃度富集，減少氣泡形核和析出。