原標題：【與不銹同行】奧氏體和雙相不銹鋼多為含氮鋼（上）

　　奧氏體不銹鋼的應用量約占不銹鋼的70%。如壓力容器類的設備，由于要求耐壓、耐蝕、耐高溫或耐低溫，設備制造中要求變形、焊接，且多要求在制造狀態應用，因而采用奧氏體不銹鋼的比例更要超過一般不銹鋼設備。雙相不銹鋼近年來的發展很快，應用量明顯增加。含氮鋼基本上都包括在奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中。表1中統計了主要的不銹鋼牌號標準和壓力容器標準中所采用的奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼牌號中含氮鋼牌號數量所占的比例。

　　在已列入各國正式的不銹鋼標準中的超級奧氏體不銹鋼和超級雙相不銹鋼（PRE≥40）22種牌號中，除NO8366外，21種牌號均為氮含量0.1%～0.6%的牌號。EN13445:2009中推薦可用至－273℃（絕對零度）的十種奧氏體不銹鋼全部為含氮鋼。

　　1.2奧氏體與雙相不銹鋼采用含氮鋼的可能性

　　1）氮要成為不銹鋼中的合金元素，首先是氮應具有一定的進入不銹鋼熔化液相中的能力。氮在熔化鋼液中具有較高的溶解度。凝固成固相后，奧氏體相在固溶處理溫度具有較高的溶解度。奧氏體不銹鋼在固溶處理后基本上全部或絕大部分均為奧氏體相，可以溶入較多的氮。雙相不銹鋼在固溶處理后也有約一半為奧氏體相，也能溶入較多的氮。這是這兩類不銹鋼可能采用含氮鋼的基本原因。鐵素體不銹鋼在高溫退火溫度時，氮的溶解度很低。如在含鉻26%的鐵素體不銹鋼中，溫度在927℃以上時氮的溶解度僅為0.023%，593℃時僅為0.006%。因而鐵素體不銹鋼不可能采用含氮鋼。馬氏體不銹鋼高溫快冷后為馬氏體，馬氏體與鐵素體一樣同屬體心立方晶格，氮的溶解度也很低，一般也不用含氮鋼。再加上馬氏體不銹鋼本身耐蝕性偏低，焊接性能差，焊接構件本來就少用。馬氏體沉淀硬化不銹鋼基體亦為馬氏體，對氮的溶解度也很低。

　　1.3奧氏體與雙相不銹鋼廣泛采用含氮鋼的必要性

　　2）在奧氏體不銹鋼中，奧氏體中的氮含量即為鋼中的氮平均含量。而在雙相不銹鋼中，奧氏體相中的氮含量約為鐵素體相中的氮含量的10倍，約為雙相鋼中平均氮含量的1.8倍。而奧氏體相中的鎳含量僅約為鐵素體相中鎳含量的1.67倍，僅約為雙相鋼中平均鎳含量的1.25倍。因此在雙相鋼中氮對奧氏體相的奧氏體形成和穩定能力與鎳相比較，由于氮的兩相分配系數為0.1，而鎳為0.6（見表5），因而氮在奧氏體相中的增加量比鎳高得多，致使氮對奧氏體相的奧氏體形成與穩定作用要明顯高于鎳的作用，這使含氮雙相不銹鋼與非含氮雙相不銹鋼相比，在焊接高溫熱影響區基本能避免產生性能很差的單相鐵素體區，含氮成為關鍵因素。據此，1971年以后研發的雙相不銹鋼全為含氮鋼。

　　4）合金元素固溶于奧氏體基體有固溶強化、提高強度的作用。不銹鋼中的合金元素在基體中的溶解形式可分兩類，一為原子直徑較小的元素如碳、氮等插入型溶解元素，溶質以插入到基體的原子間隙中的形式，造成晶格的歪扭畸變與位錯較大，固溶強化的作用較大。一為原子直徑較大的金屬如鉻、鎳、鉬等為置換式溶解，固溶強化的作用較小。在耐蝕不銹鋼中碳的含量應較低，固溶強化的作用不太明顯，耐熱不銹鋼才考慮較高的碳含量。氮在奧氏體不銹鋼中的溶解度比碳高，氮含量常比碳高，因此氮在奧氏體不銹鋼中的固溶強化作用很強，可顯著提高強度。每加入0.1%的氮可使鉻鎳奧氏體不銹鋼的室溫抗拉強度和屈服強度提高約60～100MPa。如304LN的RP0.2保證值要比304L高約20%，而伸長率的保證值均為40%。因此含氮鋼可提高強度，節省材料。

　　2、氮在不銹鋼中的溶解度與含量

　　2.1氮在鐵素體不銹鋼中的溶解度

　　2.2氮在奧氏體不銹鋼中的溶解度

　　1）氮在奧氏體相中的溶解度最高，熔化液相中其次，鐵素體中最低。

　　3）由于奧氏體相在固溶處理溫度時氮的溶解度明顯高于氮含量，冷卻時要冷到氮含量高于溶解度的溫度后，才能析出氮化物，因而析出較慢。

　　式中，LLPN2為氮分壓，氮分壓為一個大氣壓時按1計；

　　［Cr］為鋼液中鉻的百分含量；

　　當提高熔煉爐中鋼液表面氣氛的氮分壓時，可以提高鋼液中氮的溶解度。如當奧氏體鋼中鉻含量為25%時，鋼液中氮的溶解度上限約為0.4%～0.5%。如能提高冶煉氣氛中的氮分壓，在壓力下冶煉與澆注，可以煉出氮含量0.4%～0.5%以上的奧氏體鋼。實際上現在氮含量達到0.8%～1.0%的高氮奧氏體不銹鋼已開始工業化。

　　圖2為18Cr-Ni-N奧氏體不銹鋼在900℃時的相平衡圖。由圖2可見，18-8鋼在N≥0.23%時才析出Cr2N，此時氮的溶解度約為0.23%。

　　雙相不銹鋼中有奧氏體和鐵素體兩種基體相，兩相的體積比各占一半時具有最佳的綜合性能。氮在奧氏體相與鐵素體相中分別的溶解度與前述奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼中的溶解度分別類似。不存在雙相不銹鋼統一的溶解度。雙相不銹鋼的化學成分是指鋼的平均成分。但合金元素在奧氏體相和鐵素體相中含量的分配是不同的。鐵素體相中會富集鐵素體形成元素；奧氏體相會富集奧氏體形成元素。某合金元素在鐵素體相中的含量與該元素在奧氏體相中的含量之比值稱為雙相不銹鋼中該元素在兩相中的分配系數。合金元素對在固溶狀態（1040～1090℃）的大多數雙相不銹鋼中兩相的分配系數是相似的。主要合金元素的分配系數見表5。

　　雙相不銹鋼中的氮含量上限與奧氏體不銹鋼一樣取決于熔煉液相中氮的最大溶解度。鉻、鉬含量可提高溶解度；碳、鎳含量可降低溶解度。現代雙相不銹鋼鉻、鉬含量高，碳含量基本上均為超低碳（C≤0.03%），鎳含量常為奧氏體不銹鋼的三分之一或四分之一。因而雙相不銹鋼熔煉液相中氮的溶解度并不比奧氏體不銹鋼低。即雙相不銹鋼的氮含量上限并不比奧氏體不銹鋼低。標準牌號S33207的氮含量為0.40%～0.60%。

　　前已提及，為達到更好的性能，奧氏體不銹鋼中溶入更多的氮量是有利的（指固溶狀態）。而鐵素體不銹鋼中應盡量降低氮含量才有利。固溶后雙相不銹鋼中的奧氏體相中的溶解氮含量要明顯高于奧氏體不銹鋼中的溶氮量（約高一倍），使雙相不銹鋼中的奧氏體相具有更好的性能。而雙相不銹鋼中鐵素體相中的氮含量僅為鋼材平均氮含量的18%。

　　3、不銹鋼按氮含量的分類

　　不銹鋼的標準化學成分中，如不標明氮含量，則將氮當作雜質，為非含氮不銹鋼，一般應控制N≤0.04%。有些鐵素體不銹鋼標明氮含量應不超過0.015%、0.02%、0.03%等，均屬非含氮不銹鋼。

　　中國20世紀的不銹鋼標準中沒有采用控氮型奧氏體不銹鋼。在GB/T208782007（牌號）中有6個牌號，GB/T42372007和GB/T32802007（板）中各有12個牌號，GB245112009（承壓板）中有5個牌號采用了控氮鋼，規定N≤0.10%。其他管、棒、鍛件標準中均未采用控氮鋼。

　　中氮型奧氏體不銹鋼含氮量為0.10%～0.4%（或0.6%）。0.4%（或0.6%）為常壓下冶煉的奧氏體不銹鋼熔煉液相中氮的最大溶解度（與成分有關）。中氮型奧氏體不銹鋼可在常壓時冶煉與澆注。一般鉻含量為18%的中氮型奧氏體不銹鋼的氮含量多在0.1%～0.25%的范圍，如304N、304LN、316N、316LN、317LN等。高鉻、錳、鉬的牌號由于氮的溶解度較高，氮含量可高些。中氮型奧氏體不銹鋼在含氮奧氏體不銹鋼中為最能發揮含氮鋼有利作用的類型。超級奧氏體不銹鋼基本上均為中氮鋼，主要因其有著優異的耐蝕性能，同時具有較高的強度。

　　3.5含氮雙相不銹鋼

　　20世紀30年代即開始發展與應用雙相不銹鋼，特點是鋼中不含氮。如329、654（1Cr17Ni11Si4AlTi）、3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2）等，稱為第一代雙相不銹鋼。由于焊接接頭的焊縫區特別是近熔合線的高溫熱影響區易出現單相鐵素體組織而使性能嚴重劣化，沒有在焊接構件中獲得較多應用。1971-1989年，由于加入了0.1%～0.25%的氮，基本解決了焊接區易出現單相鐵素體的問題。典型牌號為2304（00Cr23Ni4N）、2205（00Cr22Ni5Mo3N）、329J1（00Cr25Ni5Mo2N）等，使雙相不銹鋼得到較廣泛的應用，稱為第二代雙相不銹鋼。

　　大明鋼鐵網材料與加工組整理

　　[2]陸世英等，不銹鋼，原子能出版社，1995

　　[4]陸世英，超級不銹鋼和高鎳耐蝕合金，化學工業出版社，2012

　　[7]黃嘉琥、付逸芳，耐點蝕當量（PRE）與壓力容器用超級不銹鋼，壓力容器，2013，30（4），41～50

　　[9]黃嘉琥，壓力容器材料實用手冊特種材料，化學工業出版社，1994

　　SELECTION新聞精選