无镍奥氏体不锈钢的研发动态

奥氏体不锈钢是工业上应用最广泛的不锈钢。在奥氏体不锈钢中，镍是主要的奥氏体化元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，使不锈钢获得良好的强度、塑性和韧性。但镍元素具有潜在的致敏作用，对生物体具有致畸、致癌等危害；且镍是一种贵重的稀有元素，奥氏体不锈钢的生产消耗了大量的镍元素，造成其产品价格居高不下，不利于节约资源型材料。因此发展以其它元素代替镍或减少镍含量的低镍和无镍奥氏体不锈钢不仅有利于降低成本，节约昂贵的战略元素，而且可提高不锈钢的使用安全性，特别是在生物医用领域，开发医用无镍奥氏体不锈钢的任务更为迫切。近年来，无镍奥氏体不锈钢得到了快速的发展。无镍 Cr-Mn-N 奥氏体不锈钢具有高氮含量，在取代镍元素的同时，显著提高了不锈钢的力学性能。经形变细化后冷轧，冷拔和时效处理，无镍 Cr-Mn-N 奥氏体不锈钢的屈服强度可达到 3400 MPa，可制造弹簧，弹簧线圈及高压软管。其中，0Cr19Mn10N0.5钢已大量用于采矿业；0Cr18Mn18N0.6 和0Cr18Mn18N0.9钢以其无磁性、高强韧性、耐腐蚀性应用在电厂发电机定位环取得了良好的效果。我国中科院金属所研制的 00Cr17Mn15Mo2N 新型医用高氮无镍奥氏体不锈钢已经通过了细胞毒性、溶血、致敏反应、急性毒性及遗传毒性等生物学性能检验。

无镍 Cr-Mn-N 奥氏体不锈钢的研发关键在于氮的加入。以氮合金化的钢必须使氮全部溶解在奥氏体中，才能起到稳定奥氏体的作用。对于碳含量小于0.1%的铬锰氮不锈钢，当铬含量大于 16% 时，在无镍的情况下，钢中的含氮量应不少于 0.3% 才能获得完全的奥氏体组织。但是，氮在钢中的溶解度很小，1535℃下氮在钢中时可溶解 0.0394%，在常温下仅溶解 0.015%。因此氮在钢中溶解度问题成为无镍 Cr-Mn-N 不锈钢发展的关键。

采用高压冶金的方法可以有效提高钢中的氮含量，保加利亚发明的高压冶金法制造的高氮无镍奥氏体不锈钢，氮含量可以控制在较高的水平，甚至可以达到 2.1%。但高压冶金法存在成本较高、操作复杂等问题，大规模应用于生产存在一定的困难。目前，含氮钢的冶炼通常采用加压电渣重熔、反压铸造、热等静压熔炼、加压感应熔炼及粉末冶金等方法。我国湖州久立特钢公司采用氩氧脱碳法成功冶炼了 1Cr22Mnl5N 高氮不锈钢，氮含量为0.56%，并生产出热轧圆钢用于海洋建筑物的混凝土结构。

采用高温渗氮工艺可以增加钢表层的氮含量。中科院金属所在加热温度为1200 ℃、保温时间为 24 h、氮气压力在0.2～0.5 MPa 的工艺条件下，在无镍双相不锈钢表面获得厚度在 2.0 mm 以上的渗氮层，表层氮含量达到 1.0% 以上。双相不锈钢通过渗氮发生表面奥氏体转变，获得了组织梯度变化的多相复合不锈钢。采用高温渗氮工艺所得到的高氮奥氏体不锈钢在 0.9% NaCl生理盐水和模拟血浆溶液中具有优异的耐蚀性，在提高强度的同时，伸长率、断面收缩率仍保持了较高的水平。