用氮进行合金化的方法有很多,如添加含氮中间合金以及对熔体加压等。在发展初期,高氮不锈钢的冶炼方法中最为需要的就是加压,这种冶炼方法很大程度上依赖工艺设备,如果工艺设备没有办法满足生产工艺要求,那么这就造成高氮不锈钢管没办法进行大批量生产。近年来国内外的不断研究,到现在为止,常用的加压冶炼方法包括:热等静压、加压感应炉、加压电渣重熔、加压等离子熔炼法等方法。采用加压熔炼法生产的高氮不锈钢管氮含量可达1%以上,氮每种加压冶◥炼方法不同程度上都存在一些问题,而常压冶炼却不需要加压,成本节少很多,同时也避免了一些危险。凝固状态下氮合金化的方法有粉末冶金,固体吸氮或渗氮等。针对高氮不锈钢冶炼的各种问题,国外的╳一些国家,如德国,乌克兰,保加利亚,奥地利,日本和许多其他国家,研究出了不同的压力的熔炼设备,对高氮不锈钢管加压冶炼方面的发展起到了很大的推动作用。

目前一些国家已经在高』于6MPa的氮气压力下(实验室研究甚至达到了10MPa)冶炼出的高氮不锈钢管中氮元素含量高达1%

多年来的不断研究发展,目前用加压冶炼技术生产高氮不锈钢管的方法有:热等静压∏法,加压感应炉熔炼法,加压电弧渣重熔,加压电渣重熔,加压等离子发以及大熔池发等各种方法。但是通过各方面综▽合比较而言,加压冶炼高氮不锈钢管存在很多难题,比如设备复杂,高压气体特别危险,成本高并︻且生产工艺设备比较难以控制等等,所以这就限制了加压冶炼方法的推广,人们转而寻∑求能不能再常压下冶炼出高氮不锈钢管,常压下冶炼成本低,危险系数下,采用普通的感应炉就能够完成,因此常▲压冶炼收到个国内外研究学者的关注。

目前国内外常用的常压冶炼方法有:

1)向AOD熔池池底吹入氮气,通过氮气的不断上升与四溢,来达到氮气与合金的充分结合。

2)通过调整合金成分来▂冶炼,也就是说在熔炼过程中将一些中间合金如CrNMnNFeCrNSi3N;等加入到冶炼的熔池当中。目前,国内大多数不锈钢冶炼方法是使用第一种生产方法。但是常压冶炼也存在难题,常压下冶炼出的高氮不锈钢管中的氮含々量低,属于中低氮不锈钢,想要生产氮含量高的高氮不锈钢管是很难的,尽管高氮奥々氏体◥不锈钢有氮含量高达0.7%的报道,但还是缺乏添氮和控氮方面的经验。

针对上面提到的各种常见的高氮不锈钢管制备方法,下面简单介绍一下:

1.加压感应炉熔炼法

这种冶炼方法的前提是氮压力高,氮通过不断搅拌钢液,使得◥钢液发生对流作用,从而能够加快氮的溶解并缩短时间。在1962年和1963年,国外学者在实验室规模大小的情况下进行加压感应炉方法冶炼不锈钢。钢在加压感应炉中通过气相作用来进行高氮合金︼化的,气相与熔融金属相接触的界面发生N2-2[N]反应,感应⌒炉内的氮气压力大小、氮气与熔体接触时间的长短以及接触面积大小决定着钢的吸氮量。1999年,日本把50kg的大气感应炉改造(坩塌和线圈安置在一个不锈钢容器内,密封保护),然后把氮气通入不锈√钢容器,容器内的能够压力达到4×105Pas,通过感应炉的改造,冶炼出的不锈钢所含的氮含量能够高达0.8%以上,且没有气泡缺陷。但是这种方◢法并没有工业化,仅仅适用于实验室制备高氮不锈钢管

2.加压电渣重熔法

目前,在商业上生产高氮不锈钢管的最有效方法是加压电渣重熔法0。在改革开放初期1979年,Krupp公司和Inteco公司联合建造一台生产直径长达1000mm,重量约14.5t,最大工作压力能够达到42个大气压的工业规模的加压电渣重熔设备,并在1980年进行使用,为世界上规模生产高氮不锈钢管锭提供了一个模范典例设备。本机在ζ 低频下工作,是首次在世界上能够生产全尺寸的高氮不锈钢管锻件。但是随着高氮不锈钢管的不断发展,一台新的压力ESR设备应用而出,代替了这一台设备。ESR设备能够生产的铸锭重量比其更重,约20t,直径也是1000mm,也在低频下工作。同一时期,一个能够生产7t,直径达640mm的眼里ESR设备由德国一个公司建成。但是这种【压力ESR设备的缺点是氮必须是在重熔时添加颗粒细小的氮合金获得,而不能从氮气氛中直接获得,这样就很大程度上浪费成本。为了解决这「一问题,Paton提出了一种新方法,这就是压力弧渣重熔方法。这种冶炼工艺可以直接从氮气氛压中提取氮,从而制备含氮量高的钢。

高压电←渣重熔方法是制备高氮不锈钢管的一种▆有效方法,但也有许多弊端:1)本钱高;2)为了制备成分均匀的高氮不锈钢管,二次熔炼是必要的;3)当采用添ω加氮合金来提高氮含量时,一些合金元素也会随之进入到钢液当中,这会一定程度上影响钢的性能;4)制备出来的高氮不锈钢管产品合格率∞低;5)该工艺仅能生产一些相对形状简单的产品,那些成品形状的产品则不适用于ω 这种方法。

3.高压等离子法

高压等离子法的热源是等离子弧,利用热源来冶炼高氮不锈钢管。等离子体则是由这◆些自由电子、正离子、没有经过电离的气体原子以及分子组成,物理性质比较特殊,成为除去气体、液体和固体之外的第四态。宏观下等离子体是电中性,但是在外电场中,它导电、导热性能良好,是一个很好的︾高温热源。Torkhov等人通过加压等离子电弧设备制备出了25Cr16Ni7Mn0.6N钢,炉内是氩、氮气的混合气体,大小能够达到0.4MPa,氮气分压占四分之三叫。Siwka等人在1999年发现,用等离卐子体渗氮获得的钢中氮含量比气体渗氮获得的钢中氮含量要高,并且如果把精炼渣添加到钢液表明能够很大程度的提高氮的饱和度;而且如果仅利用等离子电弧进行氮合金∑ 化制备的钢锭中氮不能均匀混合。

4.热等静压法

热等静█压法和压力熔化的方法基本上是相同的,属于高氮不锈钢管的实验室制备方法,其方法和压电渣重熔相同。热等静压法制备过程中△影响N含量变化的因素主要有:炉内熔体的温度、气相与熔体结合界面表面积的大小、氮分压、对流强度大小和钢中其他合金元素对氮溶解度〖大小的影响。但是这种方法生产的钢中容易出现氮化物沉←淀,因而也不能进行工业化生产。

5.粉末冶金法

含氮粉末的成形是高氮不锈钢管的粉末冶金的【方法制备的关键。目前国内外制备高氮不锈钢管的方法有以下几种:1)首先制备含氮粉末,然后∴通过各种传统成形工艺压制而成;2)在烧结过程中对不含氮的不锈钢粉末压制成的产↓品进行氮化处理;3)其吸氮处理时在不锈钢粉末压制和烧结时进行的,从而制备高氮不锈钢。粉末冶金制备出的高氮不锈钢不仅可√以获得过饱和固溶体而且析出相细化,并且粉末冶金制备高氮不锈钢管需要的成本低,材料少等特点。很多研究※表明,粉末冶金方法制备出含氨量高的产品希望很高,所以粉末冶金◥制备高氮不锈钢管获得各国的重视。但是,粉末冶金生产不锈钢也有一定弊端,粉末中氮化物的硬度高,压制过程中比较难以■压制成型,压制出来的产品性能也比较差。为了解决这个难题,国内外专家进行了很多研究。HiranoKawai用热等静压法先把高速钢粉末压成形,然后通①过各种锻造、轧制和其他手段制备出高氮不锈钢管;而Simmons则是通过把高氮不锈钢管粉末状在钢管内密封并压实,将钢管断口密封,然后把钢管】加热到固溶温度保温一段时间,再热挤压成所需要的各种尺寸;304奥氏体不锈钢这是采用类似的粉末压制方法制备而成。显而易见,不管是使用怎样的粉末压制方法,所需要使用的设备都是比较贵重◎的,而且其工艺过程也是很复杂的。国内的周灿栋等人采用粉末锻造⊙工艺,制备出含氮奥氏体不锈钢,相对密度达到99%,拉伸性能与其他方法制备出的高氮不锈钢管相当。这种工艺过程简单〗且易于操作,所使用的设备也不贵,所以在工业生产中比较适合。

另外,还有常压感应冶炼和固体渗氮法也可制备高氮不锈钢管