铬－镍－锰－氮奥氏体不锈钢

出处：按学科分类—工业技术 中国科学技术出版社《不锈钢实用手册》第609页（1824字）

Cr－Ni－Mn－N奥氏体不锈钢是20世纪三四十年代开始广泛研究的不锈钢种类。其最初的目的主要是将奥氏体形成元素N、Mn加入钢中，以替代贵重金属Ni，从而节约资源，解决Ni资源匮乏的问题。随着冶金技术的发展，到20世纪六七十年代，加压冶金技术的出现，使得常压下在钢中溶解度很小的N能更多地加入钢中，目前已可以加到2．3%。N加入的主要作用一是显着提升钢的力学性能，二是明显增加钢耐局部腐蚀的能力。

和Cr－Ni奥氏体不锈钢相比，Cr－Ni－Mn－N奥氏体不锈钢最大的区别是大量地加入了合金元素Mn、N，从而带来了一系列的性能变化。N在不锈钢中的加入，之所以引起人们极大的关注，主要跟其在不锈钢中的作用紧密相关。N在不锈钢中的作用很多，其中最主要的体现在三方面：对不锈钢基体组织的影响；对不锈钢力学性能的影响；对不锈钢耐蚀性能的影响。研究表明，N是非常强烈地形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素。据估算，1kgN相当于6～22kg Ni。有关这方面的报道很多，人们提出了许多镍当量的计算公式。在镍当量的计算公式中，Simmons等人提出的较为精确：

Ni_eq=Ni+0．12Mn－0．0086Mn²+30C+18N+0．44Cu

从中可以看出，N对不锈钢基体组织的影响是相当强烈的。N的这种作用使其在不锈钢中可以代替部分Ni，降低钢中的铁素体含量，可以使奥氏体更稳定，防止有害金属间相的析出，甚至在冷加工条件下可避免出现马氏体转变。人们对N在不锈钢中的作用最感兴趣的是其在力学性能方面的表现。很多含氮钢和高氮钢的工作，都是围绕N的这一作用开展的。N对不锈钢力学性能的影响，突出表现为：N在显着提高不锈钢强度的同时，并不降低材料的塑韧性，这为研究高强高韧钢提供了途径。工业用钢表明，N的加入，使不锈钢的强度比不含N的钢提高2～3倍。此外，N也提高不锈钢的抗蠕变、疲劳、磨损能力。大量的实验数据表明：在奥氏体不锈钢中，每加入0．10%的N，其强度(σ_0．2，σb)提高约60～100MPa。N提高屈服强度主要有四个途径：固溶强化；晶粒尺寸效应；形变硬化；沉淀硬化。N对不锈钢耐蚀性能的有益作用表现在耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀。N对晶间腐蚀的影响比较复杂，一般认为，N含量在0．16%以下，对耐晶间腐蚀有益。N对晶间腐蚀的作用机理主要有：N延缓富Cr碳化物的形核和长大过程；降低Cr在钢中的活性；形成氮化铬沉淀，减少Cr的析出。相比之下，N对点腐蚀、缝隙腐蚀的有益作用更为明显。Wirksumme点蚀当量公式很好地表述了氮在这方面的良好作用：

PRE=%Cr+3．3%Mo+16%N

Grabke报道了氮对临界点蚀温度(CPT)和临界缝隙腐蚀温度(CCT)的影响：

CPT(℃)=2．5%Cr+7．6%Mo+31．9%N－41

CCT(℃)=3．2%Cr+7．6%Mo+10．5%N－81

N对点腐蚀、缝隙腐蚀的作用机理主要有：①酸消耗理论：N形成NH₄⁺，降低pH值，阻止阳极溶解，减缓局部酸化，抑制点蚀的自催化过程。②界面N的富集：N在钝化膜／金属界面靠近金属一侧富集，影响再钝化动力学，可迅速再钝化，从而抑制点蚀的稳定生长。③N与其他元素的协同作用：N抑制Cr、Mo等的过钝化溶解，可在局部腐蚀过程中形成更有抗力的表层，提高耐腐蚀能力。

为了提高N的溶解度，Mn元素被大量加入。在节镍奥氏体不锈钢中，Mn是非常重要的合金元素，其主要作用是与强烈形成奥氏体的元素N复合加入到钢中，以节约奥氏体不锈钢中的Ni。Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用。Cr－Ni奥氏体不锈钢中，随着Mn含量增加强度提高。在无Ni的Cr－Mn－N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧脆转变现象。

以Mn、N代Ni的节Ni和无Ni奥氏体不锈钢，其耐蚀性主要取决于钢的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量，而Mn的作用甚微。目前研制成熟的钢种主要有200系列以及Armco公司的Nitronic系列。还有一些钢种也在广泛研究中。