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高氮钢制备过程中氮的行为

张峰  
【摘要】:铁素体基体中氮含量超过0.08%以上(质量分数)或奥氏体基体中氮含量超过0.4%(质量分数)以上的钢称为高氮钢。高氮钢具有很多优点,例如强度高、韧性大、蠕变抗力好以及耐腐蚀性强,等等。然而,大气压力下氮在液态钢中的溶解度很低,高氮钢的冶炼不象其它钢那样容易进行。采取经济有效的方法来冶炼高氮钢一直备受关注。 本文对0.1 MPa氮气氛中Fe-Cr-Mn系合金中氮的溶解动力学、Fe-Cr-Mn系不锈钢固态渗氮过程动力学、高压氮气氛熔炼高氮不锈钢过程中氮的溶解度及溶解动力学、高氮钢加热及重熔过程氮的释放等进行了实验研究,探索了高氮钢熔制和凝固过程中氮的行为及影响因素,为开发高氮钢制备新方法,促进高氮钢的研究和应用提供了依据。 本论文第一章综述了高氮钢的涵义及分类、发展历程、制备工艺、现有钢种及其组织、性能和用途,介绍了在高氮钢制备及焊接过程中氮的行为方面的研究进展。 第二章介绍了氮在液态Fe-Cr-Mn(Ni)系合金中溶解行为的实验结果。在1873 K、0.1 MPa氮气氛中测定了Fe14Cr8Mn、Fe16Cr7Mn2Mo、Fe18Cr8Ni2Mo合金中氮的溶解度,其值分别为0.242%、0.299%和0.226%,氮在液态合金中的溶解符合Sievert定律;在对合金没有搅拌的情况下,测定了1873 K时Fe14Cr8Mn、Fe16Cr7Mn2Mo、Fe18Cr8Ni2Mo合金中氮的传质系数,其值分别为5.72×10~(-3)m/min,6.13×10~(-3)m/min和7.68×10~(-3)m/min。 第三章介绍了1473 K、0.1 MPa氮气氛中Fe-Cr-Mn系不锈钢固态渗氮的实验结果。结果表明,固态渗氮过程中钢中氮的平均质量分数与渗氮时间的平方根成正比,渗氮反应速率受钢的化学成分影响;在1473 K渗氮反应达到平衡时,Fe-Cr-Mn系不锈钢中氮的平均质量分数可用线性关系式表示为:w[N]_(eq)=0.066w[Cr]+0.029w[Mn]-0.608,在本实验条件下,Cr、Mn元素质量分数之和大于20%(质量分数)的Fe-Cr-Mn系不锈钢渗氮12.5h后可以得到含氮量大于0.5%(质量分数)的高氮不锈钢。在1473 K,0.1 MPa氮气氛中渗氮时,钢中氮的平均质量分数随钢中氧的平均质量分数增加而减少,氧的平均质量分数大于或等于0.04%时,实验用钢的渗氮过程很难进行,向氮气氛中添加0.5%(体积分数)的H_2气可以显著提高渗氮速率。0.1 MPa氩气氛中,温度低于1373 K时,Fe15Cr-0.293N钢和Fe18Cr8Mn-0.672N钢没有发现氮的释放;温度高于1373 K时,钢中的氮开始释放,氮的释放速率受钢的化学成分影响。 第四章叙述了加压感应熔炼Fe-Cr-Mn(Ni)系高氮不锈钢的实验结果,在1913 K、1.0 MPa氮气氛中测定了Fe12Cr、Fe19Cr15Mn、Fe20Cr8Mn和Fe17Cr5Mn5Ni不锈钢中氮的溶解度,其值分别为0.391%、1.120%、0.899%和0.692%,实验发现1913 K、1.0 MPa氮气氛中氮在液态不锈钢中的溶解与Sievert定律有所偏离;氮在液态不锈钢中的传质系数受钢中表面活性元素氧、硫的影响,随钢中氧浓度的增加,液态钢的吸氮速率以及钢液中的平衡氮含量显著降低,本实验条件下,氧浓度在350×10~(-4)%内,1913 K、1.0 MPa氮气


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