一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法与流程

本发明涉及一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法，属于高氮钢冶炼技术领域。

背景技术：

氮合金化对不锈钢有诸多益处:首先，氮合金化能够显著提高不锈钢的强度，但不降低塑性；其次，氮是强烈的奥氏体稳定化元素，可以减少甚至取代不锈钢中的镍，经济效益显著；此外，氮合金化还能提高不锈钢的耐蚀性能。氮含量超过常规熔炼条件下钢所能达到的上限的钢(铁素体基体约为0.08%，奥氏体基体约为0.4%)称为高氮钢，由于氮在奥氏体中的溶解度远大于其在铁素体、马氏体中的溶解度，氮合金化的研究工作更多地是围绕高氮奥氏体不锈钢展开。目前不锈钢的氮合金化主要基于液相渗氮工艺和固溶渗氮工艺。

针对不锈钢进行氮合金化，首先要考虑的问题是如何提高氮含量。一般的液相渗氮中，通过加压能使溶入的氮达到较高的含量，但在随后的冷却过程中，由于冷却速度较慢，固态相变过程中会经过“铁素体肼”区域，使已经溶入的氮气再次逃逸出来，并在铸锭中形成气泡。而在固溶渗氮中，氮含量虽然较高，但渗氮时间长，一般长达几小时到几十小时。

技术实现要素：

针对氮合金化的现有技术中存在的缺陷，液态条件下合金化易形成气泡，固态条件下所需时间长，本发明提供一种方法能迅速提高氮含量，并有效防止气孔形成的问题，达到增氮的目的。

一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法使用的设备为高压/真空感应区域熔炼炉，包括炉盖1、感应线圈4、样品架6、牵引装置7、炉底8、下锁紧圈9、炉体10、上锁紧圈11、充气口12、压力表13、排气口14，炉底8、炉体10、炉盖1从下往上依次设置，炉底8与炉体10连接处设有下锁紧圈9，用于紧固连接炉底8与炉体10，炉体10与炉盖1连接处设有上锁紧圈11，用于紧固连接炉体10与炉盖1，炉盖1上还设置有压力表13、排气口14，排气口14设置在炉盖1顶部，感应线圈4、样品架6设置在炉体10内部，感应线圈4设置在样品架6中间并固定在炉体10内壁上，感应线圈4外接加热电源，牵引装置7从底部穿过炉底8后与样品架6的下端连接，牵引装置7顶部连接不锈钢原材料试样5，不锈钢原材料试样5底部设置在样品架6下端，不锈钢原材料试样5从感应线圈4中间穿过。

一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将不锈钢原材料试样5两端装夹在高压/真空感应区域熔炼炉的样品架6上下两端并从感应线圈4中间穿过，装上后不锈钢原材料试样5顶端距感应线圈约30mm，盖紧炉盖1，锁紧高压/真空感应区域熔炼炉的上锁紧圈11，将炉盖1与炉体10紧密连接闭合，开启真空泵抽真空至炉内真空度不高于100pa；

（2）往炉内充入氮气至压力为1.0×10⁵pa~1.0×10⁶pa；

（3）打开感应线圈4的加热电源将感应线圈4加热，将接近感应线圈4的不锈钢原材料试样5加热至温度为1450℃~1650℃后使不锈钢原材料试样5在熔区3熔化，熔化后的钢液在感应线圈4的电磁力作用下悬浮于感应线圈4上方，钢液的悬浮高度距离熔断截面1mm~20mm，氮气在高压条件下溶解进入钢液中；

（4）启动牵引装置7带动不锈钢原材料试样5竖直向上移动，移动牵引速度为10~100mm/min，使不锈钢原材料试样5从上至下逐渐穿过感应线圈4，并保持感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5在熔区3处于熔化状态，氮气在高压作用下迅速溶入熔区3中的钢液，牵引装置7向上移动的过程中，带动样品架6向上移动，钢液离开熔区3的高温范围后在样品架6上端凝固形成高氮钢试样2，感应线圈4上方的钢液在已凝固的高氮钢试样2牵引下，不断粘接到高氮钢试样2下端，并迅速凝固，钢液中氮含量的提高使钢液直接转变为奥氏体，从而获得高氮奥氏体不锈钢。

本发明方法中使用红外测温仪测量熔区的温度，理论上实验温度越接近液相线温度越好，因为实验温度越靠近液相线温度，金属液在离开熔区后越容易凝固，而且越靠近液相线，金属液中氮的饱和溶解度越高，但限于温度的控制只能通过调节感应线圈4的加热功率，相对不易，可在高于液相线温度即熔点20~200℃进行实验。

本发明的原理为利用悬浮熔炼技术，增大氮气同钢液的接触面积，使氮气更易迅速进入试样中，在高压氮气氛围下，提高氮在金属液中的饱和溶解度，利用区域熔炼中固液界面前沿稳定移动的技术，使氮元素全部保存于金属熔体中，液相中较高的氮含量使液相在凝固过程中不经铁素体区直接转变为奥氏体，从而有效制备高氮奥氏体不锈钢。利用悬浮熔炼在高压下进行高氮奥氏体不锈钢的制备，可以促进凝固过程中液相直接转变成奥氏体，提高奥氏体的质量分数，越过铁素体区而直接形成奥氏体，提高钢中的含氮量，增氮效果尤为明显。

本发明的有益效果为：

（1）采用悬浮熔炼结合区域熔炼技术，利用了区域熔炼中连续送料技术，解决了悬浮熔炼中只能熔炼少量试样的问题。

（2）利用高压条件下氮在液相中的高溶解度，使更多的氮溶入钢液中。

（3）利用区域熔炼中，固液界面前沿移动的可控性，使氮在液相中达到饱和，最终使液相完全转变为奥氏体。

（4）只有位于感应线圈附近很小的一个区域被熔化，熔体被拉出熔区后迅速凝固，能够有效防止氮的逃逸。

（5）本方法适用于奥氏体不锈钢的氮合金化，为高氮钢的制备提供了一种新思路新方法，尤其针对凝固模式为液相→奥氏体转变规律的钢种，效果尤为明显。

（6）本方法工艺简单，可以获得优异的增氮效果。

附图说明

图1是本发明所用设备结构示意图；

图2是本发明实施例1cr10mn9ni0.7奥氏体不锈钢的相图；

图3是本发明实施例1获得的高氮奥氏体不锈钢的显微组织；

图中，1-炉盖；2-高氮钢试样；3-熔区；4-感应线圈；5-不锈钢原材料试样；6-样品架；7-牵引装置；8-炉底；9-下锁紧圈；10-炉体；11-上锁紧圈；12-充气口；13-压力表；14-排气口。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。

实施例1

本实施例是在高压/真空感应区域熔炼炉中进行，合金选择cr10mn9ni0.7奥氏体不锈钢，其液相线温度即熔点为1430℃，成品化学成分质量百分配比如下表：

本实施例使用的设备高压/真空感应区域熔炼炉，如图1所示，包括炉盖1、感应线圈4、样品架6、牵引装置7、炉底8、下锁紧圈9、炉体10、上锁紧圈11、充气口12、压力表13、排气口14，炉底8、炉体10、炉盖1从下往上依次设置，炉底8与炉体10连接处设有下锁紧圈9，用于紧固连接炉底8与炉体10，炉体10与炉盖1连接处设有上锁紧圈11，用于紧固连接炉体10与炉盖1，炉盖1上还设置有压力表13、排气口14，排气口14设置在炉盖1顶部，感应线圈4、样品架6设置在炉体10内部，感应线圈4设置在样品架6中间并固定在炉体10内壁上，感应线圈4外接加热电源，牵引装置7从底部穿过炉底8后其顶部与样品架6的下端连接，牵引装置7顶部连接不锈钢原材料试样5，不锈钢原材料试样5底部设置在样品架6下端，不锈钢原材料试样5从感应线圈4中间穿过。

一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将尺寸为φ10mm×250mm的不锈钢原材料试样5两端夹在高压/真空感应区域熔炼炉的样品架6上下两端并从感应线圈4中间穿过，装上后不锈钢原材料试样5顶端距感应线圈4约30mm处，盖紧炉盖1，锁紧高压/真空感应区域熔炼炉的上锁紧圈11，将炉盖1与炉体10紧密连接闭合，开启真空泵，将炉内空气从排气口14抽出，抽气过程中随时观察压力表13示数,当炉内压力显示为20pa时，停止抽真空；

（2）由充气口12充入氮气，当压力表13显示压力为4.0×10⁵pa时，停止充气；

（3）打开感应线圈4的加热电源进行加热，将接近感应线圈4的不锈钢原材料试样5加热至1465℃，熔化感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5形成钢液并与不锈钢原材料试样5断开，使熔化后的钢液在感应线圈4的电磁力的作用下悬浮于感应线圈4上方，钢液的悬浮高度距离熔断截面10mm，高压氮气溶解进入钢液中；

（4）启动牵引装置7带动不锈钢原材料试样5竖直向上移动，移动牵引速度为40mm/min，使不锈钢原材料试样5从上至下逐渐穿过感应线圈4，并保持感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5在熔区3始终处于熔化状态，氮气在高压作用下迅速溶入熔区3中的钢液，牵引装置7向上移动的过程中，带动样品架6向上移动，钢液离开熔区3的高温范围后在样品架6上端凝固形成高氮钢试样2，感应线圈4上方的钢液在已凝固的高氮钢试样2牵引下，不断粘接到高氮钢试样2下端，并迅速凝固，钢液中氮含量的提高使钢液直接转变为奥氏体，从而获得高氮奥氏体不锈钢。

图2为氮气压力为4×10⁵pa时，cr10mn9ni0.7不锈钢的相图，mqn为液相线，当实验温度为1465℃时，理论上液相中的氮的饱和溶解度为0.38%，本实施例最后所得高氮钢试样2中，测得的最终氮含量为0.34%，与理论值较为接近，说明本实施例方法中氮充分溶入了不锈钢原材料试样5中；图3所示，为本实施例所得高氮奥氏体不锈钢的显微组织，说明最后得到的奥氏体不锈钢试样2为全奥氏体组织，说明本方法能够有效制备高氮奥氏体不锈钢，且组织致密，未形成气孔。

实施例2

本实施例是在高压/真空感应区域熔炼炉上进行，合金选择cr10mn9ni0.7奥氏体不锈钢，液相线温度即熔点为1430℃，成品化学成分质量百分配比如下表：

一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法，本实施例所使用的高压/真空区域感应熔炼炉与实施例1相同，具体包括以下步骤：

（1）将尺寸为φ15mm×300mm的不锈钢原材料试样5两端夹在高压/真空感应区域熔炼炉的样品架6上下两端并从感应线圈4中间穿过，装上后不锈钢原材料试样5顶端距感应线圈4约15mm处，盖紧炉盖1，锁紧高压/真空感应区域熔炼炉的上锁紧圈11，炉盖1与炉体10紧密连接闭合，开启真空泵，将炉内空气从排气口14抽出，抽气过程中随时观察压力表13示数,当炉内压力显示为10pa时，停止抽真空；

（2）由充气口12充入氮气，当压力表13显示压力为1.0×10⁵pa时，停止充气；

（3）打开感应线圈4的加热电源进行加热，将接近感应线圈4的不锈钢原材料试样5加热至1650℃，熔化感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5形成钢液并与不锈钢原材料试样5断开，使熔化后的钢液在感应线圈4的电磁力的作用下悬浮于感应线圈4上方，钢液的悬浮高度距离熔断截面20mm，高压氮气溶解进入钢液中；

（4）启动牵引装置7带动不锈钢原材料试样5竖直向上移动，移动牵引速度为10mm/min，使不锈钢原材料试样5从上至下逐渐穿过感应线圈4，并保持感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5在熔区3始终处于熔化状态，氮气在高压作用下迅速溶入熔区3中的钢液，牵引装置7向上移动的过程中，带动样品架6向上移动，钢液离开熔区3的高温范围后在样品架6上端凝固形成高氮钢试样2，感应线圈4上方的钢液在已凝固的高氮钢试样2牵引下，不断粘接到高氮钢试样2下端，并迅速凝固，钢液中氮含量的提高使钢液直接转变为奥氏体，从而获得高氮奥氏体不锈钢。

最终测得得到的高氮钢试样2的氮含量为0.417%，且经检测显微组织致密，未形成气孔。

实施例3

本实施例是在高压/真空感应区域熔炼炉上进行，合金选择cr10mn9ni0.7奥氏体不锈钢，液相线温度即熔点为1430℃，成品化学成分质量百分配比如下表：

一种高氮奥氏体不锈钢的制备方法，本实施例所使用的高压/真空感应区域熔炼炉与实施例1相同，具体包括以下步骤：

（1）将尺寸为φ20mm×100mm的不锈钢原材料试样5两端夹在高压/真空感应区域熔炼炉的样品架6上下两端并从感应线圈4中间穿过，装上后不锈钢原材料试样5顶端距感应线圈4约20mm处，盖紧炉盖1，锁紧高压/真空感应区域熔炼炉的上锁紧圈11，炉盖1与炉体10紧密连接闭合，开启真空泵，将炉内空气从排气口14抽出，抽气过程中随时观察压力表13示数,当炉内压力显示为100pa时，停止抽真空；

（2）由充气口12充入氮气，当压力表13显示压力为1.0×10⁶pa时，停止充气；

（3）打开感应线圈4的加热电源进行加热，将接近感应线圈4的不锈钢原材料试样5加热至1450℃，熔化感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5形成钢液并与不锈钢原材料试样5断开，使熔化后的钢液在感应线圈4的电磁力的作用下悬浮于感应线圈4上方，钢液的悬浮高度距离熔断截面1mm，高压氮气溶解进入钢液中；

（4）启动牵引装置7带动不锈钢原材料试样5竖直向上移动，移动牵引速度为100mm/min，使不锈钢原材料试样5从上至下逐渐穿过感应线圈4，并保持感应线圈4附近的不锈钢原材料试样5在熔区3始终处于熔化状态，氮气在高压作用下迅速溶入熔区3中的钢液，牵引装置7向上移动的过程中，带动样品架6向上移动，钢液离开熔区3的高温范围后在样品架6上端凝固形成高氮钢试样2，感应线圈4上方的钢液在已凝固的高氮钢试样2牵引下，不断粘接到高氮钢试样2下端，并迅速凝固，钢液中氮含量的提高使钢液直接转变为奥氏体，从而获得高氮奥氏体不锈钢。

最终测得得到的高氮钢试样2的氮含量为0.438%，且经检测显微组织致密，未形成气孔。