氮对高碳马氏体不锈钢组织性能影响的机理研究

The beneficial effects of nitrogen on steels attracted more and more material researchers. Studies indicated that nitrogen alloying could increase the strength, corrosion resistance, creep resistance, antifatigue and wear resistance of steel. For the moment, there were many problems required to be solved on high carbon martensitic stainless steel, such as the controlling of primary precipitations, microstructure and properties. Nitrogen alloying might be an effective method. In this item, several aspects will be studied, such as the optimum ratio of carbon and nitrogen content in high carbon martensitic stainless steel, effect of nitrogen on microstructure and primary precipitates in ESR ingot, effect of nitrogen on the microstructure controlling in high carbon martensitic stainless steel, the effect mechanism of nitrogen on the properties of high carbon martensitic stainless steel. Some mechanism will be revealed as followed: the existence form of nitrogen during ESR, rolling and heat treatment, effect of nitrogen on the microstructure transformation and precipitation behavior of carbonitride, physical metallurgy law of the interaction among nitrogen and other alloying elements. The aim of the item is to illuminate the influence mechanism of nitrogen on microstructure and properties of high carbon martensitic stainless steel, which will provide a theoretical basis to increase the combination properties of high carbon martensitic stainless steel using nitrogen alloying.

氮在钢中有益作用越来越得到国内外材料研究学者的关注。氮可以提高钢材的强度、耐蚀性、抗蠕变、抗疲劳以及耐磨损性能。目前，高碳马氏体不锈钢在一次析出相、组织和性能控制方面存在诸多尚待解决的问题，利用氮合金化不失为一种行之有效的方法。本项目拟从高碳马氏体不锈钢中最佳碳氮含量配比、氮对电渣锭凝固组织和一次析出相的影响、氮在高碳马氏体不锈钢微观组织调控中的作用、氮对高碳马氏体不锈钢性能影响的机理等几方面研究，明确氮在高碳马氏体不锈钢电渣重熔、轧制以及热处理过程中的存在形式，氮元素对组织相变、碳氮化物的析出行为的影响，以及氮与其他合金元素的交互作用等物理冶金方面的基本规律，阐明氮对高碳马氏体不锈钢组织与性能的影响机理，为利用氮元素提高高碳马氏体不锈钢综合性能提供理论基础。

氮在马氏体不锈钢中可以替代碳元素起到固溶强化、析出强化以及细晶强化等作用，同时适量氮元素的添加有利于提升钢材耐腐蚀性能。但是，氮对高碳马氏体不锈钢凝固组织和一次碳化物的影响以及钢中最佳氮含量等问题缺乏相关的研究。本项目首先通过热力学计算得出高碳马氏体不锈钢的理论极限溶解度，根据计算结果精准控制钢材成分，冶炼得到C/N分别为3.3、4.4、8.1、13.7和16.0的马氏体不锈钢；系统研究了氮对高碳马氏体不锈钢凝固组织、一次碳化物的影响机制，通过电渣重熔过程中熔速和充填比的优化调整，减少了高碳马氏体不锈钢凝固过程中一次碳化物的析出；通过研究氮对马氏体不锈钢热变形行为的影响及淬回火过程中氮对马氏体不锈钢组织及性能的影响，为氮在高碳马氏体不锈钢的应用提供了理论依据。主要研究成果如下：（1）通过热力学计算和实验研究，明确了高碳马氏体不锈钢凝固时不产生氮气泡所对应的极限氮含量，4Cr13钢和7Cr13钢中氮的理论极限溶解度分别为0.118%和0.161%，与冶炼得到的0.121%和0.164%相接近；为避免凝固组织中氮气泡的产生，自耗电极中实际氮含量应略低于钢种的理论极限溶解度。（2）高碳马氏体不锈钢中氮元素的增加，有利于减小局部凝固时间，细化二次枝晶；氮的增加不改变高碳马氏体不锈钢中一次碳化物的类型，随着氮含量的增加，一次碳化物通过异质性核析出的比例得到增加，碳化物尺寸得到细化，但碳化物数量密度随之增加。（3）氮含量的增加，提高了马氏体不锈钢的热变形激活能，增加了热变形的难度；氮含量的增加，降低了马氏体不锈钢动态再结晶临界应变与峰值应变的比值，促进了动态再结晶的发生；氮含量的增加增强了固溶强化效果和增加了残余奥氏体含量，而深冷处理有利于促进残余奥氏体转变为马氏体；辊锻工艺细化了刃口晶粒，有助于提升钢材性能。（4）氮的增加使最高硬度值对应的淬火温度逐渐降低，但对最高硬度值的影响较小；氮元素的增加有利于高碳马氏体不锈钢耐磨性的提升。