用氮進行合金化的方法有很多,如添加含氮中間合金以及對熔體加壓等。在發展初期,高氮不銹鋼的冶煉方法中最為需要的就是加壓,這種冶煉方法很大程度上依賴工藝設備,如果工藝設備沒有辦法滿足生產工藝要求,那么這就造成高氮不銹鋼管沒辦法進行大批量生產。近年來國內外的不斷研究,到現在為止,常用的加壓冶煉方法包括:熱等靜壓、加壓感應爐、加壓電渣重熔、加壓等離子熔煉法等方法。采用加壓熔煉法生產的高氮不銹鋼管氮含量可達1%以上,氮每種加壓冶煉方法不同程度上都存在一些問題,而常壓冶煉卻不需要加壓,成本節少很多,同時也避免了一些危險。凝固狀態下氮合金化的方法有粉末冶金,固體吸氮或滲氮等。針對高氮不銹鋼冶煉的各種問題,國外的一些國家,如德國,烏克蘭,保加利亞,奧地利,日本和許多其他國家,研究出了不同的壓力的熔煉設備,對高氮不銹鋼管加壓冶煉方面的發展起到了很大的推動作用。

目前一些國家已經在高于6MPa的氮氣壓力下(實驗室研究甚至達到了10MPa)冶煉出的高氮不銹鋼管中氮元素含量高達1%。

多年來的不斷研究發展,目前用加壓冶煉技術生產高氮不銹鋼管的方法有:熱等靜壓法,加壓感應爐熔煉法,加壓電弧渣重熔,加壓電渣重熔,加壓等離子發以及大熔池發等各種方法。但是通過各方面綜合比較而言,加壓冶煉高氮不銹鋼管存在很多難題,比如設備復雜,高壓氣體特別危險,成本高并且生產工藝設備比較難以控制等等,所以這就限制了加壓冶煉方法的推廣,人們轉而尋求能不能再常壓下冶煉出高氮不銹鋼管,常壓下冶煉成本低,危險系數下,采用普通的感應爐就能夠完成,因此常壓冶煉收到個國內外研究學者的關注。

目前國內外常用的常壓冶煉方法有:

1)向AOD熔池池底吹入氮氣,通過氮氣的不斷上升與四溢,來達到氮氣與合金的充分結合。

2)通過調整合金成分來冶煉,也就是說在熔煉過程中將一些中間合金如CrN、MnN、FeCrN、Si3N;等加入到冶煉的熔池當中。目前,國內大多數不銹鋼冶煉方法是使用第一種生產方法。但是常壓冶煉也存在難題,常壓下冶煉出的高氮不銹鋼管中的氮含量低,屬于中低氮不銹鋼,想要生產氮含量高的高氮不銹鋼管是很難的,盡管高氮奧氏體不銹鋼有氮含量高達0.7%的報道,但還是缺乏添氮和控氮方面的經驗。

針對上面提到的各種常見的高氮不銹鋼管制備方法,下面簡單介紹一下:

1.加壓感應爐熔煉法

這種冶煉方法的前提是氮壓力高,氮通過不斷攪拌鋼液,使得鋼液發生對流作用,從而能夠加快氮的溶解并縮短時間。在1962年和1963年,國外學者在實驗室規模大小的情況下進行加壓感應爐方法冶煉不銹鋼。鋼在加壓感應爐中通過氣相作用來進行高氮合金化的,氣相與熔融金屬相接觸的界面發生N2-2[N]反應,感應爐內的氮氣壓力大小、氮氣與熔體接觸時間的長短以及接觸面積大小決定著鋼的吸氮量。1999年,日本把50kg的大氣感應爐改造(坩塌和線圈安置在一個不銹鋼容器內,密封保護),然后把氮氣通入不銹鋼容器,容器內的能夠壓力達到4×105Pas,通過感應爐的改造,冶煉出的不銹鋼所含的氮含量能夠高達0.8%以上,且沒有氣泡缺陷。但是這種方法并沒有工業化,僅僅適用于實驗室制備高氮不銹鋼管。

2.加壓電渣重熔法

目前,在商業上生產高氮不銹鋼管的最有效方法是加壓電渣重熔法0。在改革開放初期1979年,Krupp公司和Inteco公司聯合建造一臺生產直徑長達1000mm,重量約14.5t,最大工作壓力能夠達到42個大氣壓的工業規模的加壓電渣重熔設備,并在1980年進行使用,為世界上規模生產高氮不銹鋼管錠提供了一個模范典例設備。本機在低頻下工作,是首次在世界上能夠生產全尺寸的高氮不銹鋼管鍛件。但是隨著高氮不銹鋼管的不斷發展,一臺新的壓力ESR設備應用而出,代替了這一臺設備。ESR設備能夠生產的鑄錠重量比其更重,約20t,直徑也是1000mm,也在低頻下工作。同一時期,一個能夠生產7t,直徑達640mm的眼里ESR設備由德國一個公司建成。但是這種壓力ESR設備的缺點是氮必須是在重熔時添加顆粒細小的氮合金獲得,而不能從氮氣氛中直接獲得,這樣就很大程度上浪費成本。為了解決這一問題,Paton提出了一種新方法,這就是壓力弧渣重熔方法。這種冶煉工藝可以直接從氮氣氛壓中提取氮,從而制備含氮量高的鋼。

高壓電渣重熔方法是制備高氮不銹鋼管的一種有效方法,但也有許多弊端:1)本錢高;2)為了制備成分均勻的高氮不銹鋼管,二次熔煉是必要的;3)當采用添加氮合金來提高氮含量時,一些合金元素也會隨之進入到鋼液當中,這會一定程度上影響鋼的性能;4)制備出來的高氮不銹鋼管產品合格率低;5)該工藝僅能生產一些相對形狀簡單的產品,那些成品形狀的產品則不適用于這種方法。

3.高壓等離子法

高壓等離子法的熱源是等離子弧,利用熱源來冶煉高氮不銹鋼管。等離子體則是由這些自由電子、正離子、沒有經過電離的氣體原子以及分子組成,物理性質比較特殊,成為除去氣體、液體和固體之外的第四態。宏觀下等離子體是電中性,但是在外電場中,它導電、導熱性能良好,是一個很好的高溫熱源。Torkhov等人通過加壓等離子電弧設備制備出了25Cr16Ni7Mn0.6N鋼,爐內是氬、氮氣的混合氣體,大小能夠達到0.4MPa,氮氣分壓占四分之三叫。Siwka等人在1999年發現,用等離子體滲氮獲得的鋼中氮含量比氣體滲氮獲得的鋼中氮含量要高,并且如果把精煉渣添加到鋼液表明能夠很大程度的提高氮的飽和度;而且如果僅利用等離子電弧進行氮合金化制備的鋼錠中氮不能均勻混合。

4.熱等靜壓法

熱等靜壓法和壓力熔化的方法基本上是相同的,屬于高氮不銹鋼管的實驗室制備方法,其方法和壓電渣重熔相同。熱等靜壓法制備過程中影響N含量變化的因素主要有:爐內熔體的溫度、氣相與熔體結合界面表面積的大小、氮分壓、對流強度大小和鋼中其他合金元素對氮溶解度大小的影響。但是這種方法生產的鋼中容易出現氮化物沉淀,因而也不能進行工業化生產。

5.粉末冶金法

含氮粉末的成形是高氮不銹鋼管的粉末冶金的方法制備的關鍵。目前國內外制備高氮不銹鋼管的方法有以下幾種:1)首先制備含氮粉末,然后通過各種傳統成形工藝壓制而成;2)在燒結過程中對不含氮的不銹鋼粉末壓制成的產品進行氮化處理;3)其吸氮處理時在不銹鋼粉末壓制和燒結時進行的,從而制備高氮不銹鋼。粉末冶金制備出的高氮不銹鋼不僅可以獲得過飽和固溶體而且析出相細化,并且粉末冶金制備高氮不銹鋼管需要的成本低,材料少等特點。很多研究表明,粉末冶金方法制備出含氨量高的產品希望很高,所以粉末冶金制備高氮不銹鋼管獲得各國的重視。但是,粉末冶金生產不銹鋼也有一定弊端,粉末中氮化物的硬度高,壓制過程中比較難以壓制成型,壓制出來的產品性能也比較差。為了解決這個難題,國內外專家進行了很多研究。HiranoKawai用熱等靜壓法先把高速鋼粉末壓成形,然后通過各種鍛造、軋制和其他手段制備出高氮不銹鋼管;而Simmons則是通過把高氮不銹鋼管粉末狀在鋼管內密封并壓實,將鋼管斷口密封,然后把鋼管加熱到固溶溫度保溫一段時間,再熱擠壓成所需要的各種尺寸;304奧氏體不銹鋼這是采用類似的粉末壓制方法制備而成。顯而易見,不管是使用怎樣的粉末壓制方法,所需要使用的設備都是比較貴重的,而且其工藝過程也是很復雜的。國內的周燦棟等人采用粉末鍛造工藝,制備出含氮奧氏體不銹鋼,相對密度達到99%,拉伸性能與其他方法制備出的高氮不銹鋼管相當。這種工藝過程簡單且易于操作,所使用的設備也不貴,所以在工業生產中比較適合。

另外,還有常壓感應冶煉和固體滲氮法也可制備高氮不銹鋼管。