不銹鋼是應(yīng)用極為廣泛的材料，在人們生產(chǎn)生活中隨處可見(jiàn)。這種添加了鉻、鎳等元素的合金鋼，出于提高抗腐蝕能力的需要，必須降低碳含量，而碳含量一低，強(qiáng)度就很難提高，這也限制了不銹鋼作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。有沒(méi)有這樣一種不銹鋼，它既能減少貴重金屬的添加量以節(jié)約成本，又能提高材料強(qiáng)度以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，還要有良好的抗腐蝕性能以減少維護(hù)成本并提高成品使用壽命？
2004年列入國(guó)家973計(jì)劃的“提高鋼鐵質(zhì)量和使用壽命的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目已于2009年通過(guò)驗(yàn)收，該項(xiàng)目以提高冶金質(zhì)量為基礎(chǔ)，以材料學(xué)為先導(dǎo)，以延長(zhǎng)鋼的使用壽命為目標(biāo)。主要成果有：設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出低鎳、高強(qiáng)度、低成本、高耐磨性、低磁甚至無(wú)磁的資源節(jié)約型不銹鋼原型鋼；在常壓下利用現(xiàn)有冶金工藝流程冶煉并連鑄出了氮含量達(dá)0.64%的高氮鋼；研究開(kāi)發(fā)出了經(jīng)濟(jì)型高強(qiáng)高韌亞穩(wěn)鋼。這些成果有利于提高我國(guó)鋼鐵企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
這種不銹鋼的名字叫做高氮鋼。上世紀(jì)70年代，世界上就已經(jīng)有高氮不銹鋼出現(xiàn)，用廉價(jià)的取之不盡的氮代替昂貴稀缺的鎳，同時(shí)還提高了不銹鋼的強(qiáng)度和抗局部腐蝕能力。阻礙氮作為合金元素廣泛使用的主要因素是氮的加入問(wèn)題，在大氣壓下氮溶解度非常低，加入很困難，由于加入量少，其有利影響不太明顯，高氮鋼的普遍生產(chǎn)方式是加壓冶煉，需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備，這就大大增加了高氮鋼的生產(chǎn)成本并限制了它的產(chǎn)量。我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，能不能使用現(xiàn)在通用的冶金設(shè)備在常壓下煉出高氮鋼？
鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所副所長(zhǎng)蘇杰博士是“提高鋼鐵質(zhì)量和使用壽命的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目中“資源節(jié)約型不銹鋼研究”課題組的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“我們?cè)诔合吕矛F(xiàn)有冶金工藝流程實(shí)際冶煉并連鑄出了氮含量達(dá)0.64%的高氮鋼，并軋制成20mm和14mm的寬幅板，這表明高氮鋼冶煉和熱加工的瓶頸問(wèn)題已基本解決，在2009年高氮鋼國(guó)際會(huì)議上引起強(qiáng)烈反響，具有世界領(lǐng)先水平?！?/FONT>
課題組采取科研院校與企業(yè)聯(lián)合并與產(chǎn)品制造廠家合作的方式對(duì)氮合金化不銹鋼進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在鋼鐵研究總院、東北大學(xué)、太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司的共同努力下，研究者們用Thermo―Calc熱力學(xué)軟件對(duì)高氮鋼進(jìn)行合金設(shè)計(jì)，改善了合金設(shè)計(jì)配方，提高了氮的溶解度，從而實(shí)現(xiàn)了高氮鋼的常壓生產(chǎn)。蘇杰說(shuō)：“通過(guò)引入熱力學(xué)軟件進(jìn)行理論計(jì)算來(lái)找到合金的優(yōu)化成分，不僅減少了實(shí)驗(yàn)室摸索過(guò)程，保證了冶煉準(zhǔn)確命中率，而且從理論上解決了凝固過(guò)程中氮飽和溶解度的設(shè)計(jì)問(wèn)題，掌握了氮合金化不銹鋼的合金化原理和制造技術(shù)?！?/FONT>
理論問(wèn)題的解決，使研究者們可根據(jù)企業(yè)需要，開(kāi)發(fā)出滿足不同工業(yè)需求的系列氮合金化資源節(jié)約型不銹鋼，從而實(shí)現(xiàn)低成本高性能新品不銹鋼的生產(chǎn)應(yīng)用。
蘇杰舉例說(shuō)：“比如，氮加到一定程度，可以制成完全不含鎳的不銹鋼。有一定比例的人群對(duì)鎳是過(guò)敏的，因此這種無(wú)鎳高氮鋼材料就可以用于人體植入物、手表、眼鏡架等?，F(xiàn)在‘飛亞達(dá)’手表正在跟我們談合作?！?/FONT>
研究者們還發(fā)現(xiàn)碳、氮混合加入可制成加工塑性好的亞穩(wěn)鋼。“這種材料可用于汽車(chē)零件以及火車(chē)車(chē)體的制造，比現(xiàn)用的301鋼成本低20%―40%，力學(xué)性能更優(yōu)，耐蝕性能接近，市場(chǎng)前景十分廣闊。目前此項(xiàng)目已進(jìn)行了半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)。”
這是將來(lái)可以做到的，那么，課題組目前已經(jīng)成功用AOD爐（一種常用的不銹鋼精煉設(shè)備）生產(chǎn)的高氮原型鋼又可用于哪些地方呢？
根據(jù)高氮原型鋼的性能特點(diǎn)，由于其具有和目前大量使用的304不銹鋼相當(dāng)?shù)哪臀g性能，并具有比304不銹鋼高2倍的強(qiáng)度，且價(jià)格低廉，和304不銹鋼相比具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此可以在部分領(lǐng)域替代304不銹鋼。到目前為止，課題組重點(diǎn)將此原型鋼推廣應(yīng)用于如下幾方面：礦山開(kāi)采和洗煤用耐磨蝕設(shè)備；高強(qiáng)度不銹鋼緊固件；高強(qiáng)度建筑鋼筋；防彈裝甲。其中，采用原型鋼制造出的煤礦洗煤用篩網(wǎng)，已成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨蝕性能。經(jīng)過(guò)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的合作，已成功試制出M12螺栓，并準(zhǔn)備進(jìn)一步試制M20螺栓。一旦試制成功，并制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，可廣泛替代目前304不銹鋼制造的緊固件，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
蘇杰預(yù)測(cè)，如果國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和建筑規(guī)范可以跟上的話，鋼筋將成為高氮原型鋼市場(chǎng)前景最大的應(yīng)用方向。目前我國(guó)的橋梁等建筑都用的是普通鋼筋，沒(méi)有采用不銹鋼鋼筋，而國(guó)際上寒冷地區(qū)及沿海地區(qū)的橋梁等建筑很多都采用不銹鋼鋼筋。高氮鋼制成的不銹鋼鋼筋比普通鋼筋強(qiáng)度更高，耐腐蝕性更好，還具有零維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。按原型鋼的強(qiáng)度級(jí)別，可替代目前應(yīng)用的Ⅳ級(jí)鋼筋，其120年的使用壽命和零維護(hù)特性會(huì)讓總使用成本大大降低。
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