不锈钢是2O世纪初材料领域最伟大的发明之一。在过去的近百年中，不锈钢获得迅速发展，从1995年西方的不足100万t增长至1440万t，平均年增长速度达6．2 。我国不锈钢生产始于1952年，改革开放后社会需求推动不锈钢快速增长。2003年，我国不锈钢的表观消费量达到420万t[1]，2004年不锈钢的消费量达到447万t，居世界第一，预计到2006年，中国不锈钢产能将达到900万t，不锈钢的快速发展，带来镍资源的严重紧缺，价格猛增。同时，镍离子是一种潜在的致敏因子，在生物体内植入物附近可以诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性。所以，生产低镍或无镍不锈钢是不锈钢企业未来的一个发展方向。
氮在铁基固溶体中一个最显著和最有效的作用是稳定面心立方晶格，同时在固溶强化、晶粒细化硬化、加工硬化、应变时效、耐一般腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀方面起积极作用。研究表明：每加入0．1 N，其强度提高约6O～100MPa在奥氏体不锈钢内1% 氮和含2O%铬的耐蚀性相同]。
高氮不锈钢的制备方法主要有熔炼法和粉末冶金法。常规熔炼法制备不锈钢，氮含量较低，只有通过高压熔炼才能获得高的氮含量和高强高韧高氮不锈钢。由于高压熔炼法设备复杂、投资大，从而限制了它的发展。与熔炼制备高氮不锈钢法相比，粉末冶金法生产高氮不锈钢能够细化晶粒、减少成分和组织偏析，获得均匀的合金组元和氮的分布，能较为容易地获得更高的氮含量，可以实现近终成形，还可能制备铸锻方法难以制造的高氮钢制品。另外，它工艺灵活、资金投入低。这使得粉末高氮钢的研究成为当前高氮钢最重要的研究方向之一。
1 主要工艺及研究现状
目前国内外采用粉末冶金法生产高氮不锈钢主要有下列几种方式：(1)先制取高氮不锈钢粉末，然后采用模压烧结、粉末锻轧、热等静压等粉末冶金成形方式制备高氮不锈钢制品(2)将一般不锈钢粉进行模压成形、注射成形等方式加工成生坯后，在烧结过程中进行渗氮处理。
1．1 高氮不锈钢粉末的制备
1．1．1 高压氮气熔炼一高压氮气雾化法根据Sievert规律，钢液中氮含量与氮气压力的平方根成正比，随着氮气压力增加，钢液中氮的溶解度增加，(见图1[5])。根据此原理，可用于生产商业用高氮不锈钢粉末，首先在氮气气氛中进行高压熔炼，提高钢液中的氮含量，然后采用高压氮气作为雾化气将熔体破碎成粉末，快速凝固可以使熔融金属液中的氮在急冷过程中不析出，最终获得高氮不锈钢粉[6]。同时，提高氮气压力后， Fe区域封闭(见图2[7])。美国Simmons等人采用这种技术制备了氮含量达1% N的不锈钢粉末[8]。
1．1．2 常压熔炼一高压氮气雾化法
根据合金元素对氮活度系数的影响，建立新的高氮奥氏体不锈钢模型，在常压下制得高氮奥氏体不锈钢粉。从图3和公式(1)、(2)可以看出，增加Mo、Mn、Ta、Cr、Nb、V、Zr、Ti含量，可以提高氮在钢液中的活度系数，这是因为各原子与氮原子之间存在不同程度的吸引力，各原子吸引氮原子后为别的氮原子留下更多空间，导致更多的氮原子溶入。
坩锅公司根据此原理，通过调节合金成分生产出氮含量在0．45n0．87的高氮不锈钢粉，并建立了铬当量与氮平衡溶解度的关系(见图)。
1．1．3 固态渗氮法
主要分为机械合金化、在流态化床反应器中渗氮及烧结渗氮。机械合金化法是通过高能球磨，使欲活化或合金化的粉末在频繁碰撞过程中被捕获，发生强烈的塑性变形、冷焊形成具有片层状结构的复合粉末，这种粉末又因加工硬化而破碎，破裂后粉末露出新鲜的原子表面又极易发生焊合，经过不断的发生冷焊、破碎，再焊接的过程，使组织结构不断细化，最终达到原子级混合而实现合金化目的。经机械合金化后，粉末具有发达的表面及大量的晶格畸变，氮原子被大量吸附到晶界及位错线上，形成高氮不锈钢粉末，北京科技大学用此法获得氮含量达0．37 9／6的不锈钢粉 。武汉科技大学将304不锈钢粉末和其他合金粉末混合，然后进行6000min左右的机械合金化，获得氮含量为1．4 的超细晶高氮奥氏体不锈钢粉末 。Simmons等人用此法获得氮含量超过1．O％的高氮不锈钢粉口 。
在流态化床反应器中渗氮及烧结渗氮，其原理都是根据氮在固态奥氏体不锈钢中的溶解度要大于在液态中的溶解度。不同之处在于：前者得到的是高氮不锈钢粉末，而后者通过先压制成形，高温烧结后降温进行渗氮处理，得到高氮不锈钢制品。广州有色金属研究院采用烧结渗氮法制备出氮含量为0．4%的316L高氮不锈钢制品 引。Nobuyuki NAKAMURA等人通过控制烧结温度及气氛对Fe-23Cr进行渗氮处理，获得氮含量1．%的不锈钢粉，组织由铁素体转变为奥氏体，屈服强度显著提高，达680MPa。
1．2 高氮不锈钢粉末的成形
高氮不锈钢粉末的成形是粉末冶金高氮不锈钢另外一个关键问题，由于高氮不锈钢粉末表面有氮化物和氧化物膜，其硬度高阻止了粉末颗粒的变形，从而压制成形性较差。同时，由于不锈钢中氮含量随着烧结温度的提高而降低，所以应保持在较低温度烧结，但烧结温度低，制品的致密性将降低，进而影响制品的力学性能及耐蚀性能，这是一对矛盾。Nobuyuki对Fe-23Cr进行烧结渗氮，获得氮含量为1%，制品孔隙度为12．0 。从试验结果可以看出，采用常规粉末冶金压制成形方法难以获得高致密的高氮不锈钢制品。所以，必须采用特殊的成形方式才能完成高氮钢的压制成形，这些方法包括：热等静压、粉末注射成形、烧结一自由锻造、爆炸成形等。
1．2．1 热等静压工艺
美国坩锅公司采用热等静压技术制备了含氮在0．51 一0．87 %的高氮奥氏体耐蚀不锈钢制品，具有良好的力学性能和耐蚀性能 。瑞典粉末冶金公司在北海油田项目中，采用HIP技术生产各种海下及海面平台上部件，材质为粉末不锈钢。具体部件有各种法兰盘、接头、阀体、管道等，其生产的三通管每件重达155kg，阀重达2t，交付时间由原来铸造的8周缩短为4周，整个成品制造成本降低 。西欧、北美、日本和俄罗斯共同建造了一个2000MW 功率的核聚变反应堆，为保证其高强度、高可靠性，在屏蔽材料中广泛使用了粉末HIP316LN不锈钢。可见热等静压技术在粉末冶金高氮不锈钢中的应用是非常广泛而有效的。
1．2．2 粉末注射成形技术
在生产高氮不锈钢方面，研究表明，为缩短氮的渗透距离，实现快速氮化，并保持氮原子在材料中的均匀分布需要高的比表面，采用注射成形技术可以满足这些要求。瑞士联邦技术厅Uggowitzer等人为解决不锈钢中镍对人体的伤害问题，开发出一种名为P．A．N．A．C．E．A的MIM 高氮无镍奥氏体不锈钢，经固溶退火后抗拉强度达1090MPa，屈服强度达690MPa，高的缝隙腐蚀温度，在非常严重的侵蚀条件下(高氯化物离子含量、相对高的使用温度)能耐腐蚀。国内近年来展开了一些注射成形生产含氮不锈钢的工作，中南大学采用调节烧结气氛来控制合金致密化和性能。研究表明，在N 保护气氛下的烧结制品除伸长率外，力学性能优于Ar和Ar+H 保护气氛下的烧结品，且在N 保护气氛下，烧结制品的伸长率值也在规定范围内 。
1．2．3 烧结一自由锻造及爆炸成形
周灿栋等采用包套烧结一自由锻造法进行试验，将高氮钢粉装入碳钢管内，充分震实后在钢管外面再套一刚玉管，置于氮气氛加热炉进行烧结，后放到锻压机上进行反复锻造，可获得致密的高氮钢试样。爆炸成形方法有两种：间接爆炸压制成形和直接爆炸成形。间接爆炸压制成形是采用液体或气体为压力传送介质，需要使用重型设备，对被压制的材料具有一定的选择性直接爆炸成形不需要设备投资，所需装置简单，所得样品的压实密度大。周灿栋采用直接爆炸成形制取高氮35CrMoV钢试样，再经1200℃下2h氮气气氛中烧结，试样边缘绝大部分区域里，显微组织很致密。可见，用这两种成形方法也可获得高密度高氮钢样品 。
2 结语
粉末高氮钢的研究成为当前高氮钢最重要的研究方向之一。虽然在这方面取得了众多成就，但目前仍存在许多问题，如常压熔炼一高压氮气雾化中雾化初期与末期氮含量的变化、氮含量的控制、粉末粒度对氮含量影响等，在这些问题上仍需要广大工作者的不懈努力。（安泰科技：钟海林等。况春江等）
氮在铁基固溶体中一个最显著和最有效的作用是稳定面心立方晶格，同时在固溶强化、晶粒细化硬化、加工硬化、应变时效、耐一般腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀方面起积极作用。研究表明：每加入0．1 N，其强度提高约6O～100MPa在奥氏体不锈钢内1% 氮和含2O%铬的耐蚀性相同]。
高氮不锈钢的制备方法主要有熔炼法和粉末冶金法。常规熔炼法制备不锈钢，氮含量较低，只有通过高压熔炼才能获得高的氮含量和高强高韧高氮不锈钢。由于高压熔炼法设备复杂、投资大，从而限制了它的发展。与熔炼制备高氮不锈钢法相比，粉末冶金法生产高氮不锈钢能够细化晶粒、减少成分和组织偏析，获得均匀的合金组元和氮的分布，能较为容易地获得更高的氮含量，可以实现近终成形，还可能制备铸锻方法难以制造的高氮钢制品。另外，它工艺灵活、资金投入低。这使得粉末高氮钢的研究成为当前高氮钢最重要的研究方向之一。
1 主要工艺及研究现状
目前国内外采用粉末冶金法生产高氮不锈钢主要有下列几种方式：(1)先制取高氮不锈钢粉末，然后采用模压烧结、粉末锻轧、热等静压等粉末冶金成形方式制备高氮不锈钢制品(2)将一般不锈钢粉进行模压成形、注射成形等方式加工成生坯后，在烧结过程中进行渗氮处理。
1．1 高氮不锈钢粉末的制备
1．1．1 高压氮气熔炼一高压氮气雾化法根据Sievert规律，钢液中氮含量与氮气压力的平方根成正比，随着氮气压力增加，钢液中氮的溶解度增加，(见图1[5])。根据此原理，可用于生产商业用高氮不锈钢粉末，首先在氮气气氛中进行高压熔炼，提高钢液中的氮含量，然后采用高压氮气作为雾化气将熔体破碎成粉末，快速凝固可以使熔融金属液中的氮在急冷过程中不析出，最终获得高氮不锈钢粉[6]。同时，提高氮气压力后， Fe区域封闭(见图2[7])。美国Simmons等人采用这种技术制备了氮含量达1% N的不锈钢粉末[8]。
1．1．2 常压熔炼一高压氮气雾化法
根据合金元素对氮活度系数的影响，建立新的高氮奥氏体不锈钢模型，在常压下制得高氮奥氏体不锈钢粉。从图3和公式(1)、(2)可以看出，增加Mo、Mn、Ta、Cr、Nb、V、Zr、Ti含量，可以提高氮在钢液中的活度系数，这是因为各原子与氮原子之间存在不同程度的吸引力，各原子吸引氮原子后为别的氮原子留下更多空间，导致更多的氮原子溶入。
坩锅公司根据此原理，通过调节合金成分生产出氮含量在0．45n0．87的高氮不锈钢粉，并建立了铬当量与氮平衡溶解度的关系(见图)。
1．1．3 固态渗氮法
主要分为机械合金化、在流态化床反应器中渗氮及烧结渗氮。机械合金化法是通过高能球磨，使欲活化或合金化的粉末在频繁碰撞过程中被捕获，发生强烈的塑性变形、冷焊形成具有片层状结构的复合粉末，这种粉末又因加工硬化而破碎，破裂后粉末露出新鲜的原子表面又极易发生焊合，经过不断的发生冷焊、破碎，再焊接的过程，使组织结构不断细化，最终达到原子级混合而实现合金化目的。经机械合金化后，粉末具有发达的表面及大量的晶格畸变，氮原子被大量吸附到晶界及位错线上，形成高氮不锈钢粉末，北京科技大学用此法获得氮含量达0．37 9／6的不锈钢粉 。武汉科技大学将304不锈钢粉末和其他合金粉末混合，然后进行6000min左右的机械合金化，获得氮含量为1．4 的超细晶高氮奥氏体不锈钢粉末 。Simmons等人用此法获得氮含量超过1．O％的高氮不锈钢粉口 。
在流态化床反应器中渗氮及烧结渗氮，其原理都是根据氮在固态奥氏体不锈钢中的溶解度要大于在液态中的溶解度。不同之处在于：前者得到的是高氮不锈钢粉末，而后者通过先压制成形，高温烧结后降温进行渗氮处理，得到高氮不锈钢制品。广州有色金属研究院采用烧结渗氮法制备出氮含量为0．4%的316L高氮不锈钢制品 引。Nobuyuki NAKAMURA等人通过控制烧结温度及气氛对Fe-23Cr进行渗氮处理，获得氮含量1．%的不锈钢粉，组织由铁素体转变为奥氏体，屈服强度显著提高，达680MPa。
1．2 高氮不锈钢粉末的成形
高氮不锈钢粉末的成形是粉末冶金高氮不锈钢另外一个关键问题，由于高氮不锈钢粉末表面有氮化物和氧化物膜，其硬度高阻止了粉末颗粒的变形，从而压制成形性较差。同时，由于不锈钢中氮含量随着烧结温度的提高而降低，所以应保持在较低温度烧结，但烧结温度低，制品的致密性将降低，进而影响制品的力学性能及耐蚀性能，这是一对矛盾。Nobuyuki对Fe-23Cr进行烧结渗氮，获得氮含量为1%，制品孔隙度为12．0 。从试验结果可以看出，采用常规粉末冶金压制成形方法难以获得高致密的高氮不锈钢制品。所以，必须采用特殊的成形方式才能完成高氮钢的压制成形，这些方法包括：热等静压、粉末注射成形、烧结一自由锻造、爆炸成形等。
1．2．1 热等静压工艺
美国坩锅公司采用热等静压技术制备了含氮在0．51 一0．87 %的高氮奥氏体耐蚀不锈钢制品，具有良好的力学性能和耐蚀性能 。瑞典粉末冶金公司在北海油田项目中，采用HIP技术生产各种海下及海面平台上部件，材质为粉末不锈钢。具体部件有各种法兰盘、接头、阀体、管道等，其生产的三通管每件重达155kg，阀重达2t，交付时间由原来铸造的8周缩短为4周，整个成品制造成本降低 。西欧、北美、日本和俄罗斯共同建造了一个2000MW 功率的核聚变反应堆，为保证其高强度、高可靠性，在屏蔽材料中广泛使用了粉末HIP316LN不锈钢。可见热等静压技术在粉末冶金高氮不锈钢中的应用是非常广泛而有效的。
1．2．2 粉末注射成形技术
在生产高氮不锈钢方面，研究表明，为缩短氮的渗透距离，实现快速氮化，并保持氮原子在材料中的均匀分布需要高的比表面，采用注射成形技术可以满足这些要求。瑞士联邦技术厅Uggowitzer等人为解决不锈钢中镍对人体的伤害问题，开发出一种名为P．A．N．A．C．E．A的MIM 高氮无镍奥氏体不锈钢，经固溶退火后抗拉强度达1090MPa，屈服强度达690MPa，高的缝隙腐蚀温度，在非常严重的侵蚀条件下(高氯化物离子含量、相对高的使用温度)能耐腐蚀。国内近年来展开了一些注射成形生产含氮不锈钢的工作，中南大学采用调节烧结气氛来控制合金致密化和性能。研究表明，在N 保护气氛下的烧结制品除伸长率外，力学性能优于Ar和Ar+H 保护气氛下的烧结品，且在N 保护气氛下，烧结制品的伸长率值也在规定范围内 。
1．2．3 烧结一自由锻造及爆炸成形
周灿栋等采用包套烧结一自由锻造法进行试验，将高氮钢粉装入碳钢管内，充分震实后在钢管外面再套一刚玉管，置于氮气氛加热炉进行烧结，后放到锻压机上进行反复锻造，可获得致密的高氮钢试样。爆炸成形方法有两种：间接爆炸压制成形和直接爆炸成形。间接爆炸压制成形是采用液体或气体为压力传送介质，需要使用重型设备，对被压制的材料具有一定的选择性直接爆炸成形不需要设备投资，所需装置简单，所得样品的压实密度大。周灿栋采用直接爆炸成形制取高氮35CrMoV钢试样，再经1200℃下2h氮气气氛中烧结，试样边缘绝大部分区域里，显微组织很致密。可见，用这两种成形方法也可获得高密度高氮钢样品 。
2 结语
粉末高氮钢的研究成为当前高氮钢最重要的研究方向之一。虽然在这方面取得了众多成就，但目前仍存在许多问题，如常压熔炼一高压氮气雾化中雾化初期与末期氮含量的变化、氮含量的控制、粉末粒度对氮含量影响等，在这些问题上仍需要广大工作者的不懈努力。（安泰科技：钟海林等。况春江等）
