氮元素的作用简析

氮元素是马氏体镍铬不锈钢中重要合金化元素。氮在超低碳和超级马氏体钢中日益显现它的重要作用。归纳起来氮在马氏体钢中的作用有以下几个方面。

1.以氮代碳保持钢在高温时呈现奥氏体状态

在马氏体镍铬不锈钢中，随着含碳量的降低，为了保持高温下具有奥氏体组织，淬火后得到马氏体，就需要补充相应数量的奥氏体形成元素，氮就是最理想的补充元素。因为，氮的奥氏体形成能力与碳相同；氮对钢的强化作用大于碳；氮还可以弥补碳的不利影响，如改善耐蚀性和焊接性等。

氮不仅可以替代碳对钢在高温时的组织结构作用，还能替代碳在淬火后形成马氏体过程中的作用。含氮的低碳钢，淬火后除形成板条状低碳马氏体外，同样还会形成颗粒更细的、强度和韧性更高的氮马氏体组织。这种氮马氏组织使回火钢具有更为优良的综合性能。

2.氮对钢的强化作用

氮对马氏体镍铬不锈钢的强化作用，包括固溶强化和氮化物析出两种强化方式，总的强化作用比碳强。氮化物强化的特点是沿晶内析出，而碳化物强化是沿晶界析出。因此，氮在提高强度，特别是提高屈服强度的同时，对塑性和韧性的影响较小。表4-7列出氮对马氏体镍铬不锈钢力学性能的影响。

表4-7 氮对马氏体镍铬不锈钢力学性能的影响

注：热处理工艺为：1050～1000℃淬火、500～600℃回火。

氮对钢的强化作用，还表现在提高耐磨性能和耐磨蚀性能方面。

表4-8列出碳、氮含量与Cr13Ni11Mo钢磨损量。表中的数据，是对连铸机拉坯辊的磨损试验测得的结果。用氮强化的低碳马氏体镍铬不锈钢的耐磨性，优于用碳强化的同类钢号。(www.xing528.com)

表4-8 碳、氮含量与Cr13Ni4Mo钢磨损量

①分子为波动范围，分母为平均值。

含氮马氏体钢耐磨性高的原因，是由于回火处理时，氮马氏体钢中析出的（Fe、Cr）₂N比碳马氏体钢中析出的（Fe、Cr）₇C₃的颗细小，而且弥散度高，从而提高了钢的韧性和耐磨性。

图4-2示出含碳、氮马氏体不锈钢的回火温度与硬度的关系。

3.改善焊缝金属的冶金质量

在低碳和超低碳马氏体镍铬焊材用Cr13Ni4Mo、Cr13Ni5Mo、Cr13Ni6Mo等钢中，加入微量氮（质量分数小于0.10%），可以显著降低焊缝金属中δ铁素体的数量，从而改善了焊缝的冶金质量。因为，焊缝金属中晶粒粗大的δ铁素体，使回火后焊缝金属的韧性下降。同时还增强对冷裂纹的敏感性。为此，要求焊缝金属中δ铁素体的质量分数控制在5.0%以下。

图4-2 含碳、氮马氏体不锈钢的回火温度与硬度的关系

前面对氮在马氏体镍铬不锈钢中的作用只作了简单介绍。但是，氮在超低碳马氏体钢中所起作用的重要性，会日益显现出来。