传统意义上,在钢中加入氮元素会使钢中产生非金属化合物,降低钢的综合性能,因此要将钢中的氮含量控制在一定的范围之内。然而,在钢中加入氮并不是完全没有益处,在高氮钢中氮可以和钢中的其他合金元素交互作用,从而改善材料的力学性能、耐腐蚀性能及生物相容性,这使得高氮奥氏体不锈钢成为近年来广泛使用的新型结构材料之一。目前,不锈钢主要的增氮工艺是固相渗氮工艺和液相渗氮工艺,但二者分别在增氮效果和工业化大规模的生产存在一定的不足,本研究结合两者的优点,提出了一种新型的渗氮工艺—糊状区保温增氮工艺。其熔炼特点是:在固液两相共存区进行“半固态”保温,使反应充分进行,氮气充分融入奥氏体相,最终获得高氮不锈钢。通过实验研究及理论分析,本文得出了以下结论:(1)本研究选取18Cr18Mn合金为原材料,采用糊状区保温工艺在真空/高压感应熔炼炉中制备含氮不锈钢。对氮含量和气孔率的检测表明,糊状区保温工艺提高了钢中的氮含量,降低了气孔率,并且增氮效果随保温时间增加而增加。在0.1MPa的氮气压力下,随着保温时间从0min增加至20min,不锈钢中氮含量从0.161%提高至0.384%,气孔率从3.69%降至3.25%。(2)观察合金的显微组织发现,合金的显微组织主要由铁素体,奥氏体和σ相三部分组成,并且随着氮含量的增加,奥氏体体积分数逐渐增加,铁素体和σ相体积分数逐渐减小,同时,铁素体的显微形貌从网状、片状转变为短棒状、孤岛状。当氮含量达到0.279%时,不锈钢室温组织只包含铁素体相和奥氏体相,不出现σ相,高的氮含量会抑制σ相的形核。(3)糊状区保温增氮机理可做如下解释:糊状区保温促进铁素体转变为奥氏体,而奥氏体体积分数的增加又能进一步提高钢中氮的溶解度;除此之外,液相中氮含量的提高会促使液相向奥氏体转变,使得组织中的奥氏体含量升高,最终提高了铸锭中的氮含量。(4)分析了氮含量对合金包晶反应进程的影响,结果表明增加氮含量可促进包晶转变的程度。氮含量主要是通过影响合金的铬镍当量比,进而影响凝固过程中铁素体向奥氏体转变的体积分数,最终影响包晶反应的进程。(5)探究了氮含量对不锈钢力学性能的影响,结果表明,不锈钢的屈服强度随着氮含量的增加,呈现先降低后增加随后又略微下降的趋势;不锈钢的延伸率随氮含量的升高呈现先减小后增大的―V‖字型趋势。同时,随着氮含量的增加,材料的塑性增加,不锈钢的断裂方式从脆性的沿晶断裂和穿晶断裂方式转变为韧性断裂。