不锈钢冶金工程中氮元素控制技术及耐蚀性能提升的试验分析

一、引言

不锈钢因优异耐蚀性和力学性能，广泛用于化工、食品、能源等领域。在不锈钢冶金中，氮元素是“ 双刃剑” ：适量氮可细化晶粒、提升强度与耐局部腐蚀性能；氮含量过高会形成气孔、氮化物夹杂，降低耐蚀性与加工性能；过低则无法充分发挥强化作用，影响综合性能。目前，部分企业氮元素控制精度不足，产品耐蚀性能波动大，难以满足高端领域要求。所以，开展不锈钢冶金中氮元素控制技术及耐蚀性能提升试验分析具有工程价值。

二、氮元素对不锈钢组织与耐蚀性能的影响机制

（一）氮元素对不锈钢显微组织的影响

氮元素在奥氏体不锈钢中固溶能力强，可稳定奥氏体组织、抑制铁素体析出。将氮含量控制在适宜范围（ 0.08%0.15% ），能细化奥氏体晶粒、减少晶界缺陷、提升组织均匀性。试验表明，氮含量为 0.10% 的 304L 不锈钢，晶粒尺寸较氮含量 0.05% 的试样减小 20%-25% ，且晶界无明显氮化物析出。然而，若氮含量超过 0.18% ，钢液凝固时会形成气泡，冷却后留下气孔，同时氮易与铬、钛等形成氮化物夹杂。这些缺陷会破坏组织连续性，加剧不锈钢腐蚀。

（二）氮元素对不锈钢耐蚀性能的影响

1. 耐均匀腐蚀性能：适量氮可提高不锈钢在酸、碱介质中的耐均匀腐蚀能力。氮在钢表面钝化膜中能促进 Cr₂O₃ 富集，增强钝化膜致密性与稳定性。试验显示，氮含量 0.10% 的 304L 不锈钢在 5% 硫酸溶液中腐蚀速率为 0.025mm/a ，较氮含量 0.05% 的试样降低 34%_< 。

2. 耐局部腐蚀性能：氮对不锈钢耐点蚀、缝隙腐蚀性能提升显著。在 ⁻环境中，氮可抑制点蚀核形成与扩展，提高点蚀电位。当氮含量从 0.05% 提升至 0.12% 时，304L 不锈钢点蚀电位提升 78% ，降低局部腐蚀风险。但氮含量过高 Λ>0.18% ）时，钢中气孔与氮化物夹杂会成腐蚀起点，使耐蚀性能骤降。试验中，氮含量 0.20% 的试样在 3.5% 氯化钠溶液中点蚀速率较 0.10% 的试样增加 1.5 - 2 倍。

三、不锈钢冶金中氮元素控制技术

（一）真空精炼技术优化

真空精炼是控制不锈钢氮含量的核心环节，通过降低精炼过程中的气相氮分压，实现氮的脱除与精准调控。试验采用 “ RH 真空循环脱气 + 真空吹氧脱碳” 组合工艺，具体优化措施如下：

调整真空度与精炼时间：将真空度控制在 67-133Pa ，精炼时间延长至25-30min ，可有效脱除钢液中过剩的氮。对比试验表明，该参数下，钢液氮含量可从初始 0.22% 降至 0.12%0.15% ，脱氮效率达 32‰ 。

优化吹氩制度：采用 “ 底吹氩 + 顶吹氩” 复合吹氩模式，底吹氩流量控制在 150-200L/min，顶吹氩流量 80-100L/min，促进钢液循环，避免局部氮含量富集，使氮含量均匀性误差控制在 ± 0.01% 以内。

（二）合金成分调控

通过调整合金加入种类与比例，可增强对氮的固溶与稳定能力，避免氮化物析出。试验中采用以下调控方案：

控制铬含量：将铬含量稳定在 18%-19% ，铬可与氮形成弱结合，减少Cr₂N 析出；同时，铬是钝化膜的主要成分，保障耐蚀性能基础。

添加镍与锰：镍（ 8%-10% ）可显著提升氮在奥氏体中的固溶度，锰（ 1.0%1.5% ）能进一步增强氮的稳定性，二者协同作用，使氮在较低含量下即可发挥强化效果，避免氮含量过高导致缺陷。

精准控制钛、铌含量：钛、铌虽能固定氮形成稳定氮化物，但过量会

增加夹杂量。试验中钛含量控制在 0.02%0.05% ，铌含量 0.03%0.06% ，既减少自由氮，又避免氮化物过量析出。

（三）连铸工艺控制

连铸过程的冷却速率与结晶制度会影响氮的分布与析出，需重点优化

控制冷却强度：采用 “ 弱冷 - 强冷 - 缓冷” 三段式冷却制度，结晶器水量 280-320m³/h ，二冷区比水量 0.8-1.0L/kg ，避免冷却过快导致氮来不及扩散形成局部富集。

优化拉坯速度：拉坯速度控制在 1.2–1.4m/min ，与冷却强度匹配，保证铸坯结晶均匀，减少氮化物在晶界的析出量。试验显示，该拉速下，铸坯氮含量均匀性较 1.6m/min 时提升 15%-20%. 。

四、耐蚀性能提升效果验证试验

（一）试验方案设计

以 304L 不锈钢为材料，设计 4 组不同氮含量试样（A 组 0.05% 、B组 0.10% 、C 组 0.15% 、D 组 0.20% ），通过以下试验验证耐蚀性能：均匀腐蚀试验，将试样浸泡于 5% 硫酸溶液（ 25^∘C ）72h 后测腐蚀速率；点蚀试验，用动电位极化法在 3.5% 氯化钠溶液（ 30^∘C ）中以 1mV/s 扫描速率测点蚀电位与腐蚀电流密度；微观组织观察，用光学显微镜（OM）与扫描电子显微镜（SEM）观察试样组织与腐蚀后表面形貌。

（二）试验结果分析

1.均匀腐蚀性能

A 组（ 0.05%N ）腐蚀速率 0.038mm/a ，B 组（ 0.10%N ） 0.025mm/a ，C 组（ 0.15% N） 0.028mm/a ，D 组（ 0.20% N） 0.052mm/a 。B 组腐蚀速率最低，较 A 组降低 34% ，表明 0.10% 左右氮含量对均匀腐蚀抑制效果最佳；D 组因气孔与夹杂，腐蚀速率最高，较 B 组增加 1.08 倍。

2.点蚀性能

B 组点蚀电位 320mV （SCE），腐蚀电流密度 8.5μA/cm² ；A 组点蚀电位 180mV（SCE），腐蚀电流密度 15.2μ A/cm²；C 组点蚀电位 290mV （SCE），腐蚀电流密度 10.3μA/cm² ；D 组点蚀电位 120mV （SCE），腐蚀电流密度 28.6μA/cm² 。B 组点蚀电位最高、腐蚀电流密度最低，耐局部腐蚀性能最优。

3.微观组织与腐蚀形貌

B 组试样晶粒均匀，无明显气孔与夹杂，腐蚀后仅轻微均匀腐蚀；D 组有较多气孔与 Cr₂N 夹杂，腐蚀后有明显点蚀坑与腐蚀沟槽，验证了氮含量过高对组织与耐蚀性有负面影响。

五、结论

氮元素对不锈钢组织与耐蚀性影响显著，适宜含量（ 0.08%0.12% ）可细化晶粒、增强钝化膜稳定性，过高（ >0.18% ）则导致气孔与氮化物夹杂，降低耐蚀性；“ 真空精炼 + 合金调控 + 连铸工艺优化” 的组合技术，可实现氮含量精准控制，将 304L 不锈钢氮含量稳定在 0.08%0.12% ，均匀性误差 ± 0.01% ；氮含量控制在 0.10% 左右时，不锈钢耐均匀腐蚀速率降低 34% ，点蚀电位提升 78% ，耐蚀性能最优，同时保障力学性能与加工性能。

参考文献

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