镍过敏的危害与无镍高氮奥氏体不锈钢（二）

无镍高氮奥氏体不锈钢具有较高的力学性能、耐腐蚀性能和良好的生物相容性。在室温固溶态其抗拉强度和屈服强度显著提高，可达到传统AISI 200和300系列奥氏体不锈钢的2～4倍，且韧塑性仍可保持在较高的水平。由于无镍高氮奥氏体不锈钢的Kγ系数提高，晶粒尺寸的作用增大，使得其强度大大提高。同时因其形变的过程中不易诱发马氏体，更有利于保证材料的无磁性。由于高氮钢具有较高的力学和耐腐蚀性能，且具有价格便宜的优势，目前已开始替代含镍不锈钢应用于高强度建筑钢筋、矿山耐磨蚀设备、高强度紧固件以及防弹装甲等领域，而无镍高氮奥氏体不锈钢则被应用于使用条件更为严苛的医疗器械、生物金属材料制品以及手表、首饰和配饰等与人体皮肤长期直接接触的可穿戴产品领域。

制造无镍不锈钢首先需要研究和选择替代镍的奥氏体稳定化元素。可以用来替代镍的有碳、钴、锰和氮等元素。由于碳对不锈钢的敏化及晶间腐蚀作用、钴可能造成人体过敏的风险、锰含量过高会影响奥氏体的稳定，它们都不适合作为主要的代镍元素。而不锈钢中加入氮会抑制钢中铁素体相形成，显著降低铁素体的含量，使奥氏体相更加稳定，甚至能在剧烈的冷加工硬化条件下避免产生应力诱发马氏体转变。特别是与铬、锰等元素适度配合时，氮是最合适替代镍的奥氏体稳定化元素。

其次要解决氮溶解度低的问题。氮在纯铁液中的溶解度只有0.044%，在固态时溶解度也很低，成为限制高氮钢生产的最大障碍。研究发现通过加压熔化和合理设计合金成分，可以提高氮的溶解度。现阶段具有工业化前景的解决途径主要是采取合适的工艺路线以及选择适当的氮载体。

腕表机心图

制备工艺是无镍高氮不锈钢产业化生产的关键性环节。高氮钢生产的关键是需要提高钢中氮的溶解度，防止冷凝过程中钢内氮逸出，以保证氮在钢中均匀分布。目前高氮钢的制备方法可大致分为氮气加压熔炼法和粉末冶金法两大类。加压熔炼技术主要包括加压感应熔炼法（PIM）、加压等离子熔炼法（PARP）、加压电渣重熔法（PESR）、加压电弧渣重熔法（ASRP）、大熔池法（BSB） 和热等静压熔炼法（HIP）等。近年来有关利用粉末冶金技术生产高氮钢的研究资料表明，可通过非平衡方法获得过饱和的含氮固溶体和细小沉淀相，直接制备出复杂形状的零件而减少后续的机加工余量，其成本远低于加压熔炼法。

无镍高氮奥氏体不锈钢的机加工艺也有别于普通含镍不锈钢的加工工艺。其硬度远高于304、316L等手表、首饰常用的含镍不锈钢材料，因此具有较好的冲压成型、机加和表面处理性能以及制品耐磨性。无镍高氮奥氏体不锈钢应用于手表外观件时，需要根据其材料特性和热动力学曲线，确定毛坯冲压成型工艺和热处理工艺。在使用CNC设备加工时，需要选择适用于无镍高氮奥氏体不锈钢材料的刀具，并根据材料性能优化刀具几何参数，确定切削加工参数等。

在无镍高氮不锈钢的研究上，德国、保加利亚、瑞士、奥地利、日本等国家起步早投入大，先后开发出多种新型无镍高氮不锈钢材料，譬如美国Carpenter TechnologyCorp开发的BioDur 108 alloy、德国VSG公司开发的P2000等P系列、奥地利Bolher特殊钢厂开发的P548等P系列、日本大同特殊钢公司开发的NFS等。由于无镍高氮不锈钢不含镍元素，完全不存在镍溶出问题，同时具有优良的强韧性组合和耐腐蚀性能，尤其是抗点蚀和晶间腐蚀的能力强，且具有较好的耐磨性，适合应用于骨板、螺钉等人体植入器件以及医用器械使用，部分医用产品已经开始商业化生产。

我国高氮不锈钢研究和生产后起直追，亦有相当收获和成果。钢铁研究总院采用真空炉冶炼方法研制出含氮量超过0.7%的高氮不锈钢，其强度性能是普通奥氏体不锈钢的两倍而塑性基本相同；东北大学利用氮气保护气氛添加氮化合金真空感应熔炼和电渣重熔双联工艺，制备出成分均匀、组织致密的无镍高氮奥氏体不锈钢，最高氮含量达到0.81%；中国科学院沈阳金属研究所开发的BiossN4新型医用无镍高氮奥氏体不锈钢，具有优异的综合力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性，适用于骨科内固定植入器械和人工假体等外科植入器件以及血管系统用植入器件；北京科技大学采用高能球磨结合高温渗氮方法制备出Cr18Mn12Mo3N无镍高氮不锈钢粉末，利用冷压烧结工艺获得含氮量0.79%的无镍高氮奥氏体不锈钢材料；钢铁研究总院和飞亚达联合研发的无镍高氮奥氏体不锈钢材料及其制造方法获得国家发明专利授权（专利号：ZL 201210120963.6），并成功应用于手表外观件制造，2017年获得国家知识产权局颁发的中国专利优秀奖（《一种不锈钢材料及其制造方法》）。

未来无镍高氮奥氏体不锈钢的应用领域必将随着其研究成果和产业化进程而进一步扩大，并有彻底取代含镍不锈钢的趋势和可能性。我国缺少镍、铬等矿产资源，镍一直是限制我国发展不锈钢生产的重要因素。国际市场镍原料价格的不断增长，使得镍铬系不锈钢偏高，显然大力发展和应用无镍高氮奥氏体不锈钢具有重要的战略意义。

镍元素