無鎳高氮奧氏體不銹鋼具有較高的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和良好的生物相容性。在室溫固溶態(tài)其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高，可達(dá)到傳統(tǒng)AISI 200和300系列奧氏體不銹鋼的2～4倍，且韌塑性仍可保持在較高的水平。由于無鎳高氮奧氏體不銹鋼的Kγ系數(shù)提高，晶粒尺寸的作用增大，使得其強(qiáng)度大大提高。同時(shí)因其形變的過程中不易誘發(fā)馬氏體，更有利于保證材料的無磁性。由于高氮鋼具有較高的力學(xué)和耐腐蝕性能，且具有價(jià)格便宜的優(yōu)勢，目前已開始替代含鎳不銹鋼應(yīng)用于高強(qiáng)度建筑鋼筋、礦山耐磨蝕設(shè)備、高強(qiáng)度緊固件以及防彈裝甲等領(lǐng)域，而無鎳高氮奧氏體不銹鋼則被應(yīng)用于使用條件更為嚴(yán)苛的醫(yī)療器械、生物金屬材料制品以及手表、首飾和配飾等與人體皮膚長期直接接觸的可穿戴產(chǎn)品領(lǐng)域。

制造無鎳不銹鋼首先需要研究和選擇替代鎳的奧氏體穩(wěn)定化元素?？梢杂脕硖娲嚨挠刑?、鈷、錳和氮等元素。由于碳對(duì)不銹鋼的敏化及晶間腐蝕作用、鈷可能造成人體過敏的風(fēng)險(xiǎn)、錳含量過高會(huì)影響奧氏體的穩(wěn)定，它們都不適合作為主要的代鎳元素。而不銹鋼中加入氮會(huì)抑制鋼中鐵素體相形成，顯著降低鐵素體的含量，使奧氏體相更加穩(wěn)定，甚至能在劇烈的冷加工硬化條件下避免產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變。特別是與鉻、錳等元素適度配合時(shí)，氮是最合適替代鎳的奧氏體穩(wěn)定化元素。

其次要解決氮溶解度低的問題。氮在純鐵液中的溶解度只有0.044%，在固態(tài)時(shí)溶解度也很低，成為限制高氮鋼生產(chǎn)的最大障礙。研究發(fā)現(xiàn)通過加壓熔化和合理設(shè)計(jì)合金成分，可以提高氮的溶解度。現(xiàn)階段具有工業(yè)化前景的解決途徑主要是采取合適的工藝路線以及選擇適當(dāng)?shù)牡d體。

腕表機(jī)心圖

制備工藝是無鎳高氮不銹鋼產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。高氮鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵是需要提高鋼中氮的溶解度，防止冷凝過程中鋼內(nèi)氮逸出，以保證氮在鋼中均勻分布。目前高氮鋼的制備方法可大致分為氮?dú)饧訅喝蹮挿ê头勰┮苯鸱▋纱箢?。加壓熔煉技術(shù)主要包括加壓感應(yīng)熔煉法（PIM）、加壓等離子熔煉法（PARP）、加壓電渣重熔法（PESR）、加壓電弧渣重熔法（ASRP）、大熔池法（BSB） 和熱等靜壓熔煉法（HIP）等。近年來有關(guān)利用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)高氮鋼的研究資料表明，可通過非平衡方法獲得過飽和的含氮固溶體和細(xì)小沉淀相，直接制備出復(fù)雜形狀的零件而減少后續(xù)的機(jī)加工余量，其成本遠(yuǎn)低于加壓熔煉法。

無鎳高氮奧氏體不銹鋼的機(jī)加工藝也有別于普通含鎳不銹鋼的加工工藝。其硬度遠(yuǎn)高于304、316L等手表、首飾常用的含鎳不銹鋼材料，因此具有較好的沖壓成型、機(jī)加和表面處理性能以及制品耐磨性。無鎳高氮奧氏體不銹鋼應(yīng)用于手表外觀件時(shí)，需要根據(jù)其材料特性和熱動(dòng)力學(xué)曲線，確定毛坯沖壓成型工藝和熱處理工藝。在使用CNC設(shè)備加工時(shí)，需要選擇適用于無鎳高氮奧氏體不銹鋼材料的刀具，并根據(jù)材料性能優(yōu)化刀具幾何參數(shù)，確定切削加工參數(shù)等。

在無鎳高氮不銹鋼的研究上，德國、保加利亞、瑞士、奧地利、日本等國家起步早投入大，先后開發(fā)出多種新型無鎳高氮不銹鋼材料，譬如美國Carpenter TechnologyCorp開發(fā)的BioDur 108 alloy、德國VSG公司開發(fā)的P2000等P系列、奧地利Bolher特殊鋼廠開發(fā)的P548等P系列、日本大同特殊鋼公司開發(fā)的NFS等。由于無鎳高氮不銹鋼不含鎳元素，完全不存在鎳溶出問題，同時(shí)具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性組合和耐腐蝕性能，尤其是抗點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的能力強(qiáng)，且具有較好的耐磨性，適合應(yīng)用于骨板、螺釘?shù)热梭w植入器件以及醫(yī)用器械使用，部分醫(yī)用產(chǎn)品已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)。

我國高氮不銹鋼研究和生產(chǎn)后起直追，亦有相當(dāng)收獲和成果。鋼鐵研究總院采用真空爐冶煉方法研制出含氮量超過0.7%的高氮不銹鋼，其強(qiáng)度性能是普通奧氏體不銹鋼的兩倍而塑性基本相同；東北大學(xué)利用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛添加氮化合金真空感應(yīng)熔煉和電渣重熔雙聯(lián)工藝，制備出成分均勻、組織致密的無鎳高氮奧氏體不銹鋼，最高氮含量達(dá)到0.81%；中國科學(xué)院沈陽金屬研究所開發(fā)的BiossN4新型醫(yī)用無鎳高氮奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性能和生物相容性，適用于骨科內(nèi)固定植入器械和人工假體等外科植入器件以及血管系統(tǒng)用植入器件；北京科技大學(xué)采用高能球磨結(jié)合高溫滲氮方法制備出Cr18Mn12Mo3N無鎳高氮不銹鋼粉末，利用冷壓燒結(jié)工藝獲得含氮量0.79%的無鎳高氮奧氏體不銹鋼材料；鋼鐵研究總院和飛亞達(dá)聯(lián)合研發(fā)的無鎳高氮奧氏體不銹鋼材料及其制造方法獲得國家發(fā)明專利授權(quán)（專利號(hào)：ZL 201210120963.6），并成功應(yīng)用于手表外觀件制造，2017年獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)（《一種不銹鋼材料及其制造方法》）。

未來無鎳高氮奧氏體不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域必將隨著其研究成果和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程而進(jìn)一步擴(kuò)大，并有徹底取代含鎳不銹鋼的趨勢和可能性。我國缺少鎳、鉻等礦產(chǎn)資源，鎳一直是限制我國發(fā)展不銹鋼生產(chǎn)的重要因素。國際市場鎳原料價(jià)格的不斷增長，使得鎳鉻系不銹鋼偏高，顯然大力發(fā)展和應(yīng)用無鎳高氮奧氏體不銹鋼具有重要的戰(zhàn)略意義。

鎳元素