53Cr21Mn9Ni4N（简称21-4N）是目前世界各国用来制造发动机气门的主要钢种，它是以奥氏体为基体，以碳、氮化合物作为沉淀硬化相弥散分布，以获得足够的高温强度、韧性、硬度、耐磨性以及冷热交变条件下组织的稳定性、抗氧化性和耐氧化铅的腐蚀性。

某公司采用“新三步”法（合金液＋低磷钢水→AOD吹炼）冶炼21-4N钢。入AOD炉的钢水温度为1460～1500℃。脱碳期全程主氮气流量≥10Nm3/min，即只能将氮气流量调大，不能调小。氧气 流量25Nm3/min。根据脱碳的进程及钢水温度，改变氧气流量，达到“脱碳保铬”的目的。生产的21-4N的化学成分见下表。

表1  21-4N钢的化学成分（质量分数，%） 

对21-4N气门钢氮气合金化的工业化生产实践表明：

    （1）氮在钢液中的溶解度除受氮分压影响外，还受合金元素及温度的影响。与氮亲和力强的元素从强到弱依次为Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mn等。即如果合金元素与氮的亲和力强，氮在钢液中的活泼程度下降，氮的活度减小，氮含量增加。

    （2）“脱碳保铬”期在主氮气流量≥10Nm3/min情况下搅拌钢液，氧化终点的氮含量能达到0.135%。

    （3）AOD炉预还原期间氮气流量增大到14Nm3/min，扒渣时氮含量可以增大到0.37%左右。

    （4）AOD精炼期间，随着钢水温度的下降，仍然采用14Nm3/min的氮气流量搅拌钢液，出钢前氮含量可控制在0.455%～0.475%之间。

    （5）LF炉只能底吹氩气搅拌钢液，促使氮离子呈弥散形式均匀分布到C-Cr-Mn-Ni的晶界中去，形成稳定的基体组织。LF炉需加入氮化铬稳氮，确保LF炉出钢氮含量稳定在0.43%～0.46%之间。

    （6）21-4N气门钢中，氮与强氮化元素铬、锰结合成了稳定的氮化物，大大降低了氮的活度。并且氮的原子半径大，扩散系数小，因此，真空处理时脱氮率只有0～10%。VD处理时，有效真空时间为8～10min时，氮含量基本不减少。