一、凝固收縮
凝(ning)固過程中，液相向(xiang)(xiang)固相轉(zhuan)變發生(sheng)的(de)體(ti)收縮，加大了氮氣(qi)孔形成的(de)敏感性(xing)，這主要是因為凝(ning)固收縮促進(jin)了液相穿(chuan)過枝晶(jing)網狀結構或其他補縮通(tong)道向(xiang)(xiang)疏松(song)流動(dong)的(de)補縮行為，導致了疏松(song)與(yu)其附近區域之間產生(sheng)了新的(de)壓(ya)力梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)(xiang)為補縮流動(dong)的(de)反方向(xiang)(xiang)，即VP。根(gen)據(ju)質量守恒(heng)和達西定律可(ke)知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相鋼D1鑄(zhu)錠為例，心部處疏(shu)(shu)松和(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)共存的(de)形貌如圖2-63所示。由(you)疏(shu)(shu)松導致的(de)不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)之(zhi)間(jian)(jian)最大的(de)區別在(zai)于(yu)，不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)內壁(bi)凹凸不平，而規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)內壁(bi)光滑。規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)、不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)以及疏(shu)(shu)松縮孔(kong)依次沿凝(ning)固方向分(fen)(fen)(fen)布(bu)，規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡初始(shi)形成位置為單一(yi)奧(ao)氏(shi)體(ti)相。隨(sui)著凝(ning)固的(de)進(jin)行(xing)，在(zai)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)完(wan)全(quan)閉合之(zhi)前，由(you)于(yu)疏(shu)(shu)松引(yin)起的(de)鋼液(ye)靜壓(ya)力Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)生長(chang)，不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)開始(shi)形成和(he)長(chang)大。眾所周知，疏(shu)(shu)松是凝(ning)固體(ti)積縮無法得到枝(zhi)晶間(jian)(jian)液(ye)體(ti)補縮所導致的(de)，那么不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)周圍(wei)的(de)相分(fen)(fen)(fen)布(bu)和(he)基(ji)體(ti)完(wan)全(quan)相同，即奧(ao)氏(shi)體(ti)相和(he)鐵(tie)素體(ti)相交替分(fen)(fen)(fen)布(bu)，與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)周圍(wei)相分(fen)(fen)(fen)布(bu)存在(zai)差異。
此(ci)外，對柱狀鑄錠而言，凝(ning)固末期由(you)于發達枝晶(jing)網狀結構(gou)的(de)形成，凝(ning)固收縮得(de)不(bu)到液(ye)相(xiang)補充的(de)位(wei)(wei)置(zhi)往(wang)往(wang)處(chu)于中心軸(zhou)線位(wei)(wei)置(zhi)附(fu)近(jin)，那(nei)么(me)D1~D4鑄錠中不(bu)規(gui)則(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)大(da)多(duo)數(shu)(shu)分(fen)(fen)布(bu)在(zai)鑄錠中心軸(zhou)線位(wei)(wei)置(zhi)處(chu)，如圖(tu)2-50所示。不(bu)受疏(shu)松影響(xiang)的(de)規(gui)則(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)形狀近(jin)似橢圓形，且多(duo)數(shu)(shu)分(fen)(fen)布(bu)在(zai)靠近(jin)鑄錠邊部的(de)位(wei)(wei)置(zhi)。此(ci)外，鋼液(ye)靜壓力(li)Pm隨著鑄錠高度的(de)增加(jia)而減小，因此(ci)氣(qi)(qi)孔(kong)的(de)數(shu)(shu)量和尺寸均隨鑄錠高度增加(jia)而大(da)體呈現出增加(jia)的(de)趨勢（圖(tu)2-50)。
二、主要合金元素和凝固(gu)壓力
1. 氮
在(zai)鑄(zhu)錠凝固過程(cheng)(cheng)中，隨著初(chu)(chu)始氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數的增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，氮(dan)在(zai)枝晶間殘余液相中的富集(ji)程(cheng)(cheng)度更(geng)加(jia)嚴重，［％N]1iq值更(geng)大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相鋼為(wei)例，結合式（2-123)可得(de)，Pg,max也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。當初(chu)(chu)始氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數從0.25%(D2)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝固和(he)Scheil凝固而(er)言，［％N]ig的最(zui)大值分(fen)別(bie)為(wei)1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)分(fen)別(bie)為(wei)0.07MPa和(he)0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣(qi)泡形(xing)成(cheng)時(shi)的壓力關系可知，P.,max的增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)意(yi)味著液相中氮(dan)氣(qi)泡形(xing)成(cheng)的概率(lv)增(zeng)(zeng)(zeng)大，表明(ming)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)初(chu)(chu)始氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數大幅度提高了鑄(zhu)錠內出(chu)現氮(dan)氣(qi)孔缺陷(xian)的可能性。
為(wei)了驗(yan)證理(li)論計算結果，對D2、D3和(he)D4鑄錠(ding)內(nei)氮(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)的分(fen)(fen)布(bu)狀態進行實驗(yan)分(fen)(fen)析，D2、D3和(he)D4凝固壓力均(jun)為(wei)0.1MPa,其氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣(qi)孔(kong)形成(cheng)高度(du)從150mm降至40mm,如圖2-64所示(shi)。因(yin)此，Pg,max隨著初始氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數的增加(jia)而增大，液(ye)相中氮(dan)(dan)氣(qi)泡形成(cheng)難度(du)減小，氮(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)易于在(zai)鑄錠(ding)內(nei)形成(cheng)。
2. 錳
研(yan)究發(fa)現［19,25,95],部分(fen)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素（如(ru)錳(meng)(meng)(meng)和鉻）能(neng)夠提高(gao)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)溶解度，減(jian)小(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)(meng)等合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素在凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)還(huan)能(neng)促(cu)進(jin)富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)的(de)(de)形(xing)成(cheng)，減(jian)小(xiao)枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)富集(ji)，緩解氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏(pian)析，降低Ase值(zhi)。如(ru)果(guo)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素能(neng)夠減(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)總和，那么提高(gao)鋼中(zhong)(zhong)該合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)有(you)(you)助于抑制氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡在殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)成(cheng)。合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素錳(meng)(meng)(meng)提高(gao)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)同(tong)(tong)時(shi)，還(huan)有(you)(you)助于富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ和hcp相(xiang)(xiang)）在凝固過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)形(xing)成(cheng)。以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例(li)，在平衡凝固和Scheil凝固中(zhong)(zhong)，增(zeng)加合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素錳(meng)(meng)(meng)均能(neng)同(tong)(tong)時(shi)降低Aso和Ase的(de)(de)值(zhi)，如(ru)圖2-65所示。與(yu)此同(tong)(tong)時(shi)，結合(he)(he)(he)(he)式（2-123),隨著(zhu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素錳(meng)(meng)(meng)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)增(zeng)加而大幅度減(jian)小(xiao)，如(ru)圖2-66所示。因此增(zeng)加鑄錠中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素錳(meng)(meng)(meng)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)有(you)(you)助于抑制液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)形(xing)成(cheng)，減(jian)少或消(xiao)除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔缺(que)陷，該結論(lun)與(yu)Young等報道的(de)(de)一致。
3. 鉻
與合(he)(he)金元素(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻對(dui)(dui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)孔形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)(dui)復(fu)雜。一方(fang)面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)能提(ti)(ti)高液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解(jie)度和(he)促進富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于抑制(zhi)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例(li)，Aso隨(sui)鉻質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律，如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示(shi)(shi)。另一方(fang)面，鉻作(zuo)為(wei)鐵素(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)元素(su)(su)(su)，提(ti)(ti)高合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)有(you)利(li)于貧(pin)氮(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從(cong)(cong)而加(jia)(jia)劇液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)集，增(zeng)(zeng)(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)Ase(如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示(shi)(shi)），對(dui)(dui)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)具有(you)促進作(zuo)用。這種矛盾在(zai)平(ping)衡(heng)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)較(jiao)為(wei)突出，當合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)從(cong)(cong)15%增(zeng)(zeng)(zeng)至21.5%時，由于Ase的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量大于Aso的(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao)量，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示(shi)(shi)；當合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)進一步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至25%時，Ase和(he)Aso分(fen)別增(zeng)(zeng)(zeng)大和(he)減小(xiao)，但與Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化量十(shi)分(fen)明顯，進而導致(zhi)Pg出現減小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)。然而，在(zai)Scheil凝(ning)固中(zhong)，隨(sui)著合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高，有(you)助于Aso大幅(fu)度降低，Pg,max始終保持(chi)單(dan)調遞(di)減的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示(shi)(shi)。總之，隨(sui)著合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，Aso與Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化非單(dan)調，合(he)(he)金元素(su)(su)(su)鉻對(dui)(dui)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響呈現出雙面性，同樣(yang)對(dui)(dui)鑄錠內(nei)氣(qi)(qi)(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)也具有(you)雙面性。
4. 凝固壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼(gang)D1鑄錠為例，D1、D3和D5鑄錠的凝固壓力分別為0.04MPa、0.10MPa和0.13MPa,氮的質量分數分別為0.23%、0.26%和0.28%.隨著氮質量分數從0.23%(D1)增加至0.28%(D5)時，P.g,max在平衡凝固中從0.634MPa 增加至0.753MPa,在Scheil凝固中從0.618MPa增至0.707MPa,如圖2-70(a)所示。在不考慮凝固壓力對氮氣孔形成的影響時，基于初始氮質量分數對氮氣孔形成的影響規律，與D1和D3相比，D5鑄錠內氮氣孔缺陷最為嚴重。然而，當凝固壓力從0.04MPa(D1)增加至0.13MPa(D5)時，氮氣孔形成高度從0mm增加至260mm[圖2-70(b)],同時氮氣孔數量也明顯減少甚至消失。因此，增加凝固壓力是抑制和消除鑄錠中氮氣孔缺陷十分有效的手段之一。
然而，壓力(li)過高將會加速設備(bei)損耗，提高生(sheng)產(chan)成本且(qie)易引(yin)發生(sheng)產(chan)事故(gu)，影響生(sheng)產(chan)的安全和(he)順利(li)運行。因(yin)此，利(li)用(yong)加壓冶金技術(shu)制備(bei)高氮奧氏(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)過程中，需(xu)要合理地控制壓力(li)。利(li)用(yong)加壓感應爐(lu)制備(bei)高氮奧氏(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)時，壓力(li)P6可用(yong)以下公式(shi)確(que)定：
