一(yi)、凝固收縮(suo)
凝固(gu)過程(cheng)中，液相(xiang)向(xiang)(xiang)固(gu)相(xiang)轉變(bian)發生的(de)(de)體(ti)收(shou)縮(suo)，加大(da)了氮氣孔形(xing)成的(de)(de)敏感性，這主要是因為凝固(gu)收(shou)縮(suo)促進了液相(xiang)穿過枝(zhi)晶網狀結(jie)構(gou)或其他補縮(suo)通(tong)道向(xiang)(xiang)疏松流動的(de)(de)補縮(suo)行為，導致了疏松與(yu)其附(fu)近區(qu)域之(zhi)間產生了新的(de)(de)壓(ya)力梯(ti)度，梯(ti)度方向(xiang)(xiang)為補縮(suo)流動的(de)(de)反方向(xiang)(xiang)，即VP。根據質量守(shou)恒和達(da)西定(ding)律可知(zhi)：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例，心部(bu)處(chu)疏(shu)(shu)松(song)和氣(qi)孔(kong)共存(cun)的形(xing)(xing)貌如圖2-63所(suo)示。由疏(shu)(shu)松(song)導致的不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)之(zhi)間最(zui)大(da)的區別在(zai)于，不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)內壁凹凸不平，而規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)內壁光滑。規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)、不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)以及疏(shu)(shu)松(song)縮孔(kong)依次沿凝(ning)固(gu)(gu)方向分(fen)布(bu)，規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)泡初始形(xing)(xing)成(cheng)位置(zhi)為(wei)單一(yi)奧氏體相(xiang)。隨著(zhu)凝(ning)固(gu)(gu)的進(jin)行，在(zai)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)完全閉合之(zhi)前，由于疏(shu)(shu)松(song)引起的鋼液靜(jing)壓力Pm降(jiang)低，促進(jin)了氣(qi)孔(kong)的進(jin)一(yi)步(bu)生長，不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)開始形(xing)(xing)成(cheng)和長大(da)。眾所(suo)周知，疏(shu)(shu)松(song)是凝(ning)固(gu)(gu)體積縮無(wu)法(fa)得到枝(zhi)晶間液體補縮所(suo)導致的，那么不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)周圍(wei)的相(xiang)分(fen)布(bu)和基體完全相(xiang)同，即奧氏體相(xiang)和鐵(tie)素(su)體相(xiang)交(jiao)替分(fen)布(bu)，與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)周圍(wei)相(xiang)分(fen)布(bu)存(cun)在(zai)差異(yi)。
此(ci)(ci)外，對柱狀鑄(zhu)錠而(er)言，凝固(gu)末期由于(yu)發達枝晶網狀結構的(de)(de)(de)(de)形(xing)成，凝固(gu)收縮得不到液相補充的(de)(de)(de)(de)位(wei)置往(wang)往(wang)處(chu)于(yu)中心(xin)(xin)軸線位(wei)置附近，那么(me)D1~D4鑄(zhu)錠中不規(gui)則氣(qi)孔大(da)多數(shu)(shu)分(fen)布(bu)在鑄(zhu)錠中心(xin)(xin)軸線位(wei)置處(chu)，如(ru)圖(tu)(tu)2-50所(suo)示。不受疏松影響(xiang)的(de)(de)(de)(de)規(gui)則氣(qi)孔形(xing)狀近似橢圓形(xing)，且多數(shu)(shu)分(fen)布(bu)在靠近鑄(zhu)錠邊部的(de)(de)(de)(de)位(wei)置。此(ci)(ci)外，鋼(gang)液靜壓力Pm隨(sui)(sui)著鑄(zhu)錠高(gao)度的(de)(de)(de)(de)增加而(er)減小(xiao)，因此(ci)(ci)氣(qi)孔的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)量和尺寸(cun)均隨(sui)(sui)鑄(zhu)錠高(gao)度增加而(er)大(da)體呈現出增加的(de)(de)(de)(de)趨勢（圖(tu)(tu)2-50)。
二、主要(yao)合(he)金元素和(he)凝(ning)固壓力
1. 氮
在鑄錠凝固過程(cheng)中，隨(sui)(sui)著(zhu)初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數(shu)(shu)的(de)(de)增加(jia)，氮(dan)在枝晶(jing)間殘(can)余液相中的(de)(de)富集程(cheng)度(du)更加(jia)嚴(yan)重，［％N]1iq值更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)雙相鋼(gang)為例，結合式(shi)（2-123)可得，Pg,max也隨(sui)(sui)之(zhi)增加(jia)。當初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數(shu)(shu)從0.25%(D2)增加(jia)至(zhi)0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝固和(he)Scheil凝固而言，［％N]ig的(de)(de)最大值分別為1.03%和(he)1.51%(圖(tu)2-51),Pg,max的(de)(de)增量(liang)分別為0.07MPa和(he)0.18MPa(如圖(tu)2-64所示）。由氣泡形成(cheng)時(shi)的(de)(de)壓力關系可知，P.,max的(de)(de)增加(jia)意味著(zhu)液相中氮(dan)氣泡形成(cheng)的(de)(de)概率增大，表明增加(jia)初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數(shu)(shu)大幅度(du)提(ti)高了鑄錠內(nei)出(chu)現氮(dan)氣孔缺陷(xian)的(de)(de)可能(neng)性。
為(wei)了驗證理(li)論計(ji)算結果，對D2、D3和D4鑄(zhu)錠內氮(dan)(dan)(dan)氣孔的分(fen)布狀態進行實驗分(fen)析(xi)，D2、D3和D4凝固壓力(li)均(jun)為(wei)0.1MPa,其氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)分(fen)別為(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣孔形成(cheng)高度(du)從150mm降至(zhi)40mm,如圖2-64所示(shi)。因此，Pg,max隨著(zhu)初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)數(shu)(shu)的增加(jia)而增大，液相(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)氣泡形成(cheng)難(nan)度(du)減小，氮(dan)(dan)(dan)氣孔易于在鑄(zhu)錠內形成(cheng)。
2. 錳
研(yan)究發現［19,25,95],部分合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素（如錳和鉻）能(neng)夠提(ti)高液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮的(de)(de)溶解度，減(jian)小(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)錳等合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)還能(neng)促(cu)進富(fu)氮相(xiang)的(de)(de)形(xing)成，減(jian)小(xiao)枝晶間(jian)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮的(de)(de)富(fu)集，緩(huan)解氮偏(pian)析，降(jiang)低Ase值(zhi)。如果合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素能(neng)夠減(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)總(zong)和，那么提(ti)高鋼(gang)中(zhong)該合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素的(de)(de)質(zhi)量分數(shu)有(you)助(zhu)于(yu)抑制(zhi)氮氣(qi)泡(pao)在殘余液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)形(xing)成。合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素錳提(ti)高液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮質(zhi)量分數(shu)的(de)(de)同時(shi)，還有(you)助(zhu)于(yu)富(fu)氮相(xiang)（如奧氏體相(xiang)γ和hcp相(xiang)）在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)形(xing)成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)(zhu)錠(ding)為例，在平衡凝(ning)固(gu)和Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)，增(zeng)加(jia)合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素錳均能(neng)同時(shi)降(jiang)低Aso和Ase的(de)(de)值(zhi)，如圖2-65所示(shi)。與(yu)此同時(shi)，結(jie)(jie)合(he)(he)(he)(he)式（2-123),隨(sui)著合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素錳質(zhi)量分數(shu)增(zeng)加(jia)而大幅度減(jian)小(xiao)，如圖2-66所示(shi)。因此增(zeng)加(jia)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)中(zhong)合(he)(he)(he)(he)金元(yuan)素錳的(de)(de)質(zhi)量分數(shu)有(you)助(zhu)于(yu)抑制(zhi)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮氣(qi)泡(pao)的(de)(de)形(xing)成，減(jian)少(shao)或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相(xiang)鋼(gang)中(zhong)氮氣(qi)孔缺陷(xian)，該結(jie)(jie)論與(yu)Young等報(bao)道的(de)(de)一致。
3. 鉻(ge)
與合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)錳相(xiang)比，合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)(dui)氮(dan)氣孔形成(cheng)的(de)(de)影(ying)響相(xiang)對(dui)(dui)復雜。一(yi)方面(mian)(mian)(mian)，增(zeng)加合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)能提(ti)(ti)高(gao)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)溶(rong)解度和促進(jin)富氮(dan)相(xiang)（hcp 相(xiang)）在凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)形成(cheng)（圖2-67),減(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)值，有助(zhu)(zhu)于抑制液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)形成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠(ding)為(wei)例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)規(gui)律，如圖2-68所示(shi)。另一(yi)方面(mian)(mian)(mian)，鉻(ge)(ge)作為(wei)鐵素(su)(su)(su)體相(xiang)8形成(cheng)元素(su)(su)(su)，提(ti)(ti)高(gao)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)有利于貧氮(dan)鐵素(su)(su)(su)體相(xiang)8的(de)(de)形成(cheng)（圖2-67),從而加劇液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)富集(ji)，增(zeng)大氮(dan)的(de)(de)偏析，增(zeng)加Ase(如圖2-68所示(shi)），對(dui)(dui)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)形成(cheng)具有促進(jin)作用。這種矛盾在平衡凝(ning)(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)較(jiao)為(wei)突出，當合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)從15%增(zeng)至21.5%時，由于Ase的(de)(de)增(zeng)量(liang)(liang)大于Aso的(de)(de)減(jian)小(xiao)量(liang)(liang)，Pg,max呈現增(zeng)大的(de)(de)趨勢(shi)(shi)，如圖2-69所示(shi)；當合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)進(jin)一(yi)步增(zeng)加至25%時，Ase和Aso分(fen)別增(zeng)大和減(jian)小(xiao)，但與Ase相(xiang)比Aso的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)量(liang)(liang)十分(fen)明顯(xian)，進(jin)而導致Pg出現減(jian)小(xiao)的(de)(de)趨勢(shi)(shi)。然(ran)而，在Scheil凝(ning)(ning)固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，隨(sui)著合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)，有助(zhu)(zhu)于Aso大幅度降低，Pg,max始終保持單(dan)調遞(di)減(jian)的(de)(de)趨勢(shi)(shi)，如圖2-69所示(shi)。總之(zhi)，隨(sui)著合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)增(zeng)加，Aso與Ase之(zhi)和的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)非(fei)單(dan)調，合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)(dui)液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡形成(cheng)的(de)(de)影(ying)響呈現出雙(shuang)面(mian)(mian)(mian)性，同樣對(dui)(dui)鑄(zhu)錠(ding)內氣孔的(de)(de)形成(cheng)也具有雙(shuang)面(mian)(mian)(mian)性。
4. 凝固(gu)壓(ya)力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相(xiang)鋼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(ya)力(li)過高將(jiang)會加(jia)速設備損耗(hao)，提高生(sheng)產成本且易引(yin)發生(sheng)產事故，影響(xiang)生(sheng)產的安全和(he)順利(li)運行(xing)。因此(ci)，利(li)用(yong)加(jia)壓(ya)冶金技術制備高氮奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹(xiu)鋼過程中，需(xu)要合理地控制壓(ya)力(li)。利(li)用(yong)加(jia)壓(ya)感應爐制備高氮奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹(xiu)鋼時，壓(ya)力(li)P6可用(yong)以下公式確定：
