一、凝(ning)固(gu)收縮(suo)
凝(ning)固(gu)過程中，液相(xiang)向(xiang)固(gu)相(xiang)轉變發生的(de)(de)(de)體收縮(suo)，加大了(le)(le)氮(dan)氣(qi)孔形成的(de)(de)(de)敏感性，這主要是因為(wei)凝(ning)固(gu)收縮(suo)促進了(le)(le)液相(xiang)穿過枝晶網狀結構或其他(ta)補(bu)縮(suo)通道向(xiang)疏(shu)松流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)補(bu)縮(suo)行為(wei)，導致了(le)(le)疏(shu)松與其附(fu)近(jin)區域(yu)之間(jian)產生了(le)(le)新的(de)(de)(de)壓力梯度，梯度方向(xiang)為(wei)補(bu)縮(suo)流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)反方向(xiang)，即VP。根據質(zhi)量守恒和達(da)西(xi)定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼(gang)(gang)D1鑄錠為例，心部處疏松(song)和氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)共存的(de)(de)形(xing)(xing)貌如圖2-63所(suo)示。由(you)疏松(song)導致的(de)(de)不(bu)(bu)規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)與規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)之間最大(da)的(de)(de)區(qu)別在于，不(bu)(bu)規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)內(nei)壁(bi)凹凸不(bu)(bu)平(ping)，而規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)內(nei)壁(bi)光滑。規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)以及疏松(song)縮孔(kong)(kong)(kong)(kong)依次(ci)沿凝固方向(xiang)分(fen)布(bu)，規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)泡初(chu)始形(xing)(xing)成位(wei)置為單一(yi)(yi)奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)。隨著凝固的(de)(de)進(jin)行，在規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)完(wan)(wan)全(quan)閉合之前，由(you)于疏松(song)引起的(de)(de)鋼(gang)(gang)液靜壓(ya)力Pm降低，促(cu)進(jin)了氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)進(jin)一(yi)(yi)步生長，不(bu)(bu)規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)開(kai)始形(xing)(xing)成和長大(da)。眾所(suo)周(zhou)(zhou)知，疏松(song)是凝固體(ti)(ti)積縮無法得到枝(zhi)晶間液體(ti)(ti)補縮所(suo)導致的(de)(de)，那么不(bu)(bu)規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)(zhou)圍的(de)(de)相(xiang)分(fen)布(bu)和基(ji)體(ti)(ti)完(wan)(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)，即奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)和鐵素體(ti)(ti)相(xiang)交替(ti)分(fen)布(bu)，與規則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)(zhou)圍相(xiang)分(fen)布(bu)存在差異。
此(ci)(ci)外，對柱(zhu)狀鑄(zhu)(zhu)錠(ding)而(er)言(yan)，凝固(gu)末期由于發達枝晶網狀結構的(de)(de)形(xing)成，凝固(gu)收縮得不到液(ye)相補充的(de)(de)位置(zhi)往(wang)(wang)往(wang)(wang)處(chu)于中(zhong)(zhong)心軸(zhou)(zhou)線位置(zhi)附近，那么(me)D1~D4鑄(zhu)(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)不規則(ze)氣孔(kong)(kong)大(da)多數分布在鑄(zhu)(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)心軸(zhou)(zhou)線位置(zhi)處(chu)，如圖(tu)2-50所示(shi)。不受疏(shu)松影響的(de)(de)規則(ze)氣孔(kong)(kong)形(xing)狀近似橢(tuo)圓形(xing)，且多數分布在靠(kao)近鑄(zhu)(zhu)錠(ding)邊部的(de)(de)位置(zhi)。此(ci)(ci)外，鋼液(ye)靜(jing)壓力(li)Pm隨著鑄(zhu)(zhu)錠(ding)高(gao)度的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)減小，因此(ci)(ci)氣孔(kong)(kong)的(de)(de)數量和尺寸均隨鑄(zhu)(zhu)錠(ding)高(gao)度增(zeng)加(jia)而(er)大(da)體呈現出增(zeng)加(jia)的(de)(de)趨勢（圖(tu)2-50)。
二(er)、主要合金元素(su)和凝(ning)固壓力
1. 氮
在(zai)鑄錠凝固過程(cheng)中，隨著初(chu)(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，氮(dan)(dan)(dan)在(zai)枝(zhi)晶間殘(can)余(yu)液相中的(de)富集程(cheng)度(du)更加(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值更大(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)雙相鋼為例，結合式(shi)（2-123)可得，Pg,max也隨之增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)。當初(chu)(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數從(cong)0.25%(D2)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至0.29%(D4)時，對平(ping)衡凝固和(he)Scheil凝固而言，［％N]ig的(de)最大(da)值分別(bie)為1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)分別(bie)為0.07MPa和(he)0.18MPa(如(ru)圖2-64所(suo)示）。由(you)氣泡形成時的(de)壓(ya)力關系可知，P.,max的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)意(yi)味著液相中氮(dan)(dan)(dan)氣泡形成的(de)概(gai)率增(zeng)(zeng)大(da)，表明增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)初(chu)(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分數大(da)幅(fu)度(du)提高了鑄錠內出現氮(dan)(dan)(dan)氣孔缺陷的(de)可能(neng)性。
為(wei)了驗證理論計算結果，對D2、D3和D4鑄(zhu)(zhu)錠(ding)內(nei)氮氣(qi)孔(kong)(kong)的分布狀態進行實驗分析，D2、D3和D4凝固壓力均(jun)為(wei)0.1MPa,其(qi)氮質(zhi)(zhi)量分數(shu)分別為(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣(qi)孔(kong)(kong)形成(cheng)高(gao)度從150mm降至40mm,如圖2-64所示。因此，Pg,max隨著(zhu)初(chu)始氮質(zhi)(zhi)量分數(shu)的增加而增大，液相中氮氣(qi)泡形成(cheng)難度減小(xiao)，氮氣(qi)孔(kong)(kong)易于(yu)在鑄(zhu)(zhu)錠(ding)內(nei)形成(cheng)。
2. 錳
研究發(fa)現［19,25,95],部分(fen)(fen)(fen)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)（如(ru)錳(meng)和(he)(he)鉻）能(neng)夠提(ti)高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)溶解(jie)度，減(jian)小(xiao)Aso值；其中(zhong)(zhong)錳(meng)等(deng)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)還能(neng)促進富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)形成(cheng)(cheng)，減(jian)小(xiao)枝(zhi)晶間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)富(fu)集，緩解(jie)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)偏析，降(jiang)低Ase值。如(ru)果合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)能(neng)夠減(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)總和(he)(he)，那么提(ti)高(gao)鋼(gang)中(zhong)(zhong)該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)有助于(yu)抑(yi)制氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡在(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形成(cheng)(cheng)。合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)提(ti)高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)同時，還有助于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)形成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)錠(ding)為例，在(zai)平衡(heng)凝(ning)固(gu)和(he)(he)Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)，增加合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)均(jun)能(neng)同時降(jiang)低Aso和(he)(he)Ase的(de)值，如(ru)圖(tu)(tu)2-65所示。與(yu)此同時，結合(he)(he)(he)式（2-123),隨(sui)著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)增加而大幅度減(jian)小(xiao)，如(ru)圖(tu)(tu)2-66所示。因(yin)此增加鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳(meng)的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)有助于(yu)抑(yi)制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)形成(cheng)(cheng)，減(jian)少或消除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔缺陷，該結論與(yu)Young等(deng)報道的(de)一致。
3. 鉻
與(yu)合(he)金元素錳相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)對氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)對復雜(za)。一(yi)方面，增加(jia)(jia)(jia)合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)能提(ti)高(gao)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度和(he)促(cu)進(jin)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)）在凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),減(jian)小Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于抑制液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)(wei)例，Aso隨(sui)(sui)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化規律，如圖(tu)(tu)2-68所示(shi)。另一(yi)方面，鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)作(zuo)為(wei)(wei)鐵(tie)(tie)素體相(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)元素，提(ti)高(gao)合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)有(you)利于貧氮(dan)(dan)鐵(tie)(tie)素體相(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),從(cong)而加(jia)(jia)(jia)劇液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集，增大(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增加(jia)(jia)(jia)Ase(如圖(tu)(tu)2-68所示(shi)），對液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)具有(you)促(cu)進(jin)作(zuo)用。這(zhe)種矛盾(dun)在平衡凝固(gu)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)較為(wei)(wei)突(tu)出(chu)，當合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)從(cong)15%增至21.5%時(shi)，由于Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增量(liang)大(da)于Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小量(liang)，Pg,max呈現增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)(qu)勢(shi)，如圖(tu)(tu)2-69所示(shi)；當合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)進(jin)一(yi)步(bu)增加(jia)(jia)(jia)至25%時(shi)，Ase和(he)Aso分(fen)(fen)(fen)別增大(da)和(he)減(jian)小，但(dan)與(yu)Ase相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化量(liang)十(shi)分(fen)(fen)(fen)明顯，進(jin)而導致Pg出(chu)現減(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)(qu)勢(shi)。然而，在Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，隨(sui)(sui)著合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)高(gao)，有(you)助于Aso大(da)幅度降(jiang)低，Pg,max始終保持(chi)單調遞減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)(qu)勢(shi)，如圖(tu)(tu)2-69所示(shi)。總(zong)之，隨(sui)(sui)著合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化非(fei)單調，合(he)金元素鉻(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)對液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)呈現出(chu)雙(shuang)(shuang)面性，同樣(yang)對鑄錠內氣(qi)(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)也具有(you)雙(shuang)(shuang)面性。
4. 凝(ning)固壓力(li)
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼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，壓力過高將會加速(su)設(she)備損耗，提高生產(chan)(chan)成本(ben)且易引發生產(chan)(chan)事故(gu)，影響生產(chan)(chan)的安(an)全和順利運行。因此，利用(yong)加壓冶金技術制備高氮奧(ao)(ao)氏體(ti)不銹(xiu)鋼過程中，需要合理(li)地控制壓力。利用(yong)加壓感應爐制備高氮奧(ao)(ao)氏體(ti)不銹(xiu)鋼時，壓力P6可用(yong)以下公式(shi)確定：
