一、凝固收縮
凝固過(guo)程中，液(ye)相(xiang)向(xiang)固相(xiang)轉(zhuan)變發(fa)生(sheng)的體收(shou)縮，加大了(le)氮(dan)氣孔(kong)形成的敏感(gan)性，這主(zhu)要是因(yin)為凝固收(shou)縮促進了(le)液(ye)相(xiang)穿過(guo)枝晶網狀結(jie)構或其(qi)他補(bu)縮通道向(xiang)疏(shu)松流(liu)動的補(bu)縮行為，導(dao)致了(le)疏(shu)松與(yu)其(qi)附近區域(yu)之間產(chan)生(sheng)了(le)新的壓力梯度，梯度方向(xiang)為補(bu)縮流(liu)動的反(fan)方向(xiang)，即VP。根據質量守(shou)恒和達西定律可知(zhi)：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼D1鑄錠為例，心(xin)部處疏(shu)松(song)和氣(qi)孔(kong)共存的(de)(de)形(xing)貌如(ru)圖2-63所(suo)示。由疏(shu)松(song)導致的(de)(de)不(bu)(bu)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)與規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)之(zhi)間最大的(de)(de)區(qu)別在(zai)于(yu)，不(bu)(bu)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)內壁(bi)凹凸不(bu)(bu)平，而規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)內壁(bi)光滑。規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)、不(bu)(bu)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)以及疏(shu)松(song)縮(suo)孔(kong)依次沿凝(ning)固方向分(fen)布，規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)泡初始形(xing)成位(wei)置為單一奧氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)。隨著凝(ning)固的(de)(de)進行，在(zai)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)完(wan)全閉(bi)合(he)之(zhi)前，由于(yu)疏(shu)松(song)引起的(de)(de)鋼液(ye)靜(jing)壓力Pm降低，促進了氣(qi)孔(kong)的(de)(de)進一步生(sheng)長(chang)(chang)，不(bu)(bu)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)開始形(xing)成和長(chang)(chang)大。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知，疏(shu)松(song)是凝(ning)固體(ti)(ti)積縮(suo)無法得(de)到枝晶間液(ye)體(ti)(ti)補縮(suo)所(suo)導致的(de)(de)，那么不(bu)(bu)規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)周(zhou)圍的(de)(de)相(xiang)分(fen)布和基體(ti)(ti)完(wan)全相(xiang)同(tong)，即奧氏(shi)(shi)體(ti)(ti)相(xiang)和鐵素體(ti)(ti)相(xiang)交替(ti)分(fen)布，與規(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)周(zhou)圍相(xiang)分(fen)布存在(zai)差異(yi)。
此外，對柱(zhu)狀鑄錠(ding)而言(yan)，凝固(gu)末期(qi)由于發(fa)達枝晶網(wang)狀結構的(de)(de)形(xing)成，凝固(gu)收縮得不到液(ye)相(xiang)補充的(de)(de)位(wei)置(zhi)往往處于中(zhong)心(xin)軸線(xian)位(wei)置(zhi)附近，那么D1~D4鑄錠(ding)中(zhong)不規(gui)則氣孔大(da)多數分布在鑄錠(ding)中(zhong)心(xin)軸線(xian)位(wei)置(zhi)處，如圖(tu)2-50所示。不受疏(shu)松影(ying)響的(de)(de)規(gui)則氣孔形(xing)狀近似橢圓形(xing)，且多數分布在靠近鑄錠(ding)邊(bian)部的(de)(de)位(wei)置(zhi)。此外，鋼液(ye)靜壓力Pm隨著鑄錠(ding)高(gao)度(du)(du)的(de)(de)增加(jia)而減(jian)小，因此氣孔的(de)(de)數量(liang)和尺寸(cun)均(jun)隨鑄錠(ding)高(gao)度(du)(du)增加(jia)而大(da)體呈現出增加(jia)的(de)(de)趨勢（圖(tu)2-50)。
二、主要合金元(yuan)素和凝(ning)固壓(ya)力
1. 氮
在鑄錠(ding)凝固過程中(zhong)，隨著初(chu)(chu)始(shi)氮質量(liang)分數的(de)(de)增加(jia)(jia)，氮在枝(zhi)晶間殘余液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)富集(ji)程度(du)更加(jia)(jia)嚴重(zhong)，［％N]1iq值(zhi)更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼為(wei)(wei)(wei)例(li)，結(jie)合式(shi)（2-123)可(ke)(ke)得，Pg,max也隨之增加(jia)(jia)。當初(chu)(chu)始(shi)氮質量(liang)分數從0.25%(D2)增加(jia)(jia)至(zhi)0.29%(D4)時，對平(ping)衡凝固和Scheil凝固而言(yan)，［％N]ig的(de)(de)最(zui)大值(zhi)分別為(wei)(wei)(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)增量(liang)分別為(wei)(wei)(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所(suo)示）。由氣(qi)泡(pao)形(xing)(xing)成時的(de)(de)壓力關系可(ke)(ke)知，P.,max的(de)(de)增加(jia)(jia)意味著液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮氣(qi)泡(pao)形(xing)(xing)成的(de)(de)概率(lv)增大，表明增加(jia)(jia)初(chu)(chu)始(shi)氮質量(liang)分數大幅度(du)提高了鑄錠(ding)內出現氮氣(qi)孔缺陷的(de)(de)可(ke)(ke)能性。
為了驗證理論計算結果，對(dui)D2、D3和D4鑄(zhu)錠(ding)內(nei)(nei)氮氣(qi)孔(kong)(kong)的分布狀態進行實(shi)驗分析，D2、D3和D4凝固壓力均為0.1MPa,其氮質量分數(shu)分別(bie)為0.25%、0.26%和0.29%,氣(qi)孔(kong)(kong)形成高(gao)度從150mm降(jiang)至40mm,如圖2-64所(suo)示。因此，Pg,max隨著(zhu)初始氮質量分數(shu)的增加而增大，液相中(zhong)氮氣(qi)泡(pao)形成難度減小，氮氣(qi)孔(kong)(kong)易于在鑄(zhu)錠(ding)內(nei)(nei)形成。
2. 錳
研究發現(xian)［19,25,95],部分(fen)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)（如(ru)錳和(he)鉻）能夠提高(gao)液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解度(du)，減(jian)(jian)小(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)錳等(deng)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)在凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)還能促進富(fu)氮(dan)(dan)相的(de)(de)形成，減(jian)(jian)小(xiao)枝晶(jing)間(jian)液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)富(fu)集，緩解氮(dan)(dan)偏(pian)析，降(jiang)(jiang)低(di)Ase值(zhi)。如(ru)果(guo)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)能夠減(jian)(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)總和(he)，那么提高(gao)鋼中(zhong)(zhong)該(gai)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)有助(zhu)(zhu)于抑(yi)制氮(dan)(dan)氣泡(pao)在殘余液相中(zhong)(zhong)形成。合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳提高(gao)液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)同時，還有助(zhu)(zhu)于富(fu)氮(dan)(dan)相（如(ru)奧氏體相γ和(he)hcp相）在凝(ning)(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)相鋼D1鑄錠(ding)為(wei)例，在平衡凝(ning)(ning)固(gu)和(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)中(zhong)(zhong)，增加合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳均(jun)能同時降(jiang)(jiang)低(di)Aso和(he)Ase的(de)(de)值(zhi)，如(ru)圖2-65所示。與(yu)此(ci)同時，結(jie)合(he)(he)式（2-123),隨著合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)增加而大幅度(du)減(jian)(jian)小(xiao)，如(ru)圖2-66所示。因(yin)此(ci)增加鑄錠(ding)中(zhong)(zhong)合(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)數(shu)有助(zhu)(zhu)于抑(yi)制液相中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)形成，減(jian)(jian)少或消除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)相鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷(xian)，該(gai)結(jie)論與(yu)Young等(deng)報道的(de)(de)一(yi)致。
3. 鉻
與(yu)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳(meng)相(xiang)(xiang)比，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻對氮氣(qi)孔(kong)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)(xiang)對復雜。一方面，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)數(shu)能(neng)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮的(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和促(cu)進(jin)富氮相(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)）在(zai)凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),減(jian)小Aso的(de)(de)(de)(de)(de)值，有助于抑制液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠(ding)為(wei)例，Aso隨鉻質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變化規律(lv)，如(ru)圖(tu)(tu)2-68所示(shi)(shi)。另一方面，鉻作為(wei)鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)，提高(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)數(shu)有利于貧(pin)氮鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),從(cong)而(er)加(jia)(jia)劇液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮的(de)(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)(zeng)大(da)(da)氮的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)，增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)Ase(如(ru)圖(tu)(tu)2-68所示(shi)(shi)），對液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)具(ju)有促(cu)進(jin)作用。這種(zhong)矛盾在(zai)平(ping)衡凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)較為(wei)突(tu)出(chu)(chu)，當(dang)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)數(shu)從(cong)15%增(zeng)(zeng)至21.5%時，由于Ase的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)大(da)(da)于Aso的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小量(liang)，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)圖(tu)(tu)2-69所示(shi)(shi)；當(dang)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)數(shu)進(jin)一步增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至25%時，Ase和Aso分(fen)別增(zeng)(zeng)大(da)(da)和減(jian)小，但與(yu)Ase相(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)變化量(liang)十分(fen)明顯，進(jin)而(er)導致Pg出(chu)(chu)現減(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢。然而(er)，在(zai)Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，隨著(zhu)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)，有助于Aso大(da)(da)幅度(du)降低，Pg,max始終保持單(dan)調遞減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)圖(tu)(tu)2-69所示(shi)(shi)。總之，隨著(zhu)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻質量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之和的(de)(de)(de)(de)(de)變化非單(dan)調，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻對液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響呈現出(chu)(chu)雙(shuang)面性(xing)(xing)，同樣對鑄錠(ding)內氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)也具(ju)有雙(shuang)面性(xing)(xing)。
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(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)過高將會加速(su)設備(bei)損(sun)耗，提高生(sheng)(sheng)(sheng)產成本且(qie)易引(yin)發生(sheng)(sheng)(sheng)產事故，影響生(sheng)(sheng)(sheng)產的安全和(he)順(shun)利運行。因(yin)此(ci)，利用加壓(ya)(ya)(ya)(ya)冶金技術(shu)制(zhi)(zhi)備(bei)高氮(dan)奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)過程中，需要(yao)合理地控(kong)制(zhi)(zhi)壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)。利用加壓(ya)(ya)(ya)(ya)感(gan)應爐制(zhi)(zhi)備(bei)高氮(dan)奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)時，壓(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)P6可用以(yi)下公式確定：
