一、凝固收縮
凝(ning)固(gu)過程中(zhong)，液相向固(gu)相轉變發(fa)生的(de)體收(shou)縮(suo)(suo)，加大了(le)氮氣孔形成的(de)敏感(gan)性，這主要是因(yin)為凝(ning)固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)促進了(le)液相穿過枝(zhi)晶網狀(zhuang)結構或其他補(bu)縮(suo)(suo)通道向疏(shu)松流(liu)動(dong)的(de)補(bu)縮(suo)(suo)行(xing)為，導(dao)致(zhi)了(le)疏(shu)松與(yu)其附近(jin)區域之間產(chan)生了(le)新的(de)壓力梯度，梯度方向為補(bu)縮(suo)(suo)流(liu)動(dong)的(de)反(fan)方向，即(ji)VP。根據質量守(shou)恒和(he)達(da)西定律可(ke)知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)錠為例，心部處疏(shu)(shu)松(song)(song)和氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)共(gong)存的(de)(de)形貌如(ru)圖(tu)2-63所(suo)示。由(you)疏(shu)(shu)松(song)(song)導致(zhi)的(de)(de)不(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)與(yu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)之間最大的(de)(de)區別在(zai)于，不(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)凹凸不(bu)平，而(er)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)光滑。規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)、不(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)以及疏(shu)(shu)松(song)(song)縮(suo)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)依次沿凝固(gu)方向分(fen)布(bu)(bu)，規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)初始形成位置(zhi)為單一奧(ao)氏體(ti)相(xiang)。隨著凝固(gu)的(de)(de)進(jin)行(xing)，在(zai)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)完全(quan)閉合之前，由(you)于疏(shu)(shu)松(song)(song)引起的(de)(de)鋼(gang)液靜壓力(li)Pm降低，促(cu)進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)進(jin)一步生長(chang)(chang)，不(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)開始形成和長(chang)(chang)大。眾所(suo)周知(zhi)，疏(shu)(shu)松(song)(song)是凝固(gu)體(ti)積縮(suo)無法(fa)得到枝晶間液體(ti)補縮(suo)所(suo)導致(zhi)的(de)(de)，那么不(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周圍(wei)的(de)(de)相(xiang)分(fen)布(bu)(bu)和基體(ti)完全(quan)相(xiang)同(tong)，即(ji)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)和鐵素體(ti)相(xiang)交替分(fen)布(bu)(bu)，與(yu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周圍(wei)相(xiang)分(fen)布(bu)(bu)存在(zai)差異(yi)。
此(ci)外，對(dui)柱狀鑄(zhu)錠(ding)(ding)而言，凝(ning)固末期由于發(fa)達枝(zhi)晶(jing)網狀結構的(de)形(xing)成，凝(ning)固收縮得(de)不到(dao)液相補充的(de)位置(zhi)(zhi)往往處(chu)于中心(xin)軸線(xian)位置(zhi)(zhi)附(fu)近，那么D1~D4鑄(zhu)錠(ding)(ding)中不規則(ze)氣(qi)孔(kong)大多數分布(bu)在鑄(zhu)錠(ding)(ding)中心(xin)軸線(xian)位置(zhi)(zhi)處(chu)，如圖2-50所示。不受疏松影響的(de)規則(ze)氣(qi)孔(kong)形(xing)狀近似橢圓(yuan)形(xing)，且(qie)多數分布(bu)在靠近鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊部的(de)位置(zhi)(zhi)。此(ci)外，鋼液靜壓力Pm隨著鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度的(de)增加而減小，因此(ci)氣(qi)孔(kong)的(de)數量和尺(chi)寸均(jun)隨鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度增加而大體(ti)呈現出增加的(de)趨勢(shi)（圖2-50)。
二、主要合(he)金元素(su)和凝固壓力
1. 氮
在(zai)鑄錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)，隨著初(chu)始氮質(zhi)(zhi)量分(fen)數的增加(jia)(jia)，氮在(zai)枝晶間殘(can)余液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)的富集程(cheng)度(du)更加(jia)(jia)嚴重(zhong)，［％N]1iq值更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼為例，結(jie)合式(shi)（2-123)可(ke)得，Pg,max也隨之增加(jia)(jia)。當初(chu)始氮質(zhi)(zhi)量分(fen)數從0.25%(D2)增加(jia)(jia)至(zhi)0.29%(D4)時(shi)(shi)，對(dui)平衡(heng)凝(ning)(ning)固(gu)和Scheil凝(ning)(ning)固(gu)而言，［％N]ig的最大值分(fen)別為1.03%和1.51%(圖(tu)2-51),Pg,max的增量分(fen)別為0.07MPa和0.18MPa(如圖(tu)2-64所示）。由(you)氣泡(pao)形(xing)成(cheng)時(shi)(shi)的壓力(li)關系(xi)可(ke)知，P.,max的增加(jia)(jia)意味(wei)著液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮氣泡(pao)形(xing)成(cheng)的概率增大，表明(ming)增加(jia)(jia)初(chu)始氮質(zhi)(zhi)量分(fen)數大幅(fu)度(du)提高了鑄錠(ding)內(nei)出現氮氣孔缺陷的可(ke)能性。
為(wei)(wei)了驗(yan)證理(li)論計(ji)算(suan)結(jie)果，對D2、D3和(he)D4鑄錠內氮氣孔(kong)的分(fen)布(bu)狀態進行實驗(yan)分(fen)析，D2、D3和(he)D4凝固壓(ya)力均為(wei)(wei)0.1MPa,其(qi)氮質量分(fen)數分(fen)別為(wei)(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣孔(kong)形(xing)成高度(du)從150mm降至40mm,如(ru)圖2-64所示。因此，Pg,max隨著初始(shi)氮質量分(fen)數的增加而增大，液相(xiang)中(zhong)氮氣泡形(xing)成難(nan)度(du)減小，氮氣孔(kong)易(yi)于在鑄錠內形(xing)成。
2. 錳
研究發(fa)現(xian)［19,25,95],部(bu)分合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)（如(ru)錳(meng)和鉻）能夠提高(gao)液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)溶解度，減(jian)小Aso值；其(qi)中(zhong)(zhong)錳(meng)等合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)在(zai)凝固過程中(zhong)(zhong)還(huan)(huan)能促進富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)的(de)形(xing)成(cheng)，減(jian)小枝晶(jing)間液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)富(fu)(fu)集，緩解氮(dan)(dan)(dan)偏(pian)析，降(jiang)低(di)Ase值。如(ru)果合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)能夠減(jian)小Aso與(yu)Ase的(de)總(zong)和，那么提高(gao)鋼中(zhong)(zhong)該(gai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)質量(liang)分數(shu)有助于(yu)抑(yi)制氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡在(zai)殘(can)余(yu)液相(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)成(cheng)。合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳(meng)提高(gao)液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質量(liang)分數(shu)的(de)同(tong)時(shi)，還(huan)(huan)有助于(yu)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)γ和hcp相(xiang)）在(zai)凝固過程中(zhong)(zhong)的(de)形(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為例，在(zai)平(ping)衡(heng)凝固和Scheil凝固中(zhong)(zhong)，增(zeng)加合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳(meng)均能同(tong)時(shi)降(jiang)低(di)Aso和Ase的(de)值，如(ru)圖(tu)2-65所(suo)示。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，結合(he)(he)(he)(he)式（2-123),隨(sui)著合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳(meng)質量(liang)分數(shu)增(zeng)加而大幅度減(jian)小，如(ru)圖(tu)2-66所(suo)示。因(yin)此(ci)增(zeng)加鑄(zhu)錠中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳(meng)的(de)質量(liang)分數(shu)有助于(yu)抑(yi)制液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)形(xing)成(cheng)，減(jian)少或消(xiao)除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)缺(que)陷，該(gai)結論與(yu)Young等報道的(de)一致。
3. 鉻
與(yu)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳相(xiang)比，合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)(dui)氮(dan)(dan)氣孔(kong)形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)對(dui)(dui)復雜。一(yi)方面(mian)，增加(jia)(jia)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數(shu)能提高液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)溶解度和(he)(he)促(cu)進富氮(dan)(dan)相(xiang)（hcp 相(xiang)）在凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),減(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)，有(you)(you)助于抑制液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)錠為(wei)例，Aso隨鉻(ge)(ge)質(zhi)量分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變化規(gui)律，如圖(tu)(tu)2-68所(suo)(suo)示(shi)。另一(yi)方面(mian)，鉻(ge)(ge)作為(wei)鐵(tie)素(su)(su)體相(xiang)8形(xing)(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，提高合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數(shu)有(you)(you)利于貧氮(dan)(dan)鐵(tie)素(su)(su)體相(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),從而加(jia)(jia)劇液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)富集，增大(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析，增加(jia)(jia)Ase(如圖(tu)(tu)2-68所(suo)(suo)示(shi)），對(dui)(dui)液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)具(ju)有(you)(you)促(cu)進作用。這種(zhong)矛盾在平衡(heng)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)較為(wei)突出，當合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數(shu)從15%增至21.5%時，由于Ase的(de)(de)(de)(de)(de)增量大(da)于Aso的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)量，Pg,max呈現增大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖(tu)(tu)2-69所(suo)(suo)示(shi)；當合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數(shu)進一(yi)步增加(jia)(jia)至25%時，Ase和(he)(he)Aso分別(bie)增大(da)和(he)(he)減(jian)小(xiao)，但與(yu)Ase相(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)變化量十分明顯(xian)，進而導致Pg出現減(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)。然而，在Scheil凝固中(zhong)，隨著(zhu)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)提高，有(you)(you)助于Aso大(da)幅度降低，Pg,max始(shi)終保持單調遞減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖(tu)(tu)2-69所(suo)(suo)示(shi)。總之，隨著(zhu)合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之和(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)變化非(fei)單調，合(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)(dui)液(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響呈現出雙面(mian)性，同樣對(dui)(dui)鑄(zhu)錠內(nei)氣孔(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)也(ye)具(ju)有(you)(you)雙面(mian)性。
4. 凝固壓力
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，壓力(li)過(guo)高(gao)(gao)將會加(jia)速設(she)備(bei)損耗，提高(gao)(gao)生產成本且易引發生產事故(gu)，影(ying)響生產的(de)安全和順利(li)運行。因此，利(li)用(yong)加(jia)壓冶金技術制(zhi)備(bei)高(gao)(gao)氮奧氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)過(guo)程中(zhong)，需要合理地(di)控(kong)制(zhi)壓力(li)。利(li)用(yong)加(jia)壓感應(ying)爐(lu)制(zhi)備(bei)高(gao)(gao)氮奧氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)時，壓力(li)P6可用(yong)以(yi)下公式(shi)確(que)定(ding)：
