一、凝固(gu)收(shou)縮
凝固(gu)過(guo)程中，液(ye)相向(xiang)固(gu)相轉變(bian)發生的(de)(de)體收(shou)縮，加大了(le)氮(dan)氣孔形成(cheng)的(de)(de)敏感性，這主要是因(yin)為凝固(gu)收(shou)縮促(cu)進了(le)液(ye)相穿過(guo)枝晶網狀結構(gou)或其(qi)他補縮通(tong)道向(xiang)疏(shu)松流動的(de)(de)補縮行為，導(dao)致了(le)疏(shu)松與其(qi)附近區域之間產生了(le)新的(de)(de)壓力梯度(du)(du)，梯度(du)(du)方(fang)向(xiang)為補縮流動的(de)(de)反方(fang)向(xiang)，即VP。根據質(zhi)量守(shou)恒和達(da)西定(ding)律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼D1鑄錠為(wei)例(li)，心部處(chu)疏(shu)(shu)松(song)和氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)共存的(de)形(xing)貌如圖2-63所(suo)示。由疏(shu)(shu)松(song)導(dao)致的(de)不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)之(zhi)間(jian)最大(da)的(de)區別在(zai)(zai)于(yu)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內(nei)壁(bi)凹凸不(bu)(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內(nei)壁(bi)光滑(hua)。規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)以及(ji)疏(shu)(shu)松(song)縮(suo)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)依(yi)次沿凝(ning)(ning)固(gu)方向分布(bu)，規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡初(chu)始(shi)形(xing)成(cheng)位(wei)置為(wei)單一奧氏(shi)體(ti)相。隨著凝(ning)(ning)固(gu)的(de)進(jin)行(xing)，在(zai)(zai)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)完(wan)全閉合之(zhi)前，由于(yu)疏(shu)(shu)松(song)引(yin)起的(de)鋼液靜壓力Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)進(jin)一步生長，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)開始(shi)形(xing)成(cheng)和長大(da)。眾所(suo)周(zhou)(zhou)知，疏(shu)(shu)松(song)是(shi)凝(ning)(ning)固(gu)體(ti)積縮(suo)無(wu)法(fa)得到枝晶間(jian)液體(ti)補縮(suo)所(suo)導(dao)致的(de)，那么不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)(zhou)圍(wei)的(de)相分布(bu)和基體(ti)完(wan)全相同，即(ji)奧氏(shi)體(ti)相和鐵素體(ti)相交替分布(bu)，與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)(zhou)圍(wei)相分布(bu)存在(zai)(zai)差異。
此外，對柱狀(zhuang)(zhuang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)而言，凝固末期由(you)于(yu)發達(da)枝晶網狀(zhuang)(zhuang)結構的形成，凝固收縮得(de)不(bu)到液(ye)相(xiang)補(bu)充的位(wei)置(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)處于(yu)中(zhong)心軸線位(wei)置(zhi)(zhi)附近(jin)，那么D1~D4鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)中(zhong)不(bu)規則氣(qi)孔(kong)大多數分布在鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)中(zhong)心軸線位(wei)置(zhi)(zhi)處，如(ru)圖(tu)2-50所示。不(bu)受(shou)疏松影響的規則氣(qi)孔(kong)形狀(zhuang)(zhuang)近(jin)似(si)橢圓形，且多數分布在靠近(jin)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)邊部的位(wei)置(zhi)(zhi)。此外，鋼液(ye)靜壓力Pm隨著鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)高(gao)(gao)度(du)的增加而減小，因此氣(qi)孔(kong)的數量和尺寸均(jun)隨鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)(ding)高(gao)(gao)度(du)增加而大體(ti)呈現出增加的趨勢（圖(tu)2-50)。
二、主要合金元素和(he)凝(ning)固壓力(li)
1. 氮(dan)
在(zai)(zai)鑄錠凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)，隨(sui)著初(chu)(chu)始氮質量分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，氮在(zai)(zai)枝晶間殘(can)余液(ye)相中(zhong)的(de)(de)(de)富集(ji)程(cheng)度更(geng)加(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值更(geng)大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼為(wei)例，結合式（2-123)可(ke)得，Pg,max也隨(sui)之增(zeng)加(jia)(jia)。當(dang)初(chu)(chu)始氮質量分(fen)數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)0.29%(D4)時，對平衡凝固(gu)和Scheil凝固(gu)而言(yan)，［％N]ig的(de)(de)(de)最大(da)(da)值分(fen)別為(wei)1.03%和1.51%(圖(tu)2-51),Pg,max的(de)(de)(de)增(zeng)量分(fen)別為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如(ru)圖(tu)2-64所示）。由氣(qi)泡形(xing)成時的(de)(de)(de)壓力關系可(ke)知，P.,max的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)意(yi)味著液(ye)相中(zhong)氮氣(qi)泡形(xing)成的(de)(de)(de)概(gai)率增(zeng)大(da)(da)，表(biao)明增(zeng)加(jia)(jia)初(chu)(chu)始氮質量分(fen)數(shu)大(da)(da)幅度提高了鑄錠內出現氮氣(qi)孔缺陷(xian)的(de)(de)(de)可(ke)能性。
為(wei)(wei)了(le)驗(yan)證理論(lun)計算結果(guo)，對D2、D3和D4鑄(zhu)錠內氮(dan)氣孔(kong)的(de)分布狀態進行實(shi)驗(yan)分析，D2、D3和D4凝固壓力均為(wei)(wei)0.1MPa,其氮(dan)質(zhi)(zhi)量分數分別為(wei)(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣孔(kong)形成高度(du)從150mm降至40mm,如圖2-64所(suo)示。因此(ci)，Pg,max隨著初始氮(dan)質(zhi)(zhi)量分數的(de)增加而增大，液相(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡形成難度(du)減小，氮(dan)氣孔(kong)易于(yu)在鑄(zhu)錠內形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分(fen)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)（如錳(meng)和(he)(he)鉻）能(neng)夠(gou)(gou)提(ti)高液相(xiang)中(zhong)氮(dan)的(de)溶解(jie)度，減(jian)小Aso值(zhi)；其中(zhong)錳(meng)等合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)還能(neng)促進富氮(dan)相(xiang)的(de)形(xing)成，減(jian)小枝晶間液相(xiang)中(zhong)氮(dan)的(de)富集，緩解(jie)氮(dan)偏析，降(jiang)(jiang)低(di)Ase值(zhi)。如果合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)能(neng)夠(gou)(gou)減(jian)小Aso與Ase的(de)總和(he)(he)，那么提(ti)高鋼中(zhong)該(gai)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)的(de)質量(liang)(liang)分(fen)數有(you)助(zhu)于抑制(zhi)氮(dan)氣(qi)泡在殘余液相(xiang)中(zhong)形(xing)成。合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)錳(meng)提(ti)高液相(xiang)中(zhong)氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)數的(de)同時(shi)，還有(you)助(zhu)于富氮(dan)相(xiang)（如奧氏(shi)體相(xiang)γ和(he)(he)hcp相(xiang)）在凝固(gu)過(guo)程中(zhong)的(de)形(xing)成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相(xiang)鋼D1鑄錠為例，在平衡(heng)凝固(gu)和(he)(he)Scheil凝固(gu)中(zhong)，增加合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)錳(meng)均能(neng)同時(shi)降(jiang)(jiang)低(di)Aso和(he)(he)Ase的(de)值(zhi)，如圖(tu)2-65所示。與此(ci)同時(shi)，結(jie)合(he)(he)(he)式（2-123),隨著(zhu)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)錳(meng)質量(liang)(liang)分(fen)數增加而大(da)幅度減(jian)小，如圖(tu)2-66所示。因(yin)此(ci)增加鑄錠中(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)錳(meng)的(de)質量(liang)(liang)分(fen)數有(you)助(zhu)于抑制(zhi)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡的(de)形(xing)成，減(jian)少(shao)或消(xiao)除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙相(xiang)鋼中(zhong)氮(dan)氣(qi)孔(kong)缺陷，該(gai)結(jie)論與Young等報道的(de)一(yi)致。
3. 鉻(ge)
與合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)比，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)對氮(dan)(dan)(dan)氣孔(kong)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)(xiang)對復雜。一方(fang)面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數能(neng)提高(gao)(gao)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度和(he)(he)促進(jin)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)）在凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖2-67),減(jian)(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)，有助于(yu)抑制(zhi)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例(li)，Aso隨(sui)鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律，如圖2-68所(suo)示(shi)。另一方(fang)面，鉻(ge)作(zuo)為鐵(tie)素(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)元素(su)(su)(su)，提高(gao)(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數有利于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)鐵(tie)素(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖2-67),從(cong)而(er)加(jia)劇(ju)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)集，增(zeng)(zeng)(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)Ase(如圖2-68所(suo)示(shi)），對液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)具有促進(jin)作(zuo)用。這種矛盾在平衡凝(ning)固過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)較(jiao)為突出，當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數從(cong)15%增(zeng)(zeng)(zeng)至21.5%時(shi)，由(you)于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)大于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小(xiao)量(liang)(liang)，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如圖2-69所(suo)示(shi)；當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數進(jin)一步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至25%時(shi)，Ase和(he)(he)Aso分(fen)(fen)別增(zeng)(zeng)(zeng)大和(he)(he)減(jian)(jian)小(xiao)，但(dan)與Ase相(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化量(liang)(liang)十分(fen)(fen)明顯，進(jin)而(er)導致Pg出現減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢。然而(er)，在Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)(zhong)，隨(sui)著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)(gao)，有助于(yu)Aso大幅(fu)度降(jiang)低(di)，Pg,max始終保持(chi)單調遞減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如圖2-69所(suo)示(shi)。總之，隨(sui)著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，Aso與Ase之和(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化非單調，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)對液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響呈現出雙面性，同樣(yang)對鑄錠內氣孔(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)也具有雙面性。
4. 凝(ning)固壓力
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(ran)而，壓力(li)(li)過高將會加(jia)(jia)速設備損耗，提高生產(chan)成本且易引發(fa)生產(chan)事故，影響生產(chan)的安全和順(shun)利(li)運行。因此，利(li)用(yong)加(jia)(jia)壓冶金技術制備高氮奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼過程中(zhong)，需要(yao)合理地控制壓力(li)(li)。利(li)用(yong)加(jia)(jia)壓感應爐(lu)制備高氮奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼時，壓力(li)(li)P6可用(yong)以下公式確(que)定(ding)：
