一(yi)、凝(ning)固收縮
凝固(gu)過(guo)程中，液相向(xiang)固(gu)相轉變發生的(de)(de)體收縮(suo)(suo)，加大了(le)氮(dan)氣孔形(xing)成的(de)(de)敏感性，這主要是因為凝固(gu)收縮(suo)(suo)促進了(le)液相穿過(guo)枝晶網(wang)狀結構或其他補(bu)(bu)縮(suo)(suo)通道向(xiang)疏松流動的(de)(de)補(bu)(bu)縮(suo)(suo)行(xing)為，導(dao)致(zhi)了(le)疏松與(yu)其附近區域之間產生了(le)新的(de)(de)壓力梯度，梯度方向(xiang)為補(bu)(bu)縮(suo)(suo)流動的(de)(de)反(fan)方向(xiang)，即VP。根據質量守恒和達西定(ding)律可知(zhi)：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)(wei)例，心部處疏(shu)(shu)松(song)(song)和氣(qi)(qi)(qi)孔共存的(de)(de)形(xing)貌如(ru)圖2-63所(suo)示。由疏(shu)(shu)松(song)(song)導致(zhi)的(de)(de)不(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔與(yu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔之間最(zui)大的(de)(de)區別在于，不(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔內壁凹(ao)凸不(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔內壁光滑。規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔、不(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔以及疏(shu)(shu)松(song)(song)縮(suo)孔依(yi)次沿凝(ning)固方向分布(bu)，規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡初始(shi)形(xing)成位置為(wei)(wei)單一奧氏體(ti)(ti)相(xiang)。隨(sui)著凝(ning)固的(de)(de)進行(xing)，在規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔完(wan)全閉合之前，由于疏(shu)(shu)松(song)(song)引起的(de)(de)鋼液(ye)靜壓(ya)力Pm降低，促進了氣(qi)(qi)(qi)孔的(de)(de)進一步生長(chang)，不(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔開始(shi)形(xing)成和長(chang)大。眾(zhong)所(suo)周(zhou)知，疏(shu)(shu)松(song)(song)是(shi)凝(ning)固體(ti)(ti)積縮(suo)無法(fa)得到枝(zhi)晶間液(ye)體(ti)(ti)補縮(suo)所(suo)導致(zhi)的(de)(de)，那么不(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔周(zhou)圍的(de)(de)相(xiang)分布(bu)和基體(ti)(ti)完(wan)全相(xiang)同，即奧氏體(ti)(ti)相(xiang)和鐵素體(ti)(ti)相(xiang)交替分布(bu)，與(yu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔周(zhou)圍相(xiang)分布(bu)存在差異。
此外(wai)，對柱狀鑄錠(ding)而(er)言，凝固末期(qi)由于(yu)發(fa)達(da)枝晶網(wang)狀結構的形(xing)成，凝固收縮得不(bu)(bu)到液相補(bu)充的位(wei)(wei)置往(wang)往(wang)處于(yu)中(zhong)(zhong)心軸(zhou)線位(wei)(wei)置附近(jin)(jin)(jin)，那么D1~D4鑄錠(ding)中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)規則氣(qi)(qi)孔(kong)大(da)多數(shu)分(fen)布(bu)在鑄錠(ding)中(zhong)(zhong)心軸(zhou)線位(wei)(wei)置處，如(ru)圖2-50所示。不(bu)(bu)受疏(shu)松(song)影響(xiang)的規則氣(qi)(qi)孔(kong)形(xing)狀近(jin)(jin)(jin)似橢圓形(xing)，且多數(shu)分(fen)布(bu)在靠近(jin)(jin)(jin)鑄錠(ding)邊部(bu)的位(wei)(wei)置。此外(wai)，鋼(gang)液靜壓力Pm隨著鑄錠(ding)高度(du)的增(zeng)加而(er)減小(xiao)，因此氣(qi)(qi)孔(kong)的數(shu)量和尺寸(cun)均隨鑄錠(ding)高度(du)增(zeng)加而(er)大(da)體呈現出增(zeng)加的趨勢（圖2-50)。
二、主要合金(jin)元素和凝固壓(ya)力(li)
1. 氮(dan)
在(zai)鑄錠凝(ning)固過(guo)程中(zhong)，隨著初(chu)始(shi)氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)，氮(dan)(dan)在(zai)枝晶(jing)間殘余液相(xiang)中(zhong)的(de)富集程度更加(jia)(jia)嚴重(zhong)，［％N]1iq值(zhi)更大(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)雙相(xiang)鋼為例，結合(he)式（2-123)可得，Pg,max也隨之增(zeng)加(jia)(jia)。當初(chu)始(shi)氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數(shu)從(cong)0.25%(D2)增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固而(er)言，［％N]ig的(de)最大(da)值(zhi)分(fen)(fen)別為1.03%和1.51%(圖(tu)2-51),Pg,max的(de)增(zeng)量分(fen)(fen)別為0.07MPa和0.18MPa(如圖(tu)2-64所(suo)示）。由氣泡形(xing)成時(shi)的(de)壓力關(guan)系可知，P.,max的(de)增(zeng)加(jia)(jia)意(yi)味著液相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡形(xing)成的(de)概率(lv)增(zeng)大(da)，表明增(zeng)加(jia)(jia)初(chu)始(shi)氮(dan)(dan)質量分(fen)(fen)數(shu)大(da)幅(fu)度提高了鑄錠內出現氮(dan)(dan)氣孔(kong)缺陷的(de)可能性。
為了驗證理論計(ji)算(suan)結(jie)果，對D2、D3和D4鑄(zhu)錠內氮(dan)氣孔(kong)(kong)的分(fen)(fen)布狀態進行實驗分(fen)(fen)析，D2、D3和D4凝(ning)固壓力均為0.1MPa,其氮(dan)質量分(fen)(fen)數(shu)分(fen)(fen)別為0.25%、0.26%和0.29%,氣孔(kong)(kong)形成(cheng)高度從150mm降至40mm,如(ru)圖2-64所示。因此，Pg,max隨著初始(shi)氮(dan)質量分(fen)(fen)數(shu)的增加(jia)而增大，液相中氮(dan)氣泡形成(cheng)難度減小，氮(dan)氣孔(kong)(kong)易(yi)于在鑄(zhu)錠內形成(cheng)。
2. 錳
研(yan)究發現［19,25,95],部分(fen)(fen)(fen)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)（如(ru)錳(meng)和(he)鉻）能(neng)夠提(ti)高液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解度，減(jian)小Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)(zhong)錳(meng)等合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)還(huan)能(neng)促(cu)進(jin)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)形成，減(jian)小枝晶間(jian)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)富集，緩解氮(dan)(dan)偏析，降(jiang)低(di)Ase值(zhi)。如(ru)果合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)能(neng)夠減(jian)小Aso與Ase的(de)(de)總和(he)，那么提(ti)高鋼中(zhong)(zhong)(zhong)該(gai)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)有(you)助于(yu)抑制(zhi)氮(dan)(dan)氣泡在(zai)殘余液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)形成。合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)提(ti)高液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)同時(shi)，還(huan)有(you)助于(yu)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例，在(zai)平衡凝(ning)固和(he)Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)(zhong)，增加(jia)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)均能(neng)同時(shi)降(jiang)低(di)Aso和(he)Ase的(de)(de)值(zhi)，如(ru)圖2-65所示。與此(ci)同時(shi)，結(jie)合(he)式(shi)（2-123),隨(sui)著合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)增加(jia)而大幅度減(jian)小，如(ru)圖2-66所示。因此(ci)增加(jia)鑄錠中(zhong)(zhong)(zhong)合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)有(you)助于(yu)抑制(zhi)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡的(de)(de)形成，減(jian)少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷，該(gai)結(jie)論(lun)與Young等報道的(de)(de)一致。
3. 鉻(ge)
與合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)影響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)復(fu)雜(za)。一方面(mian)，增(zeng)加合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)能提高液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶解度和促進(jin)富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在凝(ning)固(gu)過程中的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖2-67),減(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)值，有助于(yu)(yu)抑制液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例，Aso隨鉻(ge)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)變化規律，如圖2-68所示(shi)。另一方面(mian)，鉻(ge)作為鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，提高合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)有利(li)于(yu)(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖2-67),從(cong)而加劇液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)富集，增(zeng)大(da)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏析，增(zeng)加Ase(如圖2-68所示(shi)），對(dui)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)具有促進(jin)作用(yong)。這種矛盾在平衡凝(ning)固(gu)過程中較為突出，當合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)從(cong)15%增(zeng)至(zhi)(zhi)21.5%時，由于(yu)(yu)Ase的(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)(liang)(liang)大(da)于(yu)(yu)Aso的(de)(de)(de)減(jian)小(xiao)量(liang)(liang)(liang)，Pg,max呈現增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)趨(qu)勢，如圖2-69所示(shi)；當合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)進(jin)一步增(zeng)加至(zhi)(zhi)25%時，Ase和Aso分(fen)(fen)(fen)別(bie)增(zeng)大(da)和減(jian)小(xiao)，但與Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)變化量(liang)(liang)(liang)十分(fen)(fen)(fen)明顯，進(jin)而導致Pg出現減(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)趨(qu)勢。然而，在Scheil凝(ning)固(gu)中，隨著合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)提高，有助于(yu)(yu)Aso大(da)幅(fu)度降低，Pg,max始終保持單調(diao)遞減(jian)的(de)(de)(de)趨(qu)勢，如圖2-69所示(shi)。總之，隨著合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)加，Aso與Ase之和的(de)(de)(de)變化非單調(diao)，合(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)對(dui)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)影響呈現出雙面(mian)性，同樣對(dui)鑄錠內氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)也具有雙面(mian)性。
4. 凝固壓力
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。
然而，壓(ya)力(li)(li)過高(gao)將會加(jia)速(su)設(she)備(bei)損耗，提高(gao)生(sheng)(sheng)(sheng)產成(cheng)本且易引發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)產事故，影響生(sheng)(sheng)(sheng)產的安全(quan)和(he)順利(li)運行。因此，利(li)用加(jia)壓(ya)冶金技(ji)術制(zhi)備(bei)高(gao)氮奧氏體不銹(xiu)鋼過程(cheng)中(zhong)，需要合理地(di)控制(zhi)壓(ya)力(li)(li)。利(li)用加(jia)壓(ya)感應(ying)爐制(zhi)備(bei)高(gao)氮奧氏體不銹(xiu)鋼時(shi)，壓(ya)力(li)(li)P6可(ke)用以下公式確定：
