一、凝固(gu)收縮
凝固(gu)過程中，液相向(xiang)(xiang)固(gu)相轉變發生的(de)體(ti)收縮(suo)，加(jia)大了(le)氮氣(qi)孔形(xing)成的(de)敏感性，這主要(yao)是因為(wei)凝固(gu)收縮(suo)促進了(le)液相穿(chuan)過枝晶(jing)網狀(zhuang)結構(gou)或(huo)其(qi)(qi)他補(bu)縮(suo)通道(dao)向(xiang)(xiang)疏松(song)流動的(de)補(bu)縮(suo)行為(wei)，導致了(le)疏松(song)與其(qi)(qi)附近區域(yu)之間產生了(le)新的(de)壓(ya)力梯度，梯度方(fang)向(xiang)(xiang)為(wei)補(bu)縮(suo)流動的(de)反方(fang)向(xiang)(xiang)，即VP。根據質量守恒和達西(xi)定律可(ke)知：
以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例(li)，心部處(chu)疏(shu)(shu)松和(he)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)共存(cun)的(de)(de)(de)(de)形(xing)貌如圖2-63所(suo)示。由疏(shu)(shu)松導致的(de)(de)(de)(de)不規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)與(yu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)之間(jian)最大的(de)(de)(de)(de)區(qu)別在(zai)(zai)于，不規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)凹凸不平，而規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)光滑。規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)、不規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)以(yi)及疏(shu)(shu)松縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)(kong)(kong)依次沿(yan)凝(ning)(ning)固(gu)方向分布，規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)泡初始形(xing)成位置為(wei)單(dan)一(yi)奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)。隨(sui)著凝(ning)(ning)固(gu)的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)行(xing)，在(zai)(zai)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)完(wan)(wan)全閉合之前，由于疏(shu)(shu)松引起的(de)(de)(de)(de)鋼液(ye)靜壓力Pm降(jiang)低(di)，促進(jin)(jin)了氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)一(yi)步生長，不規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)開始形(xing)成和(he)長大。眾所(suo)周知(zhi)，疏(shu)(shu)松是(shi)凝(ning)(ning)固(gu)體(ti)(ti)積縮(suo)(suo)無法得到枝晶間(jian)液(ye)體(ti)(ti)補縮(suo)(suo)所(suo)導致的(de)(de)(de)(de)，那么(me)不規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)周圍的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)分布和(he)基體(ti)(ti)完(wan)(wan)全相(xiang)(xiang)同，即奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)和(he)鐵素體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)交替分布，與(yu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)周圍相(xiang)(xiang)分布存(cun)在(zai)(zai)差(cha)異。
此(ci)外，對柱(zhu)狀(zhuang)鑄錠(ding)(ding)而(er)言，凝固(gu)末期由(you)于(yu)發達枝晶網狀(zhuang)結構的(de)形(xing)成(cheng)，凝固(gu)收縮得不(bu)到液(ye)相補充(chong)的(de)位(wei)置(zhi)往往處于(yu)中(zhong)(zhong)心軸線位(wei)置(zhi)附(fu)近(jin)，那么D1~D4鑄錠(ding)(ding)中(zhong)(zhong)不(bu)規則氣孔大多(duo)數分(fen)布在鑄錠(ding)(ding)中(zhong)(zhong)心軸線位(wei)置(zhi)處，如(ru)圖2-50所示。不(bu)受疏(shu)松影響的(de)規則氣孔形(xing)狀(zhuang)近(jin)似橢圓形(xing)，且(qie)多(duo)數分(fen)布在靠近(jin)鑄錠(ding)(ding)邊部的(de)位(wei)置(zhi)。此(ci)外，鋼液(ye)靜壓(ya)力Pm隨(sui)著鑄錠(ding)(ding)高(gao)度的(de)增(zeng)加(jia)而(er)減小，因此(ci)氣孔的(de)數量(liang)和(he)尺寸均(jun)隨(sui)鑄錠(ding)(ding)高(gao)度增(zeng)加(jia)而(er)大體呈現出增(zeng)加(jia)的(de)趨勢（圖2-50)。
二、主要合(he)金元素和凝固壓力(li)
1. 氮
在鑄錠凝(ning)固(gu)過(guo)程中(zhong)，隨著初始(shi)(shi)氮質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)增加，氮在枝晶間殘余(yu)液相中(zhong)的(de)(de)(de)富集程度(du)更加嚴重，［％N]1iq值更大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼為例，結(jie)合式(shi)（2-123)可得(de)，Pg,max也隨之增加。當(dang)初始(shi)(shi)氮質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)從0.25%(D2)增加至0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝(ning)固(gu)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)而言，［％N]ig的(de)(de)(de)最大(da)(da)值分(fen)(fen)別為1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)(de)增量(liang)(liang)分(fen)(fen)別為0.07MPa和(he)0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣(qi)(qi)泡形成(cheng)時(shi)的(de)(de)(de)壓力關系可知，P.,max的(de)(de)(de)增加意味著液相中(zhong)氮氣(qi)(qi)泡形成(cheng)的(de)(de)(de)概率增大(da)(da)，表(biao)明增加初始(shi)(shi)氮質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)大(da)(da)幅度(du)提高(gao)了鑄錠內出現氮氣(qi)(qi)孔缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)可能(neng)性。
為(wei)了驗證理論計算結果，對D2、D3和D4鑄(zhu)錠內氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔的(de)分(fen)布狀態進行實驗分(fen)析，D2、D3和D4凝固壓力(li)均為(wei)0.1MPa,其氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)數(shu)分(fen)別(bie)為(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣(qi)(qi)孔形成高度從(cong)150mm降至(zhi)40mm,如(ru)圖2-64所(suo)示。因(yin)此，Pg,max隨著初始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量分(fen)數(shu)的(de)增加(jia)而增大，液(ye)相中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)形成難度減小，氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔易于在(zai)鑄(zhu)錠內形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分(fen)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素（如(ru)(ru)(ru)錳和鉻）能夠(gou)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)，減小(xiao)Aso值；其中(zhong)(zhong)錳等合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)還能促進富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，減小(xiao)枝晶間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)富集，緩解(jie)氮(dan)偏析，降低Ase值。如(ru)(ru)(ru)果合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素能夠(gou)減小(xiao)Aso與Ase的(de)(de)(de)總和，那么提高(gao)鋼(gang)中(zhong)(zhong)該(gai)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)有助于抑(yi)制氮(dan)氣(qi)泡在(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)成(cheng)。合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素錳提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)同時(shi)，還有助于富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)(ru)(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)(zhu)錠(ding)為例(li)，在(zai)平(ping)衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)，增加(jia)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素錳均能同時(shi)降低Aso和Ase的(de)(de)(de)值，如(ru)(ru)(ru)圖2-65所(suo)示。與此同時(shi)，結(jie)合(he)式（2-123),隨著合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素錳質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)增加(jia)而(er)大幅度(du)減小(xiao)，如(ru)(ru)(ru)圖2-66所(suo)示。因此增加(jia)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)合(he)金元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素錳的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)(shu)有助于抑(yi)制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，減少或消(xiao)除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)氣(qi)孔缺陷(xian)，該(gai)結(jie)論與Young等報道的(de)(de)(de)一(yi)致。
3. 鉻
與(yu)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)對(dui)氮(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響相(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)復雜。一方面，增(zeng)加(jia)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)能提(ti)高(gao)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度和促進(jin)(jin)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有助(zhu)于(yu)抑制液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)(ding)為例，Aso隨鉻(ge)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律(lv)，如(ru)圖(tu)2-68所示。另(ling)一方面，鉻(ge)作為鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)(xing)成(cheng)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)，提(ti)高(gao)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)有利于(yu)貧氮(dan)(dan)鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)（圖(tu)2-67),從而(er)加(jia)劇液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)大(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)加(jia)Ase(如(ru)圖(tu)2-68所示），對(dui)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)具(ju)有促進(jin)(jin)作用。這種(zhong)矛盾在(zai)平衡凝(ning)固(gu)(gu)過程中(zhong)(zhong)較為突出，當合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)從15%增(zeng)至(zhi)21.5%時(shi)，由于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量大(da)于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)量，Pg,max呈現(xian)(xian)增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如(ru)圖(tu)2-69所示；當合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)進(jin)(jin)一步增(zeng)加(jia)至(zhi)25%時(shi)，Ase和Aso分(fen)(fen)別增(zeng)大(da)和減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，但(dan)與(yu)Ase相(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化量十分(fen)(fen)明(ming)顯，進(jin)(jin)而(er)導(dao)致Pg出現(xian)(xian)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。然而(er)，在(zai)Scheil凝(ning)固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)，隨著合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)高(gao)，有助(zhu)于(yu)Aso大(da)幅度降低(di)，Pg,max始終保持單調(diao)遞減(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如(ru)圖(tu)2-69所示。總之(zhi)，隨著合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)量分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，Aso與(yu)Ase之(zhi)和的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化非單調(diao)，合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)對(dui)液相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響呈現(xian)(xian)出雙(shuang)面性(xing)，同樣對(dui)鑄錠(ding)(ding)內(nei)氣(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)也具(ju)有雙(shuang)面性(xing)。
4. 凝固(gu)壓(ya)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(ya)力(li)過高(gao)將會加(jia)速(su)設(she)備(bei)(bei)損耗，提(ti)高(gao)生產成本且易引(yin)發生產事(shi)故，影響(xiang)生產的安(an)全和順利運行。因此，利用加(jia)壓(ya)冶金技術制備(bei)(bei)高(gao)氮奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼過程中，需要合理地(di)控制壓(ya)力(li)。利用加(jia)壓(ya)感應(ying)爐(lu)制備(bei)(bei)高(gao)氮奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼時，壓(ya)力(li)P6可用以下公式確定：
