一、凝固收縮(suo)
凝固(gu)過(guo)程中(zhong)，液(ye)相向(xiang)(xiang)固(gu)相轉變發生(sheng)的體收縮(suo)(suo)(suo)(suo)，加(jia)大了氮氣孔形成的敏感性，這主要(yao)是因(yin)為凝固(gu)收縮(suo)(suo)(suo)(suo)促進(jin)了液(ye)相穿過(guo)枝晶網狀結構或其他補(bu)縮(suo)(suo)(suo)(suo)通道向(xiang)(xiang)疏(shu)松流動(dong)(dong)的補(bu)縮(suo)(suo)(suo)(suo)行為，導致了疏(shu)松與其附近區(qu)域之間產生(sheng)了新的壓(ya)力(li)梯度(du)，梯度(du)方(fang)向(xiang)(xiang)為補(bu)縮(suo)(suo)(suo)(suo)流動(dong)(dong)的反方(fang)向(xiang)(xiang)，即VP。根(gen)據質量守恒和(he)達(da)西(xi)定(ding)律(lv)可知：
以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例，心部(bu)處疏(shu)(shu)松(song)和(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)共存的(de)形(xing)(xing)貌(mao)如圖2-63所(suo)示。由(you)疏(shu)(shu)松(song)導致(zhi)的(de)不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)與規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)之間最大的(de)區(qu)別在于(yu)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁凹凸不(bu)(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁光滑。規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)以(yi)及疏(shu)(shu)松(song)縮孔(kong)(kong)(kong)依次沿凝固方向分(fen)布，規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡初始形(xing)(xing)成位置(zhi)為(wei)單一奧氏體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)。隨著(zhu)凝固的(de)進行，在規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)完全閉合之前(qian)，由(you)于(yu)疏(shu)(shu)松(song)引起(qi)的(de)鋼液靜壓力Pm降低，促進了氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)的(de)進一步生長(chang)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)開始形(xing)(xing)成和(he)長(chang)大。眾所(suo)周知，疏(shu)(shu)松(song)是凝固體(ti)(ti)(ti)積縮無(wu)法得到枝晶間液體(ti)(ti)(ti)補縮所(suo)導致(zhi)的(de)，那(nei)么(me)不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍(wei)(wei)的(de)相(xiang)(xiang)分(fen)布和(he)基體(ti)(ti)(ti)完全相(xiang)(xiang)同，即奧氏體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)和(he)鐵素(su)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)交(jiao)替分(fen)布，與規(gui)(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍(wei)(wei)相(xiang)(xiang)分(fen)布存在差異。
此外，對(dui)柱狀(zhuang)鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)而言(yan)，凝固末期(qi)由于(yu)發達枝晶網狀(zhuang)結構的(de)形(xing)成，凝固收縮得不到液(ye)相(xiang)補充的(de)位(wei)置(zhi)往(wang)往(wang)處于(yu)中(zhong)心(xin)軸線(xian)位(wei)置(zhi)附近，那么(me)D1~D4鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)不規(gui)(gui)則(ze)氣孔大多數(shu)分(fen)布在鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)心(xin)軸線(xian)位(wei)置(zhi)處，如圖(tu)2-50所(suo)示。不受疏松影響的(de)規(gui)(gui)則(ze)氣孔形(xing)狀(zhuang)近似橢圓(yuan)形(xing)，且(qie)多數(shu)分(fen)布在靠近鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部的(de)位(wei)置(zhi)。此外，鋼液(ye)靜壓力Pm隨著鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)高(gao)度的(de)增(zeng)加(jia)而減小，因此氣孔的(de)數(shu)量(liang)和尺(chi)寸均隨鑄(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)高(gao)度增(zeng)加(jia)而大體呈現出增(zeng)加(jia)的(de)趨勢（圖(tu)2-50)。
二、主要合金元素(su)和(he)凝固壓力
1. 氮
在鑄(zhu)錠凝(ning)固過程(cheng)(cheng)中，隨著初始(shi)(shi)氮質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的增(zeng)加(jia)(jia)，氮在枝晶間殘余液(ye)相(xiang)中的富集程(cheng)(cheng)度更加(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值(zhi)更大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相(xiang)鋼為(wei)例，結合式（2-123)可得(de)，Pg,max也隨之(zhi)增(zeng)加(jia)(jia)。當初始(shi)(shi)氮質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)加(jia)(jia)至0.29%(D4)時(shi)，對(dui)平衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固而言，［％N]ig的最(zui)大(da)(da)值(zhi)分(fen)(fen)(fen)別(bie)為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的增(zeng)量(liang)分(fen)(fen)(fen)別(bie)為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣(qi)(qi)泡(pao)形成(cheng)時(shi)的壓力關系可知，P.,max的增(zeng)加(jia)(jia)意(yi)味著液(ye)相(xiang)中氮氣(qi)(qi)泡(pao)形成(cheng)的概(gai)率(lv)增(zeng)大(da)(da)，表明增(zeng)加(jia)(jia)初始(shi)(shi)氮質量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)大(da)(da)幅度提高了(le)鑄(zhu)錠內出現氮氣(qi)(qi)孔缺(que)陷的可能性(xing)。
為了驗證理論計算結果，對D2、D3和(he)D4鑄錠內(nei)(nei)氮氣孔的(de)分布狀態(tai)進行(xing)實驗分析，D2、D3和(he)D4凝(ning)固(gu)壓力均為0.1MPa,其氮質(zhi)量(liang)(liang)分數分別為0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣孔形成高度(du)從(cong)150mm降至40mm,如圖2-64所示。因此(ci)，Pg,max隨著初始氮質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)增加而(er)增大(da)，液(ye)相中氮氣泡形成難度(du)減小(xiao)，氮氣孔易(yi)于(yu)在鑄錠內(nei)(nei)形成。
2. 錳
研(yan)究發(fa)現［19,25,95],部分(fen)(fen)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)錳(meng)(meng)和(he)(he)(he)(he)鉻）能夠提(ti)高液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解度，減小(xiao)Aso值(zhi)(zhi)；其中(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)等合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)在凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)還能促進(jin)富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)形成(cheng)(cheng)，減小(xiao)枝晶間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)富(fu)(fu)集(ji)，緩解氮(dan)(dan)偏析(xi)，降(jiang)低Ase值(zhi)(zhi)。如(ru)果合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)能夠減小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)總和(he)(he)(he)(he)，那么提(ti)高鋼(gang)中(zhong)(zhong)該合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數有助于抑(yi)制氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)在殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形成(cheng)(cheng)。合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)提(ti)高液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)同(tong)時(shi)，還有助于富(fu)(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)(he)(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)形成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠為(wei)例，在平衡凝固(gu)和(he)(he)(he)(he)Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，增(zeng)加合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)均能同(tong)時(shi)降(jiang)低Aso和(he)(he)(he)(he)Ase的(de)(de)值(zhi)(zhi)，如(ru)圖2-65所(suo)示。與(yu)此同(tong)時(shi)，結(jie)合(he)式（2-123),隨著合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數增(zeng)加而大幅度減小(xiao)，如(ru)圖2-66所(suo)示。因此增(zeng)加鑄錠中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數有助于抑(yi)制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)形成(cheng)(cheng)，減少(shao)或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)孔缺陷，該結(jie)論與(yu)Young等報(bao)道(dao)的(de)(de)一致。
3. 鉻
與(yu)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳相(xiang)比，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)影響(xiang)相(xiang)對復雜(za)。一方面，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)能提(ti)高液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶解度和(he)(he)促進富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)（hcp 相(xiang)）在凝固過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)小Aso的(de)(de)(de)值，有(you)(you)(you)助(zhu)于(yu)抑制液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為(wei)例，Aso隨鉻(ge)(ge)(ge)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)，如(ru)(ru)圖(tu)2-68所示。另一方面，鉻(ge)(ge)(ge)作(zuo)(zuo)為(wei)鐵素(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)8形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，提(ti)高合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)有(you)(you)(you)利于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)(su)體(ti)相(xiang)8的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從(cong)而加(jia)(jia)劇液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)富集(ji)，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)Ase(如(ru)(ru)圖(tu)2-68所示），對液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)具(ju)有(you)(you)(you)促進作(zuo)(zuo)用。這種(zhong)矛盾在平衡(heng)凝固過(guo)程中(zhong)較為(wei)突出，當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)從(cong)15%增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)至(zhi)21.5%時，由于(yu)Ase的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)大(da)(da)于(yu)Aso的(de)(de)(de)減(jian)小量(liang)(liang)，Pg,max呈現(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所示；當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)進一步增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)25%時，Ase和(he)(he)Aso分別增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)和(he)(he)減(jian)小，但與(yu)Ase相(xiang)比Aso的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)量(liang)(liang)十分明顯，進而導(dao)致Pg出現(xian)減(jian)小的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。然(ran)而，在Scheil凝固中(zhong)，隨著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)提(ti)高，有(you)(you)(you)助(zhu)于(yu)Aso大(da)(da)幅度降低，Pg,max始終保持單(dan)(dan)調遞減(jian)的(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所示。總之，隨著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質量(liang)(liang)分數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之和(he)(he)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)非單(dan)(dan)調，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對液(ye)(ye)相(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)影響(xiang)呈現(xian)出雙面性，同(tong)樣對鑄(zhu)錠內氣(qi)孔的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)也具(ju)有(you)(you)(you)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。
然而，壓(ya)(ya)力(li)過(guo)高將會加(jia)速設(she)備損耗，提高生(sheng)(sheng)產(chan)成本(ben)且易引發生(sheng)(sheng)產(chan)事(shi)故，影響(xiang)生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)安全和順利(li)運行(xing)。因(yin)此，利(li)用(yong)加(jia)壓(ya)(ya)冶金技(ji)術(shu)制(zhi)備高氮奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼過(guo)程中，需(xu)要合理地(di)控制(zhi)壓(ya)(ya)力(li)。利(li)用(yong)加(jia)壓(ya)(ya)感應(ying)爐制(zhi)備高氮奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼時，壓(ya)(ya)力(li)P6可(ke)用(yong)以(yi)下公(gong)式確(que)定：
