一、凝(ning)固收(shou)縮
凝固(gu)過(guo)程中，液相(xiang)向(xiang)固(gu)相(xiang)轉變(bian)發生(sheng)的(de)(de)體收縮(suo)，加(jia)大了氮氣孔形成(cheng)的(de)(de)敏感性，這主要是因為(wei)凝固(gu)收縮(suo)促進了液相(xiang)穿(chuan)過(guo)枝(zhi)晶(jing)網狀結構(gou)或其他補縮(suo)通(tong)道向(xiang)疏松流(liu)動(dong)的(de)(de)補縮(suo)行為(wei)，導(dao)致了疏松與其附近區域之間產生(sheng)了新的(de)(de)壓(ya)力梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)為(wei)補縮(suo)流(liu)動(dong)的(de)(de)反(fan)方向(xiang)，即VP。根據質量守恒和(he)達西(xi)定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相鋼(gang)D1鑄錠為(wei)例，心(xin)部(bu)處(chu)疏(shu)(shu)松和氣(qi)(qi)孔(kong)共存(cun)的(de)(de)形貌如圖2-63所示(shi)。由(you)疏(shu)(shu)松導(dao)致(zhi)的(de)(de)不(bu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)與(yu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)之(zhi)(zhi)間(jian)最(zui)大的(de)(de)區別在(zai)于，不(bu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)內壁(bi)凹凸不(bu)平，而規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)內壁(bi)光滑。規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)、不(bu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)以及疏(shu)(shu)松縮孔(kong)依(yi)次沿凝固方向分布，規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)泡初始(shi)形成(cheng)位置為(wei)單一奧氏體(ti)相。隨著(zhu)凝固的(de)(de)進(jin)行，在(zai)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)完全(quan)閉合(he)之(zhi)(zhi)前，由(you)于疏(shu)(shu)松引起的(de)(de)鋼(gang)液(ye)靜壓力(li)Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)進(jin)一步生長，不(bu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)開始(shi)形成(cheng)和長大。眾所周知(zhi)，疏(shu)(shu)松是凝固體(ti)積縮無法(fa)得(de)到枝(zhi)晶間(jian)液(ye)體(ti)補縮所導(dao)致(zhi)的(de)(de)，那(nei)么不(bu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)周圍的(de)(de)相分布和基體(ti)完全(quan)相同，即奧氏體(ti)相和鐵素體(ti)相交替分布，與(yu)規則(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)周圍相分布存(cun)在(zai)差異。
此(ci)(ci)外，對柱狀鑄錠(ding)而言(yan)，凝固(gu)末期由于發達枝(zhi)晶網(wang)狀結構的形成，凝固(gu)收縮得不(bu)(bu)到液(ye)相(xiang)補充的位置(zhi)往(wang)往(wang)處于中(zhong)心(xin)軸線位置(zhi)附(fu)近(jin)(jin)，那么D1~D4鑄錠(ding)中(zhong)不(bu)(bu)規則氣(qi)孔(kong)大多數(shu)分布(bu)在鑄錠(ding)中(zhong)心(xin)軸線位置(zhi)處，如圖2-50所示。不(bu)(bu)受疏松影響的規則氣(qi)孔(kong)形狀近(jin)(jin)似橢圓形，且多數(shu)分布(bu)在靠近(jin)(jin)鑄錠(ding)邊部的位置(zhi)。此(ci)(ci)外，鋼液(ye)靜(jing)壓力Pm隨著鑄錠(ding)高度的增加而減小，因此(ci)(ci)氣(qi)孔(kong)的數(shu)量(liang)和尺寸均隨鑄錠(ding)高度增加而大體呈現(xian)出增加的趨(qu)勢（圖2-50)。
二、主要合金(jin)元素和凝固壓(ya)力
1. 氮
在鑄錠凝(ning)固(gu)過程(cheng)中，隨著初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量分數的(de)(de)(de)增加(jia)，氮(dan)在枝晶間(jian)殘余(yu)液(ye)相中的(de)(de)(de)富集(ji)程(cheng)度更加(jia)嚴重，［％N]1iq值(zhi)更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相鋼為(wei)例，結合式(shi)（2-123)可(ke)得，Pg,max也(ye)隨之(zhi)增加(jia)。當初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量分數從0.25%(D2)增加(jia)至0.29%(D4)時，對平(ping)衡(heng)凝(ning)固(gu)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)而言，［％N]ig的(de)(de)(de)最大值(zhi)分別為(wei)1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)(de)增量分別為(wei)0.07MPa和(he)0.18MPa(如(ru)圖2-64所(suo)示）。由氣泡形成時的(de)(de)(de)壓力關系可(ke)知(zhi)，P.,max的(de)(de)(de)增加(jia)意(yi)味著液(ye)相中氮(dan)氣泡形成的(de)(de)(de)概率增大，表明增加(jia)初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量分數大幅度提高了鑄錠內出(chu)現氮(dan)氣孔缺陷的(de)(de)(de)可(ke)能性。
為(wei)了驗(yan)證理論(lun)計算結果，對(dui)D2、D3和(he)D4鑄錠(ding)內氮(dan)氣孔的(de)分(fen)(fen)布狀態(tai)進(jin)行(xing)實驗(yan)分(fen)(fen)析，D2、D3和(he)D4凝固(gu)壓力(li)均(jun)為(wei)0.1MPa,其氮(dan)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)分(fen)(fen)別為(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣孔形(xing)成高度從150mm降至40mm,如圖(tu)2-64所示。因此，Pg,max隨著初(chu)始氮(dan)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)增(zeng)加而增(zeng)大，液相中(zhong)氮(dan)氣泡形(xing)成難度減小，氮(dan)氣孔易于在(zai)鑄錠(ding)內形(xing)成。
2. 錳
研(yan)究發現(xian)［19,25,95],部分(fen)(fen)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)（如(ru)錳(meng)(meng)和鉻）能(neng)夠提高液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶解度，減(jian)小(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)等(deng)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)在(zai)凝(ning)(ning)固過程中(zhong)(zhong)還能(neng)促進富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)形成，減(jian)小(xiao)枝晶間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)富集(ji)，緩(huan)解氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏析，降(jiang)低Ase值(zhi)。如(ru)果合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)能(neng)夠減(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)(de)總(zong)和，那么提高鋼中(zhong)(zhong)該合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)有助(zhu)(zhu)于抑制氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)在(zai)殘余(yu)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形成。合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)(meng)提高液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)同時(shi)，還有助(zhu)(zhu)于富氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)(ning)固過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為例，在(zai)平衡凝(ning)(ning)固和Scheil凝(ning)(ning)固中(zhong)(zhong)，增加合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)(meng)均能(neng)同時(shi)降(jiang)低Aso和Ase的(de)(de)(de)值(zhi)，如(ru)圖2-65所示(shi)。與(yu)此(ci)同時(shi)，結合(he)(he)(he)(he)式（2-123),隨著合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)(meng)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)增加而大幅度減(jian)小(xiao)，如(ru)圖2-66所示(shi)。因此(ci)增加鑄(zhu)錠中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)(meng)的(de)(de)(de)質量(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)(shu)有助(zhu)(zhu)于抑制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形成，減(jian)少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔缺陷，該結論(lun)與(yu)Young等(deng)報道(dao)的(de)(de)(de)一致。
3. 鉻
與合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)錳(meng)相(xiang)(xiang)比(bi)，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)氮(dan)氣孔形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)影響相(xiang)(xiang)對(dui)復雜。一(yi)(yi)方面(mian)，增(zeng)(zeng)加合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)能(neng)提高(gao)液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)解度和促(cu)進(jin)富(fu)氮(dan)相(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)）在(zai)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成（圖2-67),減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于(yu)(yu)抑(yi)制液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成。以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠(ding)為(wei)例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律，如圖2-68所(suo)(suo)示(shi)。另一(yi)(yi)方面(mian)，鉻(ge)(ge)作為(wei)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8形(xing)(xing)成元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，提高(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)有(you)利于(yu)(yu)貧氮(dan)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成（圖2-67),從而(er)(er)(er)加劇液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集，增(zeng)(zeng)大氮(dan)的(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)加Ase(如圖2-68所(suo)(suo)示(shi)），對(dui)液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成具有(you)促(cu)進(jin)作用。這種矛盾在(zai)平衡凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)較為(wei)突出，當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)從15%增(zeng)(zeng)至21.5%時，由于(yu)(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)大于(yu)(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)量(liang)，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖2-69所(suo)(suo)示(shi)；當合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)進(jin)一(yi)(yi)步(bu)增(zeng)(zeng)加至25%時，Ase和Aso分(fen)別(bie)增(zeng)(zeng)大和減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)，但與Ase相(xiang)(xiang)比(bi)Aso的(de)(de)(de)(de)變(bian)化量(liang)十分(fen)明(ming)顯，進(jin)而(er)(er)(er)導致Pg出現減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)。然而(er)(er)(er)，在(zai)Scheil凝固(gu)中(zhong)，隨(sui)著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)，有(you)助于(yu)(yu)Aso大幅度降(jiang)低，Pg,max始終保(bao)持單調(diao)遞減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖2-69所(suo)(suo)示(shi)。總之(zhi)，隨(sui)著合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，Aso與Ase之(zhi)和的(de)(de)(de)(de)變(bian)化非(fei)單調(diao)，合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)影響呈現出雙面(mian)性(xing)，同樣(yang)對(dui)鑄錠(ding)內氣孔的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成也(ye)具有(you)雙面(mian)性(xing)。
4. 凝固壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙(shuang)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，壓力過高(gao)將會加速(su)設備損耗，提(ti)高(gao)生產(chan)成本且易引發生產(chan)事故，影響生產(chan)的(de)安全(quan)和順利(li)運行(xing)。因此，利(li)用加壓冶金(jin)技(ji)術制備高(gao)氮奧氏體(ti)不銹鋼過程中，需要合(he)理地控制壓力。利(li)用加壓感(gan)應(ying)爐制備高(gao)氮奧氏體(ti)不銹鋼時，壓力P6可用以下公式(shi)確定：
