一、凝固收縮
凝固過(guo)程中，液(ye)(ye)相向固相轉(zhuan)變發生的(de)體收縮(suo)，加大了(le)氮氣孔形成的(de)敏感性，這主要是因為凝固收縮(suo)促進了(le)液(ye)(ye)相穿過(guo)枝晶網狀結構或其(qi)他補縮(suo)通道向疏松(song)流動的(de)補縮(suo)行(xing)為，導致了(le)疏松(song)與其(qi)附近區域之間產生了(le)新(xin)的(de)壓力(li)梯度，梯度方向為補縮(suo)流動的(de)反方向，即VP。根據(ju)質量(liang)守恒和達西定(ding)律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相鋼D1鑄錠為(wei)例，心部(bu)處疏(shu)(shu)(shu)松(song)和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)共存(cun)(cun)的(de)(de)(de)形貌(mao)如圖2-63所(suo)示。由疏(shu)(shu)(shu)松(song)導(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)與規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)之間(jian)最大(da)的(de)(de)(de)區別在(zai)于，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)凹凸不(bu)(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)內壁(bi)光(guang)滑。規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)以及疏(shu)(shu)(shu)松(song)縮孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)依次沿凝固方向分(fen)(fen)布，規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡初始形成位置(zhi)為(wei)單一奧氏體(ti)(ti)相。隨著凝固的(de)(de)(de)進(jin)行，在(zai)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)完全(quan)閉(bi)合之前，由于疏(shu)(shu)(shu)松(song)引起的(de)(de)(de)鋼液靜壓力Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)(de)進(jin)一步生(sheng)長(chang)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)開始形成和(he)(he)長(chang)大(da)。眾所(suo)周(zhou)知，疏(shu)(shu)(shu)松(song)是(shi)凝固體(ti)(ti)積縮無法得到枝晶(jing)間(jian)液體(ti)(ti)補縮所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)，那么不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)圍的(de)(de)(de)相分(fen)(fen)布和(he)(he)基體(ti)(ti)完全(quan)相同(tong)，即奧氏體(ti)(ti)相和(he)(he)鐵素體(ti)(ti)相交替分(fen)(fen)布，與規(gui)(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)周(zhou)圍相分(fen)(fen)布存(cun)(cun)在(zai)差異。
此(ci)外，對柱狀(zhuang)鑄錠而言，凝固(gu)末期由于(yu)發達枝晶網狀(zhuang)結構的(de)(de)(de)(de)形成，凝固(gu)收縮得不到液相補充的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)往(wang)往(wang)處于(yu)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)軸線位(wei)置(zhi)(zhi)附近(jin)，那么D1~D4鑄錠中(zhong)(zhong)(zhong)不規則氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)大多(duo)數(shu)分布在鑄錠中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)軸線位(wei)置(zhi)(zhi)處，如圖2-50所示。不受疏(shu)松影響(xiang)的(de)(de)(de)(de)規則氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)形狀(zhuang)近(jin)似橢圓形，且多(duo)數(shu)分布在靠近(jin)鑄錠邊部(bu)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)。此(ci)外，鋼液靜(jing)壓力(li)Pm隨著(zhu)鑄錠高度(du)的(de)(de)(de)(de)增加而減小，因此(ci)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)數(shu)量和(he)尺寸均隨鑄錠高度(du)增加而大體(ti)呈現出增加的(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)（圖2-50)。
二、主要合(he)金元素和凝固壓力
1. 氮
在鑄(zhu)(zhu)錠(ding)凝(ning)(ning)固(gu)過程(cheng)中，隨著(zhu)(zhu)初(chu)始氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數的增(zeng)(zeng)加(jia)，氮(dan)在枝晶間殘余液(ye)相中的富集程(cheng)度(du)更加(jia)嚴重(zhong)，［％N]1iq值(zhi)更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相鋼為(wei)例(li)，結合式（2-123)可得，Pg,max也隨之增(zeng)(zeng)加(jia)。當初(chu)始氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數從0.25%(D2)增(zeng)(zeng)加(jia)至(zhi)0.29%(D4)時，對平衡凝(ning)(ning)固(gu)和Scheil凝(ning)(ning)固(gu)而(er)言(yan)，［％N]ig的最大值(zhi)分別(bie)為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)分別(bie)為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣(qi)泡形成(cheng)時的壓力關系(xi)可知，P.,max的增(zeng)(zeng)加(jia)意味著(zhu)(zhu)液(ye)相中氮(dan)氣(qi)泡形成(cheng)的概率增(zeng)(zeng)大，表明(ming)增(zeng)(zeng)加(jia)初(chu)始氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數大幅(fu)度(du)提高了鑄(zhu)(zhu)錠(ding)內出現(xian)氮(dan)氣(qi)孔缺陷的可能性(xing)。
為(wei)(wei)了驗(yan)證理論計(ji)算(suan)結(jie)果，對(dui)D2、D3和D4鑄錠(ding)內氮(dan)氣(qi)(qi)孔的分(fen)布狀態進行實驗(yan)分(fen)析，D2、D3和D4凝固壓力均為(wei)(wei)0.1MPa,其氮(dan)質量分(fen)數分(fen)別為(wei)(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣(qi)(qi)孔形(xing)成(cheng)高(gao)度從150mm降至40mm,如圖2-64所示。因此，Pg,max隨著初始(shi)氮(dan)質量分(fen)數的增加而(er)增大，液相中(zhong)氮(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)形(xing)成(cheng)難度減小，氮(dan)氣(qi)(qi)孔易于在鑄錠(ding)內形(xing)成(cheng)。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素（如(ru)錳(meng)和鉻）能(neng)夠提高(gao)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶(rong)解度(du)，減(jian)小(xiao)(xiao)Aso值；其(qi)中(zhong)(zhong)錳(meng)等合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素在(zai)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)還能(neng)促進(jin)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)形成，減(jian)小(xiao)(xiao)枝晶間液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)富(fu)集(ji)，緩解氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏析，降低Ase值。如(ru)果(guo)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素能(neng)夠減(jian)小(xiao)(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)(de)總和，那么提高(gao)鋼中(zhong)(zhong)該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)有(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)抑制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣泡(pao)在(zai)殘(can)余液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形成。合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素錳(meng)提高(gao)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)的(de)(de)(de)同(tong)時，還有(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（如(ru)奧(ao)氏(shi)體相(xiang)(xiang)γ和hcp相(xiang)(xiang)）在(zai)凝(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)鋼D1鑄錠為例，在(zai)平衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)，增加合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素錳(meng)均(jun)能(neng)同(tong)時降低Aso和Ase的(de)(de)(de)值，如(ru)圖(tu)2-65所示。與(yu)此同(tong)時，結合(he)(he)(he)式（2-123),隨著(zhu)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素錳(meng)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)增加而大幅(fu)度(du)減(jian)小(xiao)(xiao)，如(ru)圖(tu)2-66所示。因此增加鑄錠中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素錳(meng)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)有(you)(you)助(zhu)于(yu)(yu)抑制(zhi)液相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)(de)形成，減(jian)少(shao)或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔缺陷，該結論與(yu)Young等報道的(de)(de)(de)一致。
3. 鉻
與(yu)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)比，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)對氮氣孔形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響相(xiang)(xiang)對復雜。一方(fang)(fang)面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數能提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和(he)促進富氮相(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)）在(zai)凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)（圖2-67),減(jian)(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有助(zhu)于(yu)抑制液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮氣泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠為例，Aso隨鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化規(gui)律，如(ru)圖2-68所示(shi)。另一方(fang)(fang)面，鉻(ge)作為鐵素(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)8形成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)，提高(gao)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數有利于(yu)貧氮鐵素(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)（圖2-67),從而加(jia)(jia)劇液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)氮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析(xi)，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)Ase(如(ru)圖2-68所示(shi)），對液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮氣泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)具(ju)有促進作用。這種(zhong)矛盾(dun)在(zai)平衡凝固(gu)過程(cheng)中(zhong)較為突出，當(dang)(dang)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數從15%增(zeng)(zeng)(zeng)至21.5%時，由(you)于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)(liang)(liang)大(da)(da)于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小(xiao)量(liang)(liang)(liang)(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如(ru)圖2-69所示(shi)；當(dang)(dang)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數進一步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至25%時，Ase和(he)Aso分(fen)(fen)別增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)和(he)減(jian)(jian)小(xiao)，但與(yu)Ase相(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化量(liang)(liang)(liang)(liang)十分(fen)(fen)明(ming)顯，進而導致Pg出現(xian)減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)。然而，在(zai)Scheil凝固(gu)中(zhong)，隨著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)，有助(zhu)于(yu)Aso大(da)(da)幅度(du)降(jiang)低，Pg,max始終保持單調(diao)遞減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如(ru)圖2-69所示(shi)。總(zong)之，隨著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化非單調(diao)，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)鉻(ge)對液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)氮氣泡(pao)(pao)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響呈(cheng)現(xian)出雙(shuang)面性，同樣對鑄(zhu)錠內氣孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)也(ye)具(ju)有雙(shuang)面性。
4. 凝固壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼(gang)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)過高將會加(jia)(jia)速(su)設備損耗(hao)，提高生(sheng)(sheng)產成本且(qie)易引發生(sheng)(sheng)產事故，影響生(sheng)(sheng)產的安全和(he)順利(li)運行。因此，利(li)用(yong)加(jia)(jia)壓(ya)冶(ye)金(jin)技術(shu)制(zhi)備高氮(dan)奧氏(shi)體不銹鋼過程中，需要合理地控制(zhi)壓(ya)力(li)。利(li)用(yong)加(jia)(jia)壓(ya)感(gan)應(ying)爐(lu)制(zhi)備高氮(dan)奧氏(shi)體不銹鋼時，壓(ya)力(li)P6可用(yong)以下公(gong)式確定：
