一(yi)、凝(ning)固收縮(suo)
凝固(gu)過(guo)程中，液相(xiang)向(xiang)(xiang)固(gu)相(xiang)轉變(bian)發生(sheng)的(de)體(ti)收縮(suo)，加大了(le)氮氣孔形(xing)成的(de)敏感性，這主(zhu)要是因為(wei)凝固(gu)收縮(suo)促進了(le)液相(xiang)穿過(guo)枝晶網狀結構或其他補(bu)(bu)縮(suo)通道向(xiang)(xiang)疏松流(liu)動的(de)補(bu)(bu)縮(suo)行為(wei)，導致了(le)疏松與其附(fu)近區域(yu)之間產(chan)生(sheng)了(le)新的(de)壓力梯度，梯度方向(xiang)(xiang)為(wei)補(bu)(bu)縮(suo)流(liu)動的(de)反方向(xiang)(xiang)，即VP。根(gen)據質量守恒(heng)和達西定(ding)律可知(zhi)：
以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼D1鑄錠(ding)為例，心部處疏(shu)松(song)和(he)(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)共(gong)存(cun)(cun)的(de)形貌如(ru)圖2-63所(suo)示。由(you)疏(shu)松(song)導致的(de)不(bu)(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)之(zhi)間最大的(de)區別在于，不(bu)(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內(nei)壁(bi)凹凸不(bu)(bu)(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內(nei)壁(bi)光(guang)滑。規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)、不(bu)(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)以(yi)及(ji)疏(shu)松(song)縮(suo)孔(kong)(kong)依(yi)次沿凝固(gu)方向分布(bu)(bu)，規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡初始形成位置為單一奧氏體相(xiang)。隨(sui)著凝固(gu)的(de)進(jin)行，在規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)完全閉(bi)合之(zhi)前，由(you)于疏(shu)松(song)引(yin)起的(de)鋼液(ye)靜壓(ya)力Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的(de)進(jin)一步生長，不(bu)(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)開始形成和(he)(he)(he)長大。眾所(suo)周知，疏(shu)松(song)是凝固(gu)體積縮(suo)無法(fa)得到枝(zhi)晶(jing)間液(ye)體補(bu)縮(suo)所(suo)導致的(de)，那么不(bu)(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周圍的(de)相(xiang)分布(bu)(bu)和(he)(he)(he)基(ji)體完全相(xiang)同，即奧氏體相(xiang)和(he)(he)(he)鐵素體相(xiang)交替分布(bu)(bu)，與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周圍相(xiang)分布(bu)(bu)存(cun)(cun)在差(cha)異。
此(ci)外，對柱狀鑄錠(ding)而言，凝固末期由于(yu)發達枝(zhi)晶網狀結構(gou)的(de)形成，凝固收縮得不到液相(xiang)補充(chong)的(de)位置(zhi)往往處(chu)于(yu)中心軸線位置(zhi)附近(jin)，那(nei)么D1~D4鑄錠(ding)中不規則氣孔大(da)多(duo)數(shu)分布(bu)在鑄錠(ding)中心軸線位置(zhi)處(chu)，如圖2-50所示。不受疏(shu)松影響(xiang)的(de)規則氣孔形狀近(jin)似橢圓(yuan)形，且多(duo)數(shu)分布(bu)在靠近(jin)鑄錠(ding)邊(bian)部(bu)的(de)位置(zhi)。此(ci)外，鋼液靜(jing)壓力Pm隨(sui)著鑄錠(ding)高度的(de)增加而減小，因此(ci)氣孔的(de)數(shu)量和(he)尺寸均隨(sui)鑄錠(ding)高度增加而大(da)體(ti)呈現出增加的(de)趨勢（圖2-50)。
二、主要合金元素和凝固壓力
1. 氮
在鑄(zhu)錠(ding)凝固(gu)(gu)過程中(zhong)，隨著初始氮(dan)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，氮(dan)在枝晶間殘余液相中(zhong)的(de)(de)富(fu)集程度(du)(du)更加嚴重(zhong)，［％N]1iq值(zhi)更大(da)。以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相鋼為(wei)例，結(jie)合式（2-123)可(ke)得，Pg,max也隨之增(zeng)(zeng)加。當(dang)初始氮(dan)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)(zeng)加至0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝固(gu)(gu)和Scheil凝固(gu)(gu)而(er)言，［％N]ig的(de)(de)最(zui)大(da)值(zhi)分(fen)(fen)別為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)別為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所(suo)示）。由氣(qi)泡形成時(shi)的(de)(de)壓力關系可(ke)知，P.,max的(de)(de)增(zeng)(zeng)加意味著液相中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡形成的(de)(de)概率增(zeng)(zeng)大(da)，表明增(zeng)(zeng)加初始氮(dan)質量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)大(da)幅度(du)(du)提(ti)高了鑄(zhu)錠(ding)內(nei)出現氮(dan)氣(qi)孔缺陷的(de)(de)可(ke)能性。
為(wei)了驗證理論計算(suan)結(jie)果，對D2、D3和(he)D4鑄錠(ding)內(nei)氮(dan)氣孔(kong)(kong)的(de)分布狀態(tai)進行實驗分析(xi)，D2、D3和(he)D4凝固壓力均為(wei)0.1MPa,其氮(dan)質量(liang)分數(shu)分別為(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣孔(kong)(kong)形成高度(du)從(cong)150mm降至(zhi)40mm,如圖2-64所(suo)示。因(yin)此(ci)，Pg,max隨著初始氮(dan)質量(liang)分數(shu)的(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)大，液相中氮(dan)氣泡(pao)形成難度(du)減小，氮(dan)氣孔(kong)(kong)易于在鑄錠(ding)內(nei)形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分合(he)金元素(su)（如(ru)(ru)錳(meng)(meng)和(he)鉻）能夠(gou)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)溶解度，減小(xiao)(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)等合(he)金元素(su)在(zai)凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)還能促(cu)進富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)形(xing)成(cheng)，減小(xiao)(xiao)枝晶間(jian)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)富(fu)集，緩解氮(dan)(dan)(dan)(dan)偏析，降低Ase值(zhi)。如(ru)(ru)果合(he)金元素(su)能夠(gou)減小(xiao)(xiao)Aso與Ase的(de)總(zong)和(he)，那么提高(gao)鋼(gang)中(zhong)(zhong)該合(he)金元素(su)的(de)質量(liang)分數(shu)有助(zhu)(zhu)于(yu)抑(yi)制(zhi)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡在(zai)殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)成(cheng)。合(he)金元素(su)錳(meng)(meng)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)質量(liang)分數(shu)的(de)同(tong)時，還有助(zhu)(zhu)于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)形(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)為例(li)，在(zai)平衡凝固(gu)(gu)和(he)Scheil凝固(gu)(gu)中(zhong)(zhong)，增(zeng)(zeng)加(jia)合(he)金元素(su)錳(meng)(meng)均能同(tong)時降低Aso和(he)Ase的(de)值(zhi)，如(ru)(ru)圖2-65所示。與此(ci)同(tong)時，結合(he)式（2-123),隨著(zhu)合(he)金元素(su)錳(meng)(meng)質量(liang)分數(shu)增(zeng)(zeng)加(jia)而大幅(fu)度減小(xiao)(xiao)，如(ru)(ru)圖2-66所示。因此(ci)增(zeng)(zeng)加(jia)鑄錠(ding)中(zhong)(zhong)合(he)金元素(su)錳(meng)(meng)的(de)質量(liang)分數(shu)有助(zhu)(zhu)于(yu)抑(yi)制(zhi)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)形(xing)成(cheng)，減少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)缺陷，該結論與Young等報(bao)道的(de)一致(zhi)。
3. 鉻(ge)
與(yu)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)孔形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)復雜。一方(fang)面(mian)，增(zeng)(zeng)加合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)能(neng)提(ti)(ti)高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)溶(rong)解度和(he)(he)促(cu)進(jin)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝固過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)(jian)小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于(yu)抑制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠為例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規律(lv)，如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示(shi)。另一方(fang)面(mian)，鉻(ge)(ge)作為鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)，提(ti)(ti)高(gao)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)有(you)利于(yu)貧(pin)氮(dan)(dan)鐵(tie)素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從(cong)而加劇液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)富集(ji)，增(zeng)(zeng)大氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)加Ase(如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示(shi)），對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)具有(you)促(cu)進(jin)作用。這種矛(mao)盾(dun)在(zai)平衡凝固過程中(zhong)(zhong)較為突出(chu)(chu)，當合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)從(cong)15%增(zeng)(zeng)至21.5%時，由于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)大于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)(jian)小(xiao)量(liang)(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)增(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示(shi)；當合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)進(jin)一步增(zeng)(zeng)加至25%時，Ase和(he)(he)Aso分(fen)(fen)(fen)別增(zeng)(zeng)大和(he)(he)減(jian)(jian)小(xiao)，但(dan)與(yu)Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化量(liang)(liang)十分(fen)(fen)(fen)明顯，進(jin)而導致Pg出(chu)(chu)現(xian)減(jian)(jian)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢。然而，在(zai)Scheil凝固中(zhong)(zhong)，隨(sui)著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)，有(you)助于(yu)Aso大幅度降(jiang)低(di)，Pg,max始(shi)終(zhong)保持單調遞減(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示(shi)。總之(zhi)，隨(sui)著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，Aso與(yu)Ase之(zhi)和(he)(he)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化非單調，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)泡(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響呈(cheng)現(xian)出(chu)(chu)雙面(mian)性(xing)(xing)，同樣對(dui)鑄錠內氣(qi)(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)也(ye)具有(you)雙面(mian)性(xing)(xing)。
4. 凝固(gu)壓力(li)
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，壓力(li)過(guo)高(gao)將會加速(su)設備(bei)損耗(hao)，提高(gao)生(sheng)(sheng)產(chan)成本且易引發生(sheng)(sheng)產(chan)事(shi)故，影響(xiang)生(sheng)(sheng)產(chan)的安全和順(shun)利運行。因此，利用加壓冶金技術制備(bei)高(gao)氮(dan)奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)過(guo)程中，需要(yao)合理地控制壓力(li)。利用加壓感(gan)應爐制備(bei)高(gao)氮(dan)奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)時，壓力(li)P6可用以下公(gong)式確定：
