一、凝固收縮
凝固(gu)過程中，液(ye)相(xiang)(xiang)向(xiang)固(gu)相(xiang)(xiang)轉變(bian)發生的(de)體收縮(suo)(suo)(suo)，加大(da)了(le)氮氣孔(kong)形成的(de)敏感性，這(zhe)主要是因為凝固(gu)收縮(suo)(suo)(suo)促進(jin)了(le)液(ye)相(xiang)(xiang)穿(chuan)過枝晶(jing)網狀結構或(huo)其他補縮(suo)(suo)(suo)通(tong)道向(xiang)疏松流動(dong)的(de)補縮(suo)(suo)(suo)行為，導致了(le)疏松與(yu)其附近區域之間(jian)產生了(le)新的(de)壓力梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)為補縮(suo)(suo)(suo)流動(dong)的(de)反方向(xiang)，即VP。根據質量守恒(heng)和達西(xi)定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄錠為例，心部處疏(shu)(shu)(shu)松和氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)共存的(de)形(xing)貌如圖2-63所示。由疏(shu)(shu)(shu)松導(dao)致(zhi)的(de)不(bu)(bu)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)與規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)之間最大的(de)區別在(zai)(zai)于，不(bu)(bu)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)內壁凹凸不(bu)(bu)平，而規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)內壁光滑。規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)、不(bu)(bu)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)以及(ji)疏(shu)(shu)(shu)松縮孔(kong)依次沿(yan)凝(ning)固(gu)(gu)方向分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)(bu)，規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)初(chu)始(shi)形(xing)成位(wei)置為單一奧氏體相(xiang)。隨著凝(ning)固(gu)(gu)的(de)進(jin)行，在(zai)(zai)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)完全(quan)閉合之前，由于疏(shu)(shu)(shu)松引起的(de)鋼(gang)液靜壓力Pm降低，促(cu)進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)進(jin)一步生(sheng)長，不(bu)(bu)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)開始(shi)形(xing)成和長大。眾所周知(zhi)，疏(shu)(shu)(shu)松是凝(ning)固(gu)(gu)體積縮無法得到枝晶間液體補縮所導(dao)致(zhi)的(de)，那么不(bu)(bu)規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)周圍的(de)相(xiang)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)(bu)和基體完全(quan)相(xiang)同，即奧氏體相(xiang)和鐵素體相(xiang)交替(ti)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)(bu)，與規則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)周圍相(xiang)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)(bu)存在(zai)(zai)差異。
此(ci)外，對(dui)柱狀鑄(zhu)錠(ding)而(er)言，凝固末(mo)期由(you)于(yu)發達枝晶網狀結構(gou)的形成，凝固收縮得不(bu)到液相補充的位(wei)置往往處(chu)于(yu)中(zhong)心軸線位(wei)置附近(jin)，那么D1~D4鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)不(bu)規(gui)則氣(qi)孔(kong)大(da)多(duo)數(shu)分(fen)布在(zai)鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)心軸線位(wei)置處(chu)，如圖2-50所示(shi)。不(bu)受疏松影響的規(gui)則氣(qi)孔(kong)形狀近(jin)似橢圓形，且多(duo)數(shu)分(fen)布在(zai)靠近(jin)鑄(zhu)錠(ding)邊部的位(wei)置。此(ci)外，鋼液靜(jing)壓力Pm隨著鑄(zhu)錠(ding)高度的增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)減小，因此(ci)氣(qi)孔(kong)的數(shu)量和(he)尺寸均(jun)隨鑄(zhu)錠(ding)高度增(zeng)(zeng)加(jia)而(er)大(da)體呈現出增(zeng)(zeng)加(jia)的趨勢(shi)（圖2-50)。
二、主要合(he)金元(yuan)素和凝固壓力
1. 氮(dan)
在(zai)鑄錠凝固(gu)過程中(zhong)，隨著初始(shi)氮質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)(jia)，氮在(zai)枝晶間殘余液(ye)相中(zhong)的(de)富(fu)集程度更(geng)加(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值(zhi)(zhi)更(geng)大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼(gang)為例，結合式(shi)（2-123)可得，Pg,max也隨之(zhi)增(zeng)加(jia)(jia)。當初始(shi)氮質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)加(jia)(jia)至0.29%(D4)時，對平衡凝固(gu)和(he)Scheil凝固(gu)而言(yan)，［％N]ig的(de)最大(da)(da)值(zhi)(zhi)分(fen)別為1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)增(zeng)量(liang)分(fen)別為0.07MPa和(he)0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣泡形成時的(de)壓力關系可知(zhi)，P.,max的(de)增(zeng)加(jia)(jia)意(yi)味著液(ye)相中(zhong)氮氣泡形成的(de)概率增(zeng)大(da)(da)，表明增(zeng)加(jia)(jia)初始(shi)氮質(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數(shu)大(da)(da)幅度提(ti)高(gao)了鑄錠內出現氮氣孔(kong)缺陷的(de)可能性(xing)。
為了驗(yan)證理論計算結果，對D2、D3和D4鑄錠內氮(dan)氣孔的(de)分(fen)布(bu)狀態進行實驗(yan)分(fen)析，D2、D3和D4凝(ning)固壓力均為0.1MPa,其氮(dan)質量(liang)分(fen)數分(fen)別為0.25%、0.26%和0.29%,氣孔形成(cheng)(cheng)高度從150mm降至40mm,如圖2-64所示(shi)。因此，Pg,max隨(sui)著初始氮(dan)質量(liang)分(fen)數的(de)增加而增大，液相(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡(pao)形成(cheng)(cheng)難(nan)度減(jian)小，氮(dan)氣孔易(yi)于在(zai)鑄錠內形成(cheng)(cheng)。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分(fen)(fen)合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)（如(ru)錳和(he)(he)(he)(he)鉻）能(neng)(neng)夠提(ti)高液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)溶解(jie)度(du)(du)，減(jian)(jian)(jian)小Aso值；其中(zhong)(zhong)錳等(deng)合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)還(huan)能(neng)(neng)促進富氮(dan)相(xiang)的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)，減(jian)(jian)(jian)小枝晶(jing)間液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)富集(ji)，緩(huan)解(jie)氮(dan)偏析，降低(di)Ase值。如(ru)果合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)能(neng)(neng)夠減(jian)(jian)(jian)小Aso與Ase的(de)(de)總和(he)(he)(he)(he)，那么提(ti)高鋼(gang)中(zhong)(zhong)該(gai)合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數有(you)(you)助于抑制氮(dan)氣泡在(zai)殘(can)余液相(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)(xing)成(cheng)。合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)錳提(ti)高液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)同時，還(huan)有(you)(you)助于富氮(dan)相(xiang)（如(ru)奧(ao)氏體相(xiang)γ和(he)(he)(he)(he)hcp相(xiang)）在(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)為例，在(zai)平衡(heng)凝固(gu)和(he)(he)(he)(he)Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，增(zeng)加合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)錳均能(neng)(neng)同時降低(di)Aso和(he)(he)(he)(he)Ase的(de)(de)值，如(ru)圖2-65所示(shi)。與此同時，結合式（2-123),隨著合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)錳質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數增(zeng)加而(er)大幅度(du)(du)減(jian)(jian)(jian)小，如(ru)圖2-66所示(shi)。因此增(zeng)加鑄錠(ding)中(zhong)(zhong)合金(jin)(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)錳的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數有(you)(you)助于抑制液相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)，減(jian)(jian)(jian)少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)氮(dan)氣孔缺陷，該(gai)結論與Young等(deng)報道的(de)(de)一(yi)致。
3. 鉻(ge)
與(yu)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對氮(dan)氣(qi)孔形成(cheng)的(de)(de)(de)影(ying)響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對復雜。一(yi)方面，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)能(neng)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)和(he)促(cu)進富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)形成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),減小Aso的(de)(de)(de)值，有助于抑制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)變化規(gui)律，如圖(tu)(tu)2-68所(suo)示(shi)。另(ling)一(yi)方面，鉻(ge)(ge)(ge)作為鐵素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形成(cheng)元素(su)(su)(su)(su)，提高(gao)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)有利于貧氮(dan)鐵素(su)(su)(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)形成(cheng)（圖(tu)(tu)2-67),從而加(jia)(jia)劇液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)富集，增(zeng)(zeng)(zeng)大氮(dan)的(de)(de)(de)偏(pian)析，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)Ase(如圖(tu)(tu)2-68所(suo)示(shi)），對液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)形成(cheng)具有促(cu)進作用。這(zhe)種矛盾在平(ping)衡(heng)凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)(zhong)較為突(tu)出，當(dang)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)從15%增(zeng)(zeng)(zeng)至(zhi)21.5%時(shi)，由于Ase的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)(liang)大于Aso的(de)(de)(de)減小量(liang)(liang)(liang)，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)趨(qu)勢，如圖(tu)(tu)2-69所(suo)示(shi)；當(dang)合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)進一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)25%時(shi)，Ase和(he)Aso分(fen)(fen)別增(zeng)(zeng)(zeng)大和(he)減小，但與(yu)Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)變化量(liang)(liang)(liang)十分(fen)(fen)明顯，進而導(dao)致Pg出現減小的(de)(de)(de)趨(qu)勢。然而，在Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)(zhong)，隨(sui)著合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)提高(gao)，有助于Aso大幅度(du)降低，Pg,max始終保持單(dan)調遞減的(de)(de)(de)趨(qu)勢，如圖(tu)(tu)2-69所(suo)示(shi)。總之(zhi)，隨(sui)著合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，Aso與(yu)Ase之(zhi)和(he)的(de)(de)(de)變化非單(dan)調，合(he)金(jin)(jin)(jin)元素(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)形成(cheng)的(de)(de)(de)影(ying)響呈現出雙面性，同(tong)樣對鑄錠內氣(qi)孔的(de)(de)(de)形成(cheng)也具有雙面性。
4. 凝固壓力
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)力過(guo)(guo)高(gao)(gao)將會加速(su)設備(bei)(bei)損耗，提高(gao)(gao)生產成本且易引(yin)發生產事(shi)故，影響生產的安全和(he)順利(li)(li)運行。因此，利(li)(li)用加壓(ya)(ya)冶金技(ji)術制備(bei)(bei)高(gao)(gao)氮奧(ao)氏(shi)體不銹鋼過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，需要合理(li)地控制壓(ya)(ya)力。利(li)(li)用加壓(ya)(ya)感應爐制備(bei)(bei)高(gao)(gao)氮奧(ao)氏(shi)體不銹鋼時，壓(ya)(ya)力P6可用以下(xia)公式(shi)確定：
