一、凝固收(shou)縮
凝固(gu)過程中，液相向固(gu)相轉(zhuan)變(bian)發生(sheng)的(de)(de)體(ti)收(shou)縮(suo)(suo)，加大了(le)(le)氮氣(qi)孔形成的(de)(de)敏感性，這主要是因為(wei)凝固(gu)收(shou)縮(suo)(suo)促進了(le)(le)液相穿過枝晶網狀結構或其(qi)他補縮(suo)(suo)通(tong)道向疏松(song)流動的(de)(de)補縮(suo)(suo)行(xing)為(wei)，導致了(le)(le)疏松(song)與其(qi)附近(jin)區域之間產生(sheng)了(le)(le)新的(de)(de)壓力(li)梯(ti)度，梯(ti)度方向為(wei)補縮(suo)(suo)流動的(de)(de)反方向，即VP。根據質量守(shou)恒和達(da)西定律可知(zhi)：
以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)錠(ding)為例，心部處(chu)疏(shu)(shu)松和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)共(gong)存的形(xing)貌如圖(tu)2-63所示(shi)。由(you)疏(shu)(shu)松導(dao)致的不(bu)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)與規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)之(zhi)間最大(da)的區(qu)別(bie)在(zai)于，不(bu)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁凹(ao)凸不(bu)平，而(er)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁光滑(hua)。規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)、不(bu)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)以(yi)及疏(shu)(shu)松縮孔(kong)(kong)依次沿(yan)凝(ning)固方向分(fen)布，規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡初始(shi)形(xing)成位(wei)置為單(dan)一奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)。隨(sui)著凝(ning)固的進行，在(zai)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)完全閉(bi)合(he)之(zhi)前，由(you)于疏(shu)(shu)松引起的鋼(gang)液(ye)靜壓力Pm降低，促進了(le)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的進一步生長(chang)，不(bu)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)開始(shi)形(xing)成和(he)(he)長(chang)大(da)。眾所周知，疏(shu)(shu)松是凝(ning)固體(ti)(ti)積縮無法得(de)到枝(zhi)晶間液(ye)體(ti)(ti)補縮所導(dao)致的，那(nei)么不(bu)規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周圍(wei)(wei)的相(xiang)分(fen)布和(he)(he)基體(ti)(ti)完全相(xiang)同，即奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)和(he)(he)鐵素(su)體(ti)(ti)相(xiang)交替分(fen)布，與規(gui)則氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周圍(wei)(wei)相(xiang)分(fen)布存在(zai)差異。
此(ci)外，對柱狀(zhuang)鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)而言，凝固末期由于(yu)發(fa)達枝晶網(wang)狀(zhuang)結構(gou)的(de)(de)形(xing)成，凝固收縮(suo)得不到(dao)液(ye)相補充的(de)(de)位置往往處于(yu)中(zhong)心(xin)軸(zhou)(zhou)線位置附近，那么D1~D4鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)不規(gui)則氣孔大多(duo)數分(fen)布在鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)心(xin)軸(zhou)(zhou)線位置處，如(ru)圖(tu)(tu)2-50所(suo)示。不受疏松影響的(de)(de)規(gui)則氣孔形(xing)狀(zhuang)近似橢圓形(xing)，且多(duo)數分(fen)布在靠近鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)邊部(bu)的(de)(de)位置。此(ci)外，鋼(gang)液(ye)靜壓力Pm隨著鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)的(de)(de)增加而減(jian)小，因此(ci)氣孔的(de)(de)數量和尺寸均隨鑄(zhu)(zhu)(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)增加而大體呈(cheng)現出增加的(de)(de)趨勢(shi)（圖(tu)(tu)2-50)。
二、主要(yao)合(he)金(jin)元素和(he)凝固壓力(li)
1. 氮
在(zai)鑄(zhu)錠凝固(gu)過程中，隨著初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數的(de)(de)增(zeng)加(jia)，氮(dan)在(zai)枝晶間殘余液相中的(de)(de)富集程度更(geng)加(jia)嚴重，［％N]1iq值更(geng)大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相鋼(gang)為(wei)例，結合式（2-123)可得(de)，Pg,max也隨之增(zeng)加(jia)。當初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數從(cong)0.25%(D2)增(zeng)加(jia)至0.29%(D4)時，對平衡(heng)凝固(gu)和Scheil凝固(gu)而言，［％N]ig的(de)(de)最大值分別(bie)為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)增(zeng)量(liang)分別(bie)為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所(suo)示）。由氣泡(pao)形成(cheng)時的(de)(de)壓(ya)力關(guan)系(xi)可知，P.,max的(de)(de)增(zeng)加(jia)意味著液相中氮(dan)氣泡(pao)形成(cheng)的(de)(de)概率(lv)增(zeng)大，表明增(zeng)加(jia)初始(shi)氮(dan)質量(liang)分數大幅度提高了鑄(zhu)錠內(nei)出現氮(dan)氣孔缺(que)陷的(de)(de)可能性。
為了驗證理(li)論計算結果，對D2、D3和(he)(he)D4鑄錠內氮(dan)氣孔的分(fen)布狀態進行實驗分(fen)析，D2、D3和(he)(he)D4凝固壓力均為0.1MPa,其氮(dan)質量分(fen)數分(fen)別為0.25%、0.26%和(he)(he)0.29%,氣孔形成高度(du)從150mm降至(zhi)40mm,如圖(tu)2-64所示。因此(ci)，Pg,max隨著初始(shi)氮(dan)質量分(fen)數的增加而增大，液相中氮(dan)氣泡形成難度(du)減(jian)小(xiao)，氮(dan)氣孔易于在鑄錠內形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部(bu)分(fen)(fen)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)（如錳和(he)鉻）能夠提高(gao)液相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解(jie)(jie)度，減小Aso值(zhi)；其中錳等合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)在凝(ning)(ning)固(gu)過程中還(huan)能促進富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)的(de)(de)形成(cheng)(cheng)，減小枝晶間液相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)的(de)(de)富集，緩解(jie)(jie)氮(dan)(dan)偏析，降(jiang)低Ase值(zhi)。如果(guo)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)能夠減小Aso與(yu)Ase的(de)(de)總和(he)，那么(me)提高(gao)鋼(gang)(gang)中該(gai)合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)有助于抑制(zhi)(zhi)氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)在殘余液相(xiang)(xiang)中形成(cheng)(cheng)。合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳提高(gao)液相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)同時，還(huan)有助于富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（如奧氏體相(xiang)(xiang)γ和(he)hcp相(xiang)(xiang)）在凝(ning)(ning)固(gu)過程中的(de)(de)形成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)鋼(gang)(gang)D1鑄(zhu)錠為例，在平(ping)衡凝(ning)(ning)固(gu)和(he)Scheil凝(ning)(ning)固(gu)中，增加合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳均能同時降(jiang)低Aso和(he)Ase的(de)(de)值(zhi)，如圖(tu)2-65所示(shi)。與(yu)此(ci)同時，結(jie)合(he)(he)式（2-123),隨(sui)著合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)增加而大(da)幅(fu)度減小，如圖(tu)2-66所示(shi)。因此(ci)增加鑄(zhu)錠中合(he)(he)金元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳的(de)(de)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數(shu)有助于抑制(zhi)(zhi)液相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)形成(cheng)(cheng)，減少或消(xiao)除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)(shuang)相(xiang)(xiang)鋼(gang)(gang)中氮(dan)(dan)氣(qi)孔(kong)缺陷(xian)，該(gai)結(jie)論與(yu)Young等報(bao)道的(de)(de)一(yi)致。
3. 鉻
與合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)錳相比(bi)，合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對(dui)(dui)氮(dan)氣孔形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響相對(dui)(dui)復(fu)雜。一(yi)方(fang)面(mian)，增(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)能提(ti)(ti)高液(ye)相中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解度和(he)(he)(he)促進(jin)(jin)(jin)富氮(dan)相（hcp 相）在凝固過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于(yu)抑制液(ye)相中(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)雙相鋼D1鑄(zhu)錠為例，Aso隨鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)變化規(gui)律，如(ru)(ru)圖(tu)2-68所示。另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，鉻(ge)(ge)(ge)作(zuo)為鐵素(su)(su)(su)(su)(su)體相8形(xing)成(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)，提(ti)(ti)高合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)有(you)利于(yu)貧氮(dan)鐵素(su)(su)(su)(su)(su)體相8的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從而(er)加(jia)(jia)劇(ju)液(ye)相中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)大(da)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)加(jia)(jia)Ase(如(ru)(ru)圖(tu)2-68所示），對(dui)(dui)液(ye)相中(zhong)氮(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)具(ju)有(you)促進(jin)(jin)(jin)作(zuo)用。這種矛盾在平衡凝固過程中(zhong)較為突出，當合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)從15%增(zeng)至21.5%時，由于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)(liang)(liang)(liang)大(da)于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)減小(xiao)量(liang)(liang)(liang)(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)(xian)增(zeng)大(da)的(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所示；當合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)進(jin)(jin)(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)(jia)至25%時，Ase和(he)(he)(he)Aso分(fen)別增(zeng)大(da)和(he)(he)(he)減小(xiao)，但(dan)與Ase相比(bi)Aso的(de)(de)(de)(de)變化量(liang)(liang)(liang)(liang)十分(fen)明(ming)顯，進(jin)(jin)(jin)而(er)導致Pg出現(xian)(xian)減小(xiao)的(de)(de)(de)(de)趨勢。然而(er)，在Scheil凝固中(zhong)，隨著合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高，有(you)助于(yu)Aso大(da)幅度降低，Pg,max始終保持單(dan)調遞減的(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)(ru)圖(tu)2-69所示。總(zong)之，隨著合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)分(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，Aso與Ase之和(he)(he)(he)的(de)(de)(de)(de)變化非單(dan)調，合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對(dui)(dui)液(ye)相中(zhong)氮(dan)氣泡形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)影響呈(cheng)現(xian)(xian)出雙面(mian)性(xing)(xing)，同(tong)樣對(dui)(dui)鑄(zhu)錠內(nei)氣孔的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)也具(ju)有(you)雙面(mian)性(xing)(xing)。
4. 凝固(gu)壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相(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(ya)力過高將會加速設備(bei)損耗(hao)，提(ti)高生(sheng)產成(cheng)本且易引(yin)發生(sheng)產事故，影響生(sheng)產的安(an)全和(he)順利(li)(li)運行(xing)。因此，利(li)(li)用(yong)加壓(ya)冶金(jin)技術制(zhi)備(bei)高氮奧氏體不(bu)(bu)銹鋼過程中，需要合理地控制(zhi)壓(ya)力。利(li)(li)用(yong)加壓(ya)感應爐制(zhi)備(bei)高氮奧氏體不(bu)(bu)銹鋼時，壓(ya)力P6可用(yong)以(yi)下公式確(que)定：
