一、凝(ning)固(gu)收縮
凝固過程中，液相向(xiang)固相轉(zhuan)變發生(sheng)的(de)體收縮(suo)，加大了(le)氮(dan)氣孔形(xing)成的(de)敏感(gan)性(xing)，這主要是(shi)因為凝固收縮(suo)促進了(le)液相穿過枝晶(jing)網(wang)狀結(jie)構或其(qi)他補(bu)縮(suo)通道(dao)向(xiang)疏松(song)流(liu)動(dong)的(de)補(bu)縮(suo)行為，導(dao)致了(le)疏松(song)與(yu)其(qi)附近區域之間產生(sheng)了(le)新的(de)壓力梯度，梯度方(fang)向(xiang)為補(bu)縮(suo)流(liu)動(dong)的(de)反方(fang)向(xiang)，即VP。根(gen)據(ju)質量守恒和達西定律(lv)可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠為例，心部處(chu)疏(shu)松和(he)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔共(gong)存的(de)形貌如圖2-63所(suo)示。由疏(shu)松導致的(de)不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔之間最(zui)大的(de)區別在(zai)于，不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔內壁凹凸不平，而規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔內壁光滑。規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔、不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔以及疏(shu)松縮孔依次沿凝(ning)固方向分布(bu)(bu)，規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)初(chu)始形成(cheng)位置(zhi)為單一奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)。隨著(zhu)凝(ning)固的(de)進行，在(zai)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔完全閉合(he)之前，由于疏(shu)松引起(qi)的(de)鋼(gang)液(ye)靜壓力Pm降低，促(cu)進了氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔的(de)進一步(bu)生長，不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔開始形成(cheng)和(he)長大。眾所(suo)周知，疏(shu)松是凝(ning)固體(ti)(ti)(ti)積縮無法得到枝晶間液(ye)體(ti)(ti)(ti)補縮所(suo)導致的(de)，那么(me)不規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔周圍的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)分布(bu)(bu)和(he)基體(ti)(ti)(ti)完全相(xiang)(xiang)(xiang)同，即奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)和(he)鐵素體(ti)(ti)(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)交(jiao)替分布(bu)(bu)，與(yu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔周圍相(xiang)(xiang)(xiang)分布(bu)(bu)存在(zai)差異(yi)。
此外(wai)，對(dui)柱(zhu)狀(zhuang)鑄錠(ding)而言(yan)，凝固末期由(you)于發(fa)達枝晶(jing)網狀(zhuang)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)形成，凝固收縮得(de)不(bu)到(dao)液相補充的(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)往往處于中心軸線位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)附近，那么(me)D1~D4鑄錠(ding)中不(bu)規(gui)(gui)則氣孔(kong)大(da)多數分(fen)布(bu)在鑄錠(ding)中心軸線位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)處，如圖2-50所(suo)示。不(bu)受疏(shu)松影響的(de)(de)(de)(de)規(gui)(gui)則氣孔(kong)形狀(zhuang)近似橢(tuo)圓(yuan)形，且多數分(fen)布(bu)在靠近鑄錠(ding)邊部的(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)。此外(wai)，鋼液靜壓力(li)Pm隨著鑄錠(ding)高度的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而減小，因此氣孔(kong)的(de)(de)(de)(de)數量和尺寸(cun)均隨鑄錠(ding)高度增(zeng)加(jia)而大(da)體呈(cheng)現(xian)出增(zeng)加(jia)的(de)(de)(de)(de)趨勢（圖2-50)。
二、主要(yao)合金元素和凝固壓力
1. 氮
在鑄(zhu)錠凝固過(guo)程中，隨著初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)，氮(dan)在枝晶間殘余液(ye)相中的富集程度(du)更加(jia)(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值更大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙(shuang)相鋼為(wei)例，結合式（2-123)可得，Pg,max也隨之增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)。當初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)至0.29%(D4)時(shi)(shi)，對平衡凝固和(he)Scheil凝固而言(yan)，［％N]ig的最大(da)(da)值分(fen)(fen)(fen)別為(wei)1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)別為(wei)0.07MPa和(he)0.18MPa(如(ru)圖2-64所示(shi)）。由氣(qi)泡(pao)形成時(shi)(shi)的壓(ya)力(li)關系(xi)可知，P.,max的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)意味著液(ye)相中氮(dan)氣(qi)泡(pao)形成的概率增(zeng)(zeng)大(da)(da)，表明增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)大(da)(da)幅度(du)提高了鑄(zhu)錠內出(chu)現氮(dan)氣(qi)孔缺(que)陷的可能性。
為了驗(yan)證理論計(ji)算結果(guo)，對D2、D3和(he)D4鑄(zhu)錠內氮氣孔(kong)(kong)的分(fen)(fen)布(bu)狀態進行實驗(yan)分(fen)(fen)析，D2、D3和(he)D4凝固壓(ya)力均為0.1MPa,其(qi)氮質量分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣孔(kong)(kong)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)高度從150mm降至40mm,如(ru)圖2-64所(suo)示(shi)。因此，Pg,max隨(sui)著初始氮質量分(fen)(fen)數的增加(jia)而增大，液相中氮氣泡形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)難(nan)度減(jian)小，氮氣孔(kong)(kong)易(yi)于在鑄(zhu)錠內形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。
2. 錳(meng)
研究發現［19,25,95],部分合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)（如錳(meng)(meng)(meng)和(he)(he)鉻）能(neng)夠提高(gao)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解度，減小Aso值；其中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)(meng)等(deng)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)在凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)還能(neng)促進富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)形成，減小枝晶間(jian)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)富集(ji)，緩解氮(dan)(dan)偏析，降(jiang)低(di)Ase值。如果合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)能(neng)夠減小Aso與Ase的(de)(de)(de)(de)總和(he)(he)，那(nei)么(me)提高(gao)鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)該合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數有(you)(you)助于(yu)抑制氮(dan)(dan)氣泡(pao)在殘余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)形成。合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)(meng)提高(gao)液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量分數的(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)，還有(you)(you)助于(yu)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如奧氏(shi)體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在凝(ning)固過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄(zhu)錠為例，在平衡凝(ning)固和(he)(he)Scheil凝(ning)固中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，增(zeng)加合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)(meng)均(jun)能(neng)同(tong)時(shi)(shi)降(jiang)低(di)Aso和(he)(he)Ase的(de)(de)(de)(de)值，如圖(tu)2-65所(suo)(suo)示。與此同(tong)時(shi)(shi)，結(jie)合(he)式（2-123),隨(sui)著(zhu)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)(meng)質(zhi)量分數增(zeng)加而大(da)幅度減小，如圖(tu)2-66所(suo)(suo)示。因此增(zeng)加鑄(zhu)錠中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)(meng)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量分數有(you)(you)助于(yu)抑制液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)(de)(de)形成，減少或(huo)消除(chu)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷(xian)，該結(jie)論與Young等(deng)報道(dao)的(de)(de)(de)(de)一致。
3. 鉻(ge)
與合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對(dui)氮氣(qi)孔形成的(de)(de)影響相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)復雜(za)。一(yi)方面(mian)，增(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數能(neng)提高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮的(de)(de)溶解度和促(cu)進富氮相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)(zai)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)形成（圖(tu)2-67),減小(xiao)Aso的(de)(de)值，有助(zhu)于抑制(zhi)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)為(wei)例，Aso隨(sui)(sui)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)變化規律，如圖(tu)2-68所示。另一(yi)方面(mian)，鉻(ge)(ge)(ge)作為(wei)鐵(tie)素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形成元(yuan)素(su)(su)，提高(gao)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數有利于貧氮鐵(tie)素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)形成（圖(tu)2-67),從(cong)而加(jia)(jia)劇液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮的(de)(de)富集，增(zeng)大氮的(de)(de)偏析(xi)，增(zeng)加(jia)(jia)Ase(如圖(tu)2-68所示），對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)形成具有促(cu)進作用。這種(zhong)矛盾(dun)在(zai)(zai)平衡凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)較(jiao)為(wei)突出，當(dang)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數從(cong)15%增(zeng)至(zhi)21.5%時(shi)，由于Ase的(de)(de)增(zeng)量(liang)大于Aso的(de)(de)減小(xiao)量(liang)，Pg,max呈現(xian)增(zeng)大的(de)(de)趨勢(shi)(shi)，如圖(tu)2-69所示；當(dang)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數進一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)25%時(shi)，Ase和Aso分(fen)(fen)別增(zeng)大和減小(xiao)，但與Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)變化量(liang)十分(fen)(fen)明顯，進而導致Pg出現(xian)減小(xiao)的(de)(de)趨勢(shi)(shi)。然(ran)而，在(zai)(zai)Scheil凝固中(zhong)(zhong)(zhong)，隨(sui)(sui)著(zhu)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)提高(gao)，有助(zhu)于Aso大幅(fu)度降低(di)，Pg,max始終保持(chi)單(dan)調(diao)遞減的(de)(de)趨勢(shi)(shi)，如圖(tu)2-69所示。總之，隨(sui)(sui)著(zhu)合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，Aso與Ase之和的(de)(de)變化非單(dan)調(diao)，合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)氮氣(qi)泡(pao)(pao)形成的(de)(de)影響呈現(xian)出雙面(mian)性，同樣(yang)對(dui)鑄錠(ding)內氣(qi)孔的(de)(de)形成也(ye)具有雙面(mian)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，壓力過高(gao)將會加(jia)速設備損耗，提(ti)高(gao)生產(chan)成本且(qie)易(yi)引發(fa)生產(chan)事故，影響生產(chan)的安(an)全(quan)和順(shun)利運行。因此，利用(yong)加(jia)壓冶金技術制(zhi)備高(gao)氮奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)過程中，需要(yao)合理地控制(zhi)壓力。利用(yong)加(jia)壓感應(ying)爐制(zhi)備高(gao)氮奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)時，壓力P6可用(yong)以下公式確定：
