一、凝固收縮(suo)
凝固過(guo)程中，液相(xiang)向固相(xiang)轉變發生的體收縮(suo)(suo)，加大(da)了(le)氮氣(qi)孔形成的敏感性，這主要是因為凝固收縮(suo)(suo)促進(jin)了(le)液相(xiang)穿(chuan)過(guo)枝晶(jing)網狀結構或其他補縮(suo)(suo)通(tong)道(dao)向疏(shu)松流動的補縮(suo)(suo)行為，導(dao)致了(le)疏(shu)松與(yu)其附近(jin)區域之間產生了(le)新的壓力梯度，梯度方(fang)向為補縮(suo)(suo)流動的反(fan)方(fang)向，即VP。根據質量守恒和達西定(ding)律可知(zhi)：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)為(wei)例，心(xin)部處疏(shu)松和(he)(he)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)共存(cun)的(de)(de)形(xing)貌如圖(tu)2-63所示。由疏(shu)松導(dao)致的(de)(de)不規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)與規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)之間最大的(de)(de)區(qu)別在于(yu)，不規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁凹凸不平，而規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁光(guang)滑。規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)、不規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)以及疏(shu)松縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)(kong)依次沿(yan)凝固方(fang)向分布(bu)，規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡初(chu)始形(xing)成位置為(wei)單一奧氏體相(xiang)。隨(sui)著(zhu)凝固的(de)(de)進(jin)行，在規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)完(wan)(wan)全(quan)閉(bi)合之前(qian)，由于(yu)疏(shu)松引起的(de)(de)鋼(gang)液靜壓力Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)的(de)(de)進(jin)一步(bu)生長，不規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)開(kai)始形(xing)成和(he)(he)長大。眾所周(zhou)知，疏(shu)松是凝固體積(ji)縮(suo)(suo)無(wu)法得到枝晶間液體補(bu)縮(suo)(suo)所導(dao)致的(de)(de)，那么不規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)相(xiang)分布(bu)和(he)(he)基體完(wan)(wan)全(quan)相(xiang)同，即奧氏體相(xiang)和(he)(he)鐵素體相(xiang)交(jiao)替分布(bu)，與規(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周(zhou)圍(wei)相(xiang)分布(bu)存(cun)在差異(yi)。
此外，對柱狀鑄(zhu)錠(ding)(ding)而言，凝(ning)固末(mo)期由于(yu)發(fa)達枝晶網狀結構的(de)形成(cheng)，凝(ning)固收(shou)縮(suo)得不(bu)(bu)到液相補(bu)充的(de)位(wei)置(zhi)往往處于(yu)中(zhong)心軸線(xian)位(wei)置(zhi)附近(jin)，那(nei)么D1~D4鑄(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)不(bu)(bu)規則(ze)氣孔大多(duo)數分布(bu)在鑄(zhu)錠(ding)(ding)中(zhong)心軸線(xian)位(wei)置(zhi)處，如(ru)圖2-50所示。不(bu)(bu)受疏松影響的(de)規則(ze)氣孔形狀近(jin)似橢圓形，且(qie)多(duo)數分布(bu)在靠近(jin)鑄(zhu)錠(ding)(ding)邊部的(de)位(wei)置(zhi)。此外，鋼液靜(jing)壓力Pm隨著鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)的(de)增(zeng)加而減小，因此氣孔的(de)數量和尺寸均隨鑄(zhu)錠(ding)(ding)高度(du)增(zeng)加而大體呈(cheng)現出增(zeng)加的(de)趨勢（圖2-50)。
二(er)、主要合金元素和凝(ning)固(gu)壓力
1. 氮
在(zai)鑄(zhu)錠凝(ning)固過程中，隨(sui)(sui)著(zhu)初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)的(de)增(zeng)加(jia)，氮(dan)(dan)(dan)在(zai)枝晶(jing)間殘余液相(xiang)(xiang)中的(de)富集程度更加(jia)嚴重，［％N]1iq值(zhi)更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼為(wei)例，結合式（2-123)可(ke)得，Pg,max也隨(sui)(sui)之(zhi)增(zeng)加(jia)。當初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)從0.25%(D2)增(zeng)加(jia)至0.29%(D4)時，對平衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固而(er)言，［％N]ig的(de)最大值(zhi)分別為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)增(zeng)量(liang)分別為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如(ru)圖2-64所示）。由氣泡形(xing)成時的(de)壓力關(guan)系可(ke)知，P.,max的(de)增(zeng)加(jia)意(yi)味著(zhu)液相(xiang)(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)氣泡形(xing)成的(de)概(gai)率(lv)增(zeng)大，表(biao)明增(zeng)加(jia)初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)大幅(fu)度提(ti)高(gao)了鑄(zhu)錠內(nei)出現(xian)氮(dan)(dan)(dan)氣孔缺陷的(de)可(ke)能性。
為(wei)(wei)了驗證理(li)論計算(suan)結果，對D2、D3和D4鑄(zhu)錠內(nei)氮(dan)氣孔(kong)的分(fen)(fen)布狀態進行(xing)實驗分(fen)(fen)析，D2、D3和D4凝固壓力(li)均為(wei)(wei)0.1MPa,其(qi)氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為(wei)(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣孔(kong)形(xing)成(cheng)(cheng)高度從150mm降至40mm,如圖2-64所示。因此，Pg,max隨著初始氮(dan)質量(liang)(liang)分(fen)(fen)數的增加而增大，液相(xiang)中(zhong)氮(dan)氣泡形(xing)成(cheng)(cheng)難(nan)度減小，氮(dan)氣孔(kong)易于(yu)在鑄(zhu)錠內(nei)形(xing)成(cheng)(cheng)。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分(fen)合金元素（如(ru)錳(meng)(meng)和(he)鉻）能(neng)(neng)夠提(ti)高(gao)(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)溶解度，減小(xiao)(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)等(deng)(deng)合金元素在凝固過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)還(huan)能(neng)(neng)促(cu)進富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)形成(cheng)，減小(xiao)(xiao)枝晶間液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)的(de)富集，緩解氮(dan)偏析，降低Ase值(zhi)。如(ru)果(guo)合金元素能(neng)(neng)夠減小(xiao)(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)總和(he)，那(nei)么提(ti)高(gao)(gao)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)該合金元素的(de)質量分(fen)數有(you)助于(yu)(yu)抑制氮(dan)氣泡在殘余液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)形成(cheng)。合金元素錳(meng)(meng)提(ti)高(gao)(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)質量分(fen)數的(de)同時(shi)，還(huan)有(you)助于(yu)(yu)富氮(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)）在凝固過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)形成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例，在平衡凝固和(he)Scheil凝固中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，增加(jia)合金元素錳(meng)(meng)均能(neng)(neng)同時(shi)降低Aso和(he)Ase的(de)值(zhi)，如(ru)圖2-65所示。與(yu)此同時(shi)，結合式（2-123),隨著(zhu)合金元素錳(meng)(meng)質量分(fen)數增加(jia)而大幅度減小(xiao)(xiao)，如(ru)圖2-66所示。因此增加(jia)鑄錠中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)合金元素錳(meng)(meng)的(de)質量分(fen)數有(you)助于(yu)(yu)抑制液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣泡的(de)形成(cheng)，減少或消(xiao)除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)氮(dan)氣孔缺陷，該結論與(yu)Young等(deng)(deng)報道(dao)的(de)一(yi)致。
3. 鉻(ge)
與合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對復雜。一(yi)方面，增(zeng)加(jia)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)能提高(gao)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和(he)促(cu)進富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝固過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖2-67),減小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有助于抑制(zhi)液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)例，Aso隨鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)規律，如圖2-68所示(shi)。另一(yi)方面，鉻(ge)(ge)(ge)(ge)作為(wei)鐵素(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)，提高(gao)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)有利于貧氮(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖2-67),從而加(jia)劇液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)大氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)加(jia)Ase(如圖2-68所示(shi)），對液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)具有促(cu)進作用(yong)。這種矛(mao)盾在(zai)平衡(heng)凝固過程中(zhong)(zhong)較為(wei)突出(chu)，當(dang)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)從15%增(zeng)至(zhi)21.5%時，由(you)于Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)大于Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao)量(liang)，Pg,max呈(cheng)(cheng)現(xian)(xian)增(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖2-69所示(shi)；當(dang)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)進一(yi)步增(zeng)加(jia)至(zhi)25%時，Ase和(he)Aso分(fen)(fen)(fen)別增(zeng)大和(he)減小(xiao)，但與Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)量(liang)十分(fen)(fen)(fen)明顯，進而導(dao)致Pg出(chu)現(xian)(xian)減小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)。然而，在(zai)Scheil凝固中(zhong)(zhong)，隨著合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)，有助于Aso大幅(fu)度(du)降低，Pg,max始終保(bao)持單調(diao)(diao)遞減的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢(shi)，如圖2-69所示(shi)。總之，隨著合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，Aso與Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)非單調(diao)(diao)，合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對液相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)呈(cheng)(cheng)現(xian)(xian)出(chu)雙面性，同樣對鑄錠內氣(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)也具有雙面性。
4. 凝(ning)固壓力(li)
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(ran)而，壓(ya)(ya)(ya)力(li)過高將會加速設備損耗，提高生(sheng)產(chan)(chan)成本且易引發生(sheng)產(chan)(chan)事故，影響生(sheng)產(chan)(chan)的安全和順利(li)運行。因(yin)此(ci)，利(li)用(yong)加壓(ya)(ya)(ya)冶金(jin)技術(shu)制(zhi)備高氮(dan)奧氏體不銹(xiu)鋼過程(cheng)中，需要合理地控(kong)制(zhi)壓(ya)(ya)(ya)力(li)。利(li)用(yong)加壓(ya)(ya)(ya)感應爐制(zhi)備高氮(dan)奧氏體不銹(xiu)鋼時，壓(ya)(ya)(ya)力(li)P6可(ke)用(yong)以下公式確定：
