一、凝固收(shou)縮
凝(ning)(ning)固(gu)過程中，液(ye)相向(xiang)固(gu)相轉(zhuan)變發生的體(ti)收縮(suo)(suo)，加大了(le)(le)氮氣孔形成的敏(min)感性，這(zhe)主要是因為(wei)凝(ning)(ning)固(gu)收縮(suo)(suo)促進了(le)(le)液(ye)相穿過枝晶網狀(zhuang)結構或其他補(bu)縮(suo)(suo)通道向(xiang)疏(shu)松(song)流(liu)動(dong)(dong)的補(bu)縮(suo)(suo)行(xing)為(wei)，導(dao)致了(le)(le)疏(shu)松(song)與其附近(jin)區域(yu)之(zhi)間(jian)產生了(le)(le)新(xin)的壓力梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)為(wei)補(bu)縮(suo)(suo)流(liu)動(dong)(dong)的反方向(xiang)，即(ji)VP。根(gen)據質量守恒和(he)達(da)西定律(lv)可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼(gang)(gang)D1鑄(zhu)錠為例(li)，心部(bu)處疏松(song)和(he)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)共存的形(xing)(xing)貌(mao)如圖(tu)2-63所(suo)示。由疏松(song)導致(zhi)的不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)之間最大的區(qu)別在于(yu)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁(bi)凹凸不(bu)(bu)(bu)平，而規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁(bi)光滑(hua)。規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)、不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)以及疏松(song)縮孔(kong)(kong)依次(ci)沿凝(ning)(ning)固方(fang)向分(fen)布，規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)泡初始(shi)形(xing)(xing)成位置(zhi)為單一(yi)奧氏體(ti)相。隨著凝(ning)(ning)固的進(jin)行，在規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)完全閉合(he)之前，由于(yu)疏松(song)引起的鋼(gang)(gang)液靜壓力(li)Pm降低，促進(jin)了氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)的進(jin)一(yi)步生(sheng)長(chang)，不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)開始(shi)形(xing)(xing)成和(he)長(chang)大。眾所(suo)周(zhou)知(zhi)，疏松(song)是凝(ning)(ning)固體(ti)積(ji)縮無法得到枝晶(jing)間液體(ti)補縮所(suo)導致(zhi)的，那么不(bu)(bu)(bu)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)周(zhou)圍的相分(fen)布和(he)基(ji)體(ti)完全相同，即奧氏體(ti)相和(he)鐵素(su)體(ti)相交替(ti)分(fen)布，與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)(ze)氣(qi)(qi)孔(kong)(kong)周(zhou)圍相分(fen)布存在差異。
此(ci)(ci)外，對柱狀鑄錠(ding)(ding)(ding)而(er)言，凝固末期由于發達枝晶(jing)網狀結構的形(xing)(xing)成，凝固收縮得(de)不到液相補充的位置(zhi)往往處于中心軸線(xian)位置(zhi)附近，那么D1~D4鑄錠(ding)(ding)(ding)中不規則氣孔大多數(shu)分布(bu)在(zai)(zai)鑄錠(ding)(ding)(ding)中心軸線(xian)位置(zhi)處，如圖2-50所示。不受(shou)疏(shu)松影響(xiang)的規則氣孔形(xing)(xing)狀近似橢(tuo)圓形(xing)(xing)，且(qie)多數(shu)分布(bu)在(zai)(zai)靠(kao)近鑄錠(ding)(ding)(ding)邊部的位置(zhi)。此(ci)(ci)外，鋼液靜(jing)壓(ya)力Pm隨(sui)著鑄錠(ding)(ding)(ding)高度的增加(jia)而(er)減小，因此(ci)(ci)氣孔的數(shu)量和尺寸均隨(sui)鑄錠(ding)(ding)(ding)高度增加(jia)而(er)大體呈現出增加(jia)的趨勢（圖2-50)。
二、主要合金(jin)元(yuan)素和凝固壓力(li)
1. 氮
在鑄錠凝(ning)固過程中(zhong)，隨著(zhu)初始氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，氮(dan)(dan)在枝晶間(jian)殘(can)余液相(xiang)(xiang)中(zhong)的富集程度(du)更加(jia)(jia)嚴重，［％N]1iq值更大(da)(da)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)鋼為例，結合式（2-123)可(ke)(ke)得，Pg,max也隨之(zhi)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)。當初始氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)從0.25%(D2)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)至0.29%(D4)時，對(dui)平(ping)衡凝(ning)固和Scheil凝(ning)固而言，［％N]ig的最大(da)(da)值分別(bie)為1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的增(zeng)(zeng)量(liang)分別(bie)為0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所示）。由(you)氣泡(pao)形成時的壓力關系(xi)可(ke)(ke)知(zhi)，P.,max的增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)意味著(zhu)液相(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)形成的概率(lv)增(zeng)(zeng)大(da)(da)，表明增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)初始氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)大(da)(da)幅度(du)提(ti)高了鑄錠內出現氮(dan)(dan)氣孔(kong)缺陷的可(ke)(ke)能性。
為(wei)(wei)了驗證理論計算結果，對D2、D3和(he)D4鑄(zhu)錠(ding)(ding)內氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)的分布狀態進(jin)行實(shi)驗分析(xi)，D2、D3和(he)D4凝固壓力均為(wei)(wei)0.1MPa,其氮(dan)質量(liang)(liang)分數分別為(wei)(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣(qi)(qi)孔(kong)形成高度(du)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)分數的增加而增大，液相(xiang)中氮(dan)氣(qi)(qi)泡形成難度(du)減小(xiao)，氮(dan)氣(qi)(qi)孔(kong)易于在鑄(zhu)錠(ding)(ding)內形成。
2. 錳(meng)
研究發現(xian)［19,25,95],部分合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)（如(ru)(ru)錳和(he)(he)鉻）能(neng)夠提高液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)溶解度，減(jian)(jian)小Aso值；其中(zhong)(zhong)錳等合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)在凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)還能(neng)促(cu)進富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)形(xing)成，減(jian)(jian)小枝晶(jing)間(jian)液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)富(fu)集，緩解氮(dan)(dan)偏(pian)析，降(jiang)低(di)(di)Ase值。如(ru)(ru)果(guo)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)能(neng)夠減(jian)(jian)小Aso與Ase的(de)(de)(de)總和(he)(he)，那么提高鋼中(zhong)(zhong)該合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)(shu)有助于(yu)抑制氮(dan)(dan)氣泡(pao)在殘余液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)形(xing)成。合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳提高液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)同(tong)時，還有助于(yu)富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)（如(ru)(ru)奧氏體相(xiang)(xiang)γ和(he)(he)hcp相(xiang)(xiang)）在凝固(gu)過程中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)形(xing)成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為例，在平衡凝固(gu)和(he)(he)Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，增(zeng)加(jia)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳均能(neng)同(tong)時降(jiang)低(di)(di)Aso和(he)(he)Ase的(de)(de)(de)值，如(ru)(ru)圖2-65所(suo)示。與此同(tong)時，結合(he)式（2-123),隨(sui)著合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)(shu)增(zeng)加(jia)而大幅度減(jian)(jian)小，如(ru)(ru)圖2-66所(suo)示。因此增(zeng)加(jia)鑄錠中(zhong)(zhong)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錳的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分數(shu)(shu)(shu)有助于(yu)抑制液(ye)相(xiang)(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡(pao)的(de)(de)(de)形(xing)成，減(jian)(jian)少(shao)或消(xiao)除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷(xian)，該結論(lun)與Young等報(bao)道的(de)(de)(de)一致。
3. 鉻(ge)
與(yu)合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)錳相比(bi)，合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對氮(dan)氣(qi)孔形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響相對復雜。一(yi)(yi)(yi)方(fang)面，增(zeng)(zeng)加合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數能(neng)提(ti)高液相中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和(he)促(cu)進(jin)富氮(dan)相（hcp 相）在(zai)(zai)凝固過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)小Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有(you)助于(yu)(yu)抑制液相中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)雙相鋼D1鑄錠(ding)為(wei)例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)規律，如圖(tu)2-68所示(shi)(shi)。另一(yi)(yi)(yi)方(fang)面，鉻(ge)(ge)(ge)(ge)作為(wei)鐵素(su)(su)(su)體相8形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)元素(su)(su)(su)，提(ti)高合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數有(you)利于(yu)(yu)貧氮(dan)鐵素(su)(su)(su)體相8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從而(er)加劇(ju)液相中(zhong)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集(ji)，增(zeng)(zeng)大氮(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏析，增(zeng)(zeng)加Ase(如圖(tu)2-68所示(shi)(shi)），對液相中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)具有(you)促(cu)進(jin)作用。這種矛盾在(zai)(zai)平衡(heng)凝固過程(cheng)中(zhong)較為(wei)突(tu)出，當合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數從15%增(zeng)(zeng)至21.5%時，由(you)于(yu)(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)量(liang)(liang)(liang)大于(yu)(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小量(liang)(liang)(liang)，Pg,max呈現增(zeng)(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如圖(tu)2-69所示(shi)(shi)；當合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數進(jin)一(yi)(yi)(yi)步增(zeng)(zeng)加至25%時，Ase和(he)Aso分(fen)(fen)別增(zeng)(zeng)大和(he)減(jian)小，但(dan)與(yu)Ase相比(bi)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)量(liang)(liang)(liang)十分(fen)(fen)明顯，進(jin)而(er)導致Pg出現減(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)。然而(er)，在(zai)(zai)Scheil凝固中(zhong)，隨(sui)著(zhu)合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)高，有(you)助于(yu)(yu)Aso大幅度(du)降低(di)，Pg,max始(shi)終保持單調(diao)遞減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢(shi)，如圖(tu)2-69所示(shi)(shi)。總之，隨(sui)著(zhu)合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)分(fen)(fen)數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加，Aso與(yu)Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)非單調(diao)，合(he)(he)金(jin)(jin)元素(su)(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對液相中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響呈現出雙面性，同樣(yang)對鑄錠(ding)內氣(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)也具有(you)雙面性。
4. 凝固壓(ya)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(ran)而，壓(ya)(ya)力(li)(li)過高將會加速(su)設備(bei)(bei)(bei)損耗，提高生(sheng)產(chan)成本且易引發生(sheng)產(chan)事(shi)故，影(ying)響生(sheng)產(chan)的安(an)全和(he)順利(li)運行。因此，利(li)用加壓(ya)(ya)冶金(jin)技術(shu)制(zhi)備(bei)(bei)(bei)高氮(dan)奧氏體不銹鋼過程中，需要合(he)理地控(kong)制(zhi)壓(ya)(ya)力(li)(li)。利(li)用加壓(ya)(ya)感(gan)應爐制(zhi)備(bei)(bei)(bei)高氮(dan)奧氏體不銹鋼時，壓(ya)(ya)力(li)(li)P6可用以下公式(shi)確定：
