一、凝(ning)固收縮
凝固過(guo)(guo)程中，液相(xiang)向(xiang)固相(xiang)轉變發生的體收(shou)縮，加大了(le)(le)(le)氮氣孔(kong)形成的敏(min)感性，這主(zhu)要(yao)是因為凝固收(shou)縮促進了(le)(le)(le)液相(xiang)穿過(guo)(guo)枝晶網狀結構或其他補縮通(tong)道向(xiang)疏(shu)(shu)松流動的補縮行為，導致(zhi)了(le)(le)(le)疏(shu)(shu)松與其附近(jin)區域之間產(chan)生了(le)(le)(le)新的壓(ya)力梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)為補縮流動的反方向(xiang)，即VP。根據質(zhi)量守恒和達(da)西定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)D1鑄錠(ding)為例，心部處疏松(song)(song)(song)和(he)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)共(gong)存的(de)(de)(de)形貌(mao)如圖2-63所示。由疏松(song)(song)(song)導致(zhi)的(de)(de)(de)不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)之間(jian)最大的(de)(de)(de)區(qu)別在(zai)于，不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁(bi)(bi)凹凸不平，而規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)內壁(bi)(bi)光滑(hua)。規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)、不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)以及疏松(song)(song)(song)縮孔(kong)(kong)依次沿凝(ning)固(gu)方向分布，規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)初(chu)始(shi)形成(cheng)位置(zhi)為單一奧(ao)(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)。隨著凝(ning)固(gu)的(de)(de)(de)進行(xing)，在(zai)規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)完(wan)全(quan)閉合之前(qian)，由于疏松(song)(song)(song)引起的(de)(de)(de)鋼(gang)液靜壓力Pm降低，促進了(le)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)進一步生長(chang)，不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)開始(shi)形成(cheng)和(he)長(chang)大。眾所周(zhou)知(zhi)，疏松(song)(song)(song)是凝(ning)固(gu)體積縮無法(fa)得到(dao)枝晶間(jian)液體補縮所導致(zhi)的(de)(de)(de)，那么不規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周(zhou)圍的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分布和(he)基體完(wan)全(quan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同，即奧(ao)(ao)氏體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)鐵素體相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)交替分布，與規(gui)(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)周(zhou)圍相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分布存在(zai)差異。
此(ci)(ci)外，對柱狀(zhuang)鑄錠(ding)而(er)言，凝(ning)固末期由于(yu)發達(da)枝晶網(wang)狀(zhuang)結構(gou)的形成，凝(ning)固收縮(suo)得不(bu)(bu)到(dao)液相補充的位置往往處于(yu)中(zhong)心(xin)軸線位置附近(jin)，那(nei)么D1~D4鑄錠(ding)中(zhong)不(bu)(bu)規則氣(qi)孔(kong)大(da)多數(shu)分(fen)布在(zai)鑄錠(ding)中(zhong)心(xin)軸線位置處，如(ru)圖2-50所示。不(bu)(bu)受疏松(song)影響的規則氣(qi)孔(kong)形狀(zhuang)近(jin)似橢圓形，且多數(shu)分(fen)布在(zai)靠近(jin)鑄錠(ding)邊部的位置。此(ci)(ci)外，鋼液靜壓力Pm隨著鑄錠(ding)高(gao)度(du)的增(zeng)加而(er)減(jian)小(xiao)，因此(ci)(ci)氣(qi)孔(kong)的數(shu)量和尺寸均隨鑄錠(ding)高(gao)度(du)增(zeng)加而(er)大(da)體呈現出增(zeng)加的趨勢（圖2-50)。
二、主要合(he)金元素和凝(ning)固(gu)壓(ya)力
1. 氮
在鑄錠凝固過程(cheng)中(zhong)，隨著(zhu)初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數的(de)增加(jia)(jia)，氮(dan)在枝晶間殘(can)余液相(xiang)中(zhong)的(de)富(fu)集程(cheng)度更加(jia)(jia)嚴重(zhong)，［％N]1iq值更大(da)。以(yi)21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含(han)氮(dan)雙相(xiang)鋼(gang)為(wei)例，結(jie)合式（2-123)可(ke)得(de)，Pg,max也隨之增加(jia)(jia)。當初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數從(cong)0.25%(D2)增加(jia)(jia)至(zhi)0.29%(D4)時(shi)，對平衡凝固和Scheil凝固而言，［％N]ig的(de)最大(da)值分別為(wei)1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)增量(liang)(liang)分別為(wei)0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所(suo)示）。由氣(qi)泡(pao)形成時(shi)的(de)壓力關系可(ke)知，P.,max的(de)增加(jia)(jia)意味著(zhu)液相(xiang)中(zhong)氮(dan)氣(qi)泡(pao)形成的(de)概率增大(da)，表明(ming)增加(jia)(jia)初(chu)始(shi)氮(dan)質(zhi)量(liang)(liang)分數大(da)幅度提(ti)高了(le)鑄錠內出(chu)現氮(dan)氣(qi)孔缺陷的(de)可(ke)能性。
為(wei)了驗證理論計算結果，對(dui)D2、D3和D4鑄錠(ding)內氮氣(qi)孔(kong)(kong)的分(fen)(fen)布狀態進(jin)行實驗分(fen)(fen)析，D2、D3和D4凝固壓力均為(wei)0.1MPa,其氮質量(liang)分(fen)(fen)數分(fen)(fen)別為(wei)0.25%、0.26%和0.29%,氣(qi)孔(kong)(kong)形成(cheng)高度(du)從150mm降(jiang)至40mm,如圖(tu)2-64所示(shi)。因此(ci)，Pg,max隨著初始氮質量(liang)分(fen)(fen)數的增加而增大，液相中氮氣(qi)泡形成(cheng)難度(du)減小，氮氣(qi)孔(kong)(kong)易于在鑄錠(ding)內形成(cheng)。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部分(fen)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)（如(ru)(ru)(ru)錳和(he)鉻）能夠(gou)提(ti)高液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)溶解(jie)度，減(jian)(jian)(jian)小(xiao)Aso值(zhi)；其中(zhong)錳等合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)還(huan)能促進富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成，減(jian)(jian)(jian)小(xiao)枝晶間液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)富(fu)集，緩解(jie)氮(dan)(dan)(dan)偏析，降(jiang)低Ase值(zhi)。如(ru)(ru)(ru)果合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)能夠(gou)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)Aso與(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)總和(he)，那么提(ti)高鋼(gang)(gang)中(zhong)該合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數有(you)(you)助于抑制氮(dan)(dan)(dan)氣泡在(zai)殘(can)余液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)形(xing)成。合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳提(ti)高液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數的(de)(de)(de)(de)同時，還(huan)有(you)(you)助于富(fu)氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（如(ru)(ru)(ru)奧(ao)氏體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)γ和(he)hcp相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在(zai)凝(ning)固(gu)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)形(xing)成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)(gang)D1鑄錠(ding)為例，在(zai)平衡(heng)凝(ning)固(gu)和(he)Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)，增(zeng)加合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳均能同時降(jiang)低Aso和(he)Ase的(de)(de)(de)(de)值(zhi)，如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-65所(suo)示。與(yu)此(ci)同時，結合式（2-123),隨(sui)著合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數增(zeng)加而大幅度減(jian)(jian)(jian)小(xiao)，如(ru)(ru)(ru)圖(tu)2-66所(suo)示。因(yin)此(ci)增(zeng)加鑄錠(ding)中(zhong)合金(jin)(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)(su)錳的(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)分(fen)數有(you)(you)助于抑制液(ye)(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣泡的(de)(de)(de)(de)形(xing)成，減(jian)(jian)(jian)少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼(gang)(gang)中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)氣孔缺陷，該結論(lun)與(yu)Young等報(bao)道(dao)的(de)(de)(de)(de)一致(zhi)。
3. 鉻(ge)
與合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)錳相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻對(dui)氮(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)對(dui)復雜(za)。一(yi)方面(mian)，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)能提(ti)(ti)高(gao)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和(he)促進(jin)富氮(dan)(dan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)（hcp 相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)）在凝(ning)固(gu)過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)（圖(tu)2-67),減(jian)小Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)，有(you)助于(yu)抑制(zhi)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含(han)氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鋼D1鑄錠為(wei)(wei)例，Aso隨鉻質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化規(gui)律，如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示。另一(yi)方面(mian)，鉻作為(wei)(wei)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8形(xing)成(cheng)元(yuan)(yuan)素(su)(su)，提(ti)(ti)高(gao)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)有(you)利于(yu)貧氮(dan)(dan)鐵素(su)(su)體(ti)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)（圖(tu)2-67),從而(er)加(jia)劇液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富集，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)，增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)Ase(如(ru)圖(tu)2-68所(suo)示），對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)具有(you)促進(jin)作用。這種矛盾在平衡凝(ning)固(gu)過程中(zhong)較(jiao)為(wei)(wei)突出，當(dang)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)從15%增(zeng)(zeng)(zeng)至21.5%時，由(you)于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)量(liang)(liang)大(da)(da)于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減(jian)小量(liang)(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示；當(dang)合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)進(jin)一(yi)步增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)至25%時，Ase和(he)Aso分別增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)和(he)減(jian)小，但(dan)與Ase相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化量(liang)(liang)十(shi)分明(ming)顯，進(jin)而(er)導致Pg出現(xian)減(jian)小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢。然而(er)，在Scheil凝(ning)固(gu)中(zhong)，隨著合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)，有(you)助于(yu)Aso大(da)(da)幅度(du)降低，Pg,max始(shi)終保持單(dan)調遞減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，如(ru)圖(tu)2-69所(suo)示。總之，隨著合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，Aso與Ase之和(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化非(fei)單(dan)調，合金(jin)(jin)元(yuan)(yuan)素(su)(su)鉻對(dui)液(ye)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)氮(dan)(dan)氣(qi)泡(pao)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)呈(cheng)現(xian)出雙(shuang)面(mian)性，同樣對(dui)鑄錠內氣(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)也具有(you)雙(shuang)面(mian)性。
4. 凝固(gu)壓力
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼(gang)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(guo)高(gao)將會加速設備(bei)損耗，提高(gao)生(sheng)產(chan)成本且(qie)易(yi)引發生(sheng)產(chan)事(shi)故(gu)，影響生(sheng)產(chan)的安全(quan)和順利運行(xing)。因(yin)此，利用加壓冶金技術制備(bei)高(gao)氮(dan)奧(ao)氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)過(guo)程中，需要合理地(di)控制壓力。利用加壓感應爐制備(bei)高(gao)氮(dan)奧(ao)氏(shi)體不銹鋼(gang)(gang)時，壓力P6可用以下公式確定(ding)：
