一(yi)、凝固收(shou)縮
凝固過程(cheng)中(zhong)，液(ye)相向(xiang)固相轉變發生(sheng)(sheng)的(de)(de)體收(shou)縮(suo)，加大了氮氣孔形(xing)成的(de)(de)敏感性，這主(zhu)要(yao)是因為(wei)凝固收(shou)縮(suo)促進了液(ye)相穿過枝晶(jing)網(wang)狀結(jie)構或其他補(bu)縮(suo)通(tong)道向(xiang)疏松流動的(de)(de)補(bu)縮(suo)行為(wei)，導致了疏松與其附近(jin)區域(yu)之間產生(sheng)(sheng)了新的(de)(de)壓(ya)力(li)梯度(du)，梯度(du)方向(xiang)為(wei)補(bu)縮(suo)流動的(de)(de)反方向(xiang)，即VP。根據質(zhi)量守恒和達西定律可知：
以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相(xiang)鋼D1鑄錠為例，心(xin)部處疏(shu)松(song)(song)和氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)共存的(de)形(xing)貌如(ru)圖2-63所示。由疏(shu)松(song)(song)導致的(de)不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)與規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)之(zhi)間(jian)(jian)最(zui)大(da)的(de)區別在于(yu)，不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁凹凸不(bu)(bu)平(ping)，而規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)內壁光滑。規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)、不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)以及疏(shu)松(song)(song)縮(suo)(suo)孔(kong)(kong)(kong)依次沿(yan)凝(ning)固方(fang)向分布，規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)泡初(chu)始形(xing)成(cheng)位置為單一奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)。隨著凝(ning)固的(de)進(jin)行，在規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)完全閉合之(zhi)前，由于(yu)疏(shu)松(song)(song)引(yin)起的(de)鋼液靜壓力Pm降(jiang)低，促進(jin)了氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)的(de)進(jin)一步(bu)生長，不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)開始形(xing)成(cheng)和長大(da)。眾(zhong)所周知，疏(shu)松(song)(song)是凝(ning)固體(ti)(ti)積(ji)縮(suo)(suo)無法得到枝晶(jing)間(jian)(jian)液體(ti)(ti)補縮(suo)(suo)所導致的(de)，那么(me)不(bu)(bu)規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍的(de)相(xiang)分布和基體(ti)(ti)完全相(xiang)同，即奧(ao)氏體(ti)(ti)相(xiang)和鐵(tie)素體(ti)(ti)相(xiang)交替(ti)分布，與規(gui)(gui)則(ze)(ze)氣(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)(kong)(kong)周圍相(xiang)分布存在差(cha)異。
此外(wai)，對柱狀(zhuang)鑄錠(ding)(ding)而言，凝固末期由于(yu)發達枝晶網狀(zhuang)結構的(de)形成(cheng)，凝固收縮得不到液相補充的(de)位(wei)(wei)置往(wang)往(wang)處于(yu)中(zhong)心軸線(xian)位(wei)(wei)置附近，那么D1~D4鑄錠(ding)(ding)中(zhong)不規則氣孔大多數(shu)分(fen)布(bu)(bu)在(zai)鑄錠(ding)(ding)中(zhong)心軸線(xian)位(wei)(wei)置處，如圖2-50所示。不受疏松影響(xiang)的(de)規則氣孔形狀(zhuang)近似橢圓形，且(qie)多數(shu)分(fen)布(bu)(bu)在(zai)靠近鑄錠(ding)(ding)邊(bian)部的(de)位(wei)(wei)置。此外(wai)，鋼液靜壓(ya)力Pm隨著鑄錠(ding)(ding)高(gao)度的(de)增加(jia)而減小，因此氣孔的(de)數(shu)量和尺寸均隨鑄錠(ding)(ding)高(gao)度增加(jia)而大體(ti)呈(cheng)現出增加(jia)的(de)趨勢(shi)（圖2-50)。
二、主要(yao)合(he)金元素和凝固(gu)壓(ya)力
1. 氮
在鑄(zhu)錠(ding)凝(ning)固過程中(zhong)，隨(sui)著初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量分數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)加，氮(dan)(dan)(dan)(dan)在枝(zhi)晶間殘余(yu)液(ye)相中(zhong)的(de)(de)(de)富集程度更加嚴重，［％N]1iq值更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)(dan)(dan)雙相鋼為例，結(jie)合式(shi)（2-123)可得，Pg,max也隨(sui)之增(zeng)加。當初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量分數(shu)從(cong)0.25%(D2)增(zeng)加至0.29%(D4)時，對平(ping)衡凝(ning)固和(he)Scheil凝(ning)固而言，［％N]ig的(de)(de)(de)最大值分別為1.03%和(he)1.51%(圖2-51),Pg,max的(de)(de)(de)增(zeng)量分別為0.07MPa和(he)0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣泡形(xing)成(cheng)(cheng)時的(de)(de)(de)壓力關系(xi)可知，P.,max的(de)(de)(de)增(zeng)加意味(wei)著液(ye)相中(zhong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣泡形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)概率增(zeng)大，表明增(zeng)加初(chu)始氮(dan)(dan)(dan)(dan)質(zhi)(zhi)(zhi)量分數(shu)大幅(fu)度提高了鑄(zhu)錠(ding)內出現氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣孔缺陷的(de)(de)(de)可能性。
為(wei)了驗(yan)證理論計算結(jie)果(guo)，對D2、D3和(he)D4鑄錠(ding)內氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)孔的分布狀態進(jin)行實(shi)驗(yan)分析，D2、D3和(he)D4凝固壓力均為(wei)0.1MPa,其氮(dan)(dan)質量分數(shu)(shu)分別為(wei)0.25%、0.26%和(he)0.29%,氣(qi)(qi)(qi)孔形成高度從150mm降(jiang)至40mm,如圖2-64所(suo)示(shi)。因此(ci)，Pg,max隨著初始氮(dan)(dan)質量分數(shu)(shu)的增(zeng)加而增(zeng)大，液(ye)相中氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)泡形成難度減小，氮(dan)(dan)氣(qi)(qi)(qi)孔易于在(zai)鑄錠(ding)內形成。
2. 錳
研究發現［19,25,95],部(bu)分(fen)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)（如(ru)錳(meng)(meng)和鉻）能(neng)(neng)夠提高液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)溶解度，減(jian)小(xiao)Aso值；其中(zhong)(zhong)錳(meng)(meng)等合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)在(zai)(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)還能(neng)(neng)促進富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)的(de)(de)形成，減(jian)小(xiao)枝晶間液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)的(de)(de)富(fu)集，緩解氮(dan)(dan)偏析，降(jiang)低Ase值。如(ru)果合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)能(neng)(neng)夠減(jian)小(xiao)Aso與Ase的(de)(de)總和，那么提高鋼中(zhong)(zhong)該合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)質量分(fen)數(shu)有(you)助于抑制氮(dan)(dan)氣泡在(zai)(zai)殘余液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)形成。合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)提高液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)質量分(fen)數(shu)的(de)(de)同(tong)時，還有(you)助于富(fu)氮(dan)(dan)相(xiang)（如(ru)奧(ao)氏體相(xiang)γ和hcp相(xiang)）在(zai)(zai)凝固(gu)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼D1鑄(zhu)錠(ding)為例，在(zai)(zai)平衡凝固(gu)和Scheil凝固(gu)中(zhong)(zhong)，增(zeng)加(jia)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)均能(neng)(neng)同(tong)時降(jiang)低Aso和Ase的(de)(de)值，如(ru)圖(tu)2-65所(suo)(suo)示(shi)。與此(ci)同(tong)時，結(jie)合(he)(he)(he)式（2-123),隨著合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)質量分(fen)數(shu)增(zeng)加(jia)而大幅度減(jian)小(xiao)，如(ru)圖(tu)2-66所(suo)(suo)示(shi)。因此(ci)增(zeng)加(jia)鑄(zhu)錠(ding)中(zhong)(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素(su)錳(meng)(meng)的(de)(de)質量分(fen)數(shu)有(you)助于抑制液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣泡的(de)(de)形成，減(jian)少或(huo)消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼中(zhong)(zhong)氮(dan)(dan)氣孔缺陷，該結(jie)論與Young等報(bao)道(dao)的(de)(de)一致。
3. 鉻
與合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)錳相(xiang)比，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對(dui)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)孔形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)相(xiang)對(dui)復雜。一(yi)方面(mian)(mian)，增(zeng)加(jia)(jia)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)能提高液(ye)相(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溶解度(du)和促進(jin)富氮(dan)(dan)(dan)相(xiang)（hcp 相(xiang)）在(zai)凝固(gu)過程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),減小(xiao)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)值，有(you)(you)助于(yu)抑制(zhi)液(ye)相(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮(dan)(dan)(dan)雙(shuang)相(xiang)鋼D1鑄錠(ding)(ding)為例，Aso隨(sui)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化規律，如(ru)圖(tu)2-68所示(shi)。另一(yi)方面(mian)(mian)，鉻(ge)(ge)(ge)(ge)作(zuo)為鐵素(su)(su)體(ti)(ti)相(xiang)8形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)元(yuan)素(su)(su)，提高合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)有(you)(you)利于(yu)貧氮(dan)(dan)(dan)鐵素(su)(su)體(ti)(ti)相(xiang)8的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)（圖(tu)2-67),從(cong)而加(jia)(jia)劇(ju)液(ye)相(xiang)中氮(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)(jia)Ase(如(ru)圖(tu)2-68所示(shi)），對(dui)液(ye)相(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)具(ju)(ju)有(you)(you)促進(jin)作(zuo)用。這種矛盾在(zai)平衡凝固(gu)過程中較為突出(chu)，當合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)從(cong)15%增(zeng)至(zhi)21.5%時，由于(yu)Ase的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)量(liang)大于(yu)Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減小(xiao)量(liang)，Pg,max呈(cheng)現(xian)增(zeng)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)圖(tu)2-69所示(shi)；當合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)進(jin)一(yi)步增(zeng)加(jia)(jia)至(zhi)25%時，Ase和Aso分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)別(bie)增(zeng)大和減小(xiao)，但與Ase相(xiang)比Aso的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化量(liang)十(shi)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)明顯，進(jin)而導(dao)致Pg出(chu)現(xian)減小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢。然而，在(zai)Scheil凝固(gu)中，隨(sui)著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高，有(you)(you)助于(yu)Aso大幅度(du)降低，Pg,max始終保持(chi)單調(diao)遞(di)減的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，如(ru)圖(tu)2-69所示(shi)。總之，隨(sui)著合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)質(zhi)量(liang)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，Aso與Ase之和的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化非單調(diao)，合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)對(dui)液(ye)相(xiang)中氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)泡形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)呈(cheng)現(xian)出(chu)雙(shuang)面(mian)(mian)性(xing)，同樣(yang)對(dui)鑄錠(ding)(ding)內氣(qi)孔的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)也(ye)具(ju)(ju)有(you)(you)雙(shuang)面(mian)(mian)性(xing)。
4. 凝固壓力
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)(ya)力(li)過高(gao)將會加(jia)(jia)(jia)速(su)設(she)備損耗，提高(gao)生(sheng)產成本且易引發生(sheng)產事故(gu)，影(ying)響生(sheng)產的(de)安全(quan)和順利運(yun)行。因此，利用加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)冶(ye)金(jin)技術制備高(gao)氮(dan)(dan)奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼過程中，需要合理地控制壓(ya)(ya)力(li)。利用加(jia)(jia)(jia)壓(ya)(ya)感應爐制備高(gao)氮(dan)(dan)奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼時，壓(ya)(ya)力(li)P6可用以(yi)下(xia)公(gong)式確定：
