一、凝固收縮

  凝固過程中，液相向固相轉(zhuǎn)變發(fā)生的體收縮，加大了氮?dú)饪仔纬傻拿舾行裕@主要是因?yàn)槟淌湛s促進(jìn)了液相穿過枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或其他補(bǔ)縮通道向疏松流動(dòng)的補(bǔ)縮行為，導(dǎo)致了疏松與其附近區(qū)域之間產(chǎn)生了新的壓力梯度，梯度方向?yàn)檠a(bǔ)縮流動(dòng)的反方向，即VP。根據(jù)質(zhì)量守恒和達(dá)西定律可知：

  以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼D1鑄錠為例，心部處疏松和氣孔共存的形貌如圖2-63所示。由疏松導(dǎo)致的不規(guī)則氣孔與規(guī)則氣孔之間最大的區(qū)別在于，不規(guī)則氣孔內(nèi)壁凹凸不平，而規(guī)則氣孔內(nèi)壁光滑。規(guī)則氣孔、不規(guī)則氣孔以及疏松縮孔依次沿凝固方向分布，規(guī)則氣泡初始形成位置為單一奧氏體相。隨著凝固的進(jìn)行，在規(guī)則氣孔完全閉合之前，由于疏松引起的鋼液靜壓力Pm降低，促進(jìn)了氣孔的進(jìn)一步生長，不規(guī)則氣孔開始形成和長大。眾所周知，疏松是凝固體積縮無法得到枝晶間液體補(bǔ)縮所導(dǎo)致的，那么不規(guī)則氣孔周圍的相分布和基體完全相同，即奧氏體相和鐵素體相交替分布，與規(guī)則氣孔周圍相分布存在差異。

  此外，對(duì)柱狀鑄錠而言，凝固末期由于發(fā)達(dá)枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，凝固收縮得不到液相補(bǔ)充的位置往往處于中心軸線位置附近，那么D1~D4鑄錠中不規(guī)則氣孔大多數(shù)分布在鑄錠中心軸線位置處，如圖2-50所示。不受疏松影響的規(guī)則氣孔形狀近似橢圓形，且多數(shù)分布在靠近鑄錠邊部的位置。此外，鋼液靜壓力Pm隨著鑄錠高度的增加而減小，因此氣孔的數(shù)量和尺寸均隨鑄錠高度增加而大體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)（圖2-50)。

二、主要合金元素和凝固壓力

 1. 氮

   在鑄錠凝固過程中，隨著初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氮在枝晶間殘余液相中的富集程度更加嚴(yán)重，［％N]1iq值更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼為例，結(jié)合式（2-123)可得，Pg,max也隨之增加。當(dāng)初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.25%(D2)增加至0.29%(D4)時(shí)，對(duì)平衡凝固和Scheil凝固而言，［％N]ig的最大值分別為1.03%和1.51%(圖2-51),Pg,max的增量分別為0.07MPa和0.18MPa(如圖2-64所示）。由氣泡形成時(shí)的壓力關(guān)系可知，P.,max的增加意味著液相中氮?dú)馀菪纬傻母怕试龃螅砻髟黾映跏嫉|(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度提高了鑄錠內(nèi)出現(xiàn)氮?dú)饪兹毕莸目赡苄浴?/span>

   為了驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)D2、D3和D4鑄錠內(nèi)氮?dú)饪椎姆植紶顟B(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，D2、D3和D4凝固壓力均為0.1MPa,其氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.26%和0.29%,氣孔形成高度從150mm降至40mm,如圖2-64所示。因此，Pg,max隨著初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，液相中氮?dú)馀菪纬呻y度減小，氮?dú)饪滓子谠阼T錠內(nèi)形成。

 2. 錳

   研究發(fā)現(xiàn)［19,25,95],部分合金元素（如錳和鉻）能夠提高液相中氮的溶解度，減小Aso值；其中錳等合金元素在凝固過程中還能促進(jìn)富氮相的形成，減小枝晶間液相中氮的富集，緩解氮偏析，降低Ase值。如果合金元素能夠減小Aso與Ase的總和，那么提高鋼中該合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于抑制氮?dú)馀菰跉堄嘁合嘀行纬伞：辖鹪劐i提高液相中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時(shí)，還有助于富氮相（如奧氏體相γ和hcp相）在凝固過程中的形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼D1鑄錠為例，在平衡凝固和Scheil凝固中，增加合金元素錳均能同時(shí)降低Aso和Ase的值，如圖2-65所示。與此同時(shí)，結(jié)合式（2-123),隨著合金元素錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而大幅度減小，如圖2-66所示。因此增加鑄錠中合金元素錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于抑制液相中氮?dú)馀莸男纬桑瑴p少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼中氮?dú)饪兹毕荩摻Y(jié)論與Young等報(bào)道的一致。

 3. 鉻

   與合金元素錳相比，合金元素鉻對(duì)氮?dú)饪仔纬傻挠绊懴鄬?duì)復(fù)雜。一方面，增加合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能提高液相中氮的溶解度和促進(jìn)富氮相（hcp 相）在凝固過程中的形成（圖2-67),減小Aso的值，有助于抑制液相中氮?dú)馀莸男纬伞Ｒ?1.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼D1鑄錠為例，Aso隨鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，如圖2-68所示。另一方面，鉻作為鐵素體相8形成元素，提高合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于貧氮鐵素體相8的形成（圖2-67),從而加劇液相中氮的富集，增大氮的偏析，增加Ase(如圖2-68所示），對(duì)液相中氮?dú)馀莸男纬删哂写龠M(jìn)作用。這種矛盾在平衡凝固過程中較為突出，當(dāng)合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增至21.5%時(shí)，由于Ase的增量大于Aso的減小量，Pg,max呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，如圖2-69所示；當(dāng)合金元素鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至25%時(shí)，Ase和Aso分別增大和減小，但與Ase相比Aso的變化量十分明顯，進(jìn)而導(dǎo)致Pg出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。然而，在Scheil凝固中，隨著合金元素鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，有助于Aso大幅度降低，Pg,max始終保持單調(diào)遞減的趨勢(shì)，如圖2-69所示。總之，隨著合金元素鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Aso與Ase之和的變化非單調(diào)，合金元素鉻對(duì)液相中氮?dú)馀菪纬傻挠绊懗尸F(xiàn)出雙面性，同樣對(duì)鑄錠內(nèi)氣孔的形成也具有雙面性。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.23%、0.26%和0.28%.隨著氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.23%(D1)增加至0.28%(D5)時(shí)，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(duì)氮?dú)饪仔纬傻挠绊憰r(shí)，基于初始氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氮?dú)饪仔纬傻挠绊懸?guī)律，與D1和D3相比，D5鑄錠內(nèi)氮?dú)饪兹毕葑顬閲?yán)重。然而，當(dāng)凝固壓力從0.04MPa(D1)增加至0.13MPa(D5)時(shí)，氮?dú)饪仔纬筛叨葟?mm增加至260mm[圖2-70(b)],同時(shí)氮?dú)饪讛?shù)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?dú)饪兹毕菔钟行У氖侄沃弧?/span>

  然而，壓力過高將會(huì)加速設(shè)備損耗，提高生產(chǎn)成本且易引發(fā)生產(chǎn)事故，影響生產(chǎn)的安全和順利運(yùn)行。因此，利用加壓冶金技術(shù)制備高氮奧氏體不銹鋼過程中，需要合理地控制壓力。利用加壓感應(yīng)爐制備高氮奧氏體不銹鋼時(shí)，壓力P6可用以下公式確定：