一、凝固收縮

  凝固過程中，液相向固相轉變發(fā)生的體收縮，加大了氮氣孔形成的敏感性，這主要是因為凝固收縮促進了液相穿過枝晶網(wǎng)狀結構或其他補縮通道向疏松流動的補縮行為，導致了疏松與其附近區(qū)域之間產(chǎn)生了新的壓力梯度，梯度方向為補縮流動的反方向，即VP。根據(jù)質量守恒和達西定律可知：

  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)則氣孔內壁凹凸不平，而規(guī)則氣孔內壁光滑。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，促進了氣孔的進一步生長，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縮所導致的，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，對柱狀鑄錠而言，凝固末期由于發(fā)達枝晶網(wǎng)狀結構的形成，凝固收縮得不到液相補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（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，隨著初始氮質量分數(shù)的增加，氮在枝晶間殘余液相中的富集程度更加嚴重，［％N]1iq值更大。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N含氮雙相鋼為例，結合式（2-123)可得，Pg,max也隨之增加。當初始氮質量分數(shù)從0.25%(D2)增加至0.29%(D4)時，對平衡凝固和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）。由氣泡形成時的壓力關系可知，P.,max的增加意味著液相中氮氣泡形成的概率增大，表明增加初始氮質量分數(shù)大幅度提高了鑄錠內出現(xiàn)氮氣孔缺陷的可能性。

   為了驗證理論計算結果，對D2、D3和D4鑄錠內氮氣孔的分布狀態(tài)進行實驗分析，D2、D3和D4凝固壓力均為0.1MPa,其氮質量分數(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隨著初始氮質量分數(shù)的增加而增大，液相中氮氣泡形成難度減小，氮氣孔易于在鑄錠內形成。

 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量分數(shù)有助于抑制氮氣泡在殘余液相中形成。合金元素錳提高液相中氮質量分數(shù)的同時，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降低Aso和Ase的值，如圖2-65所示。與此同時，結合式（2-123),隨著合金元素錳質量分數(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量分數(shù)有助于抑制液相中氮氣泡的形成，減少或消除21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼中氮氣孔缺陷，該結論與Young等報道的一致。

 3. 鉻

   與合金元素錳相比，合金元素鉻對氮氣孔形成的影響相對復雜。一方面，增加合金元素鉻的質量分數(shù)能提高液相中氮的溶解度和促進富氮相（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氣泡的形成。以21.5Cr5Mn1.5Ni0.25N 含氮雙相鋼D1鑄錠為例，Aso隨鉻質量分數(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量分數(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），對液相中氮氣泡的形成具有促進作用。這種矛盾在平衡凝固過程中較為突出，當合金元素鉻的質量分數(shù)從15%增至21.5%時，由于Ase的增量大于Aso的減小量，Pg,max呈現(xiàn)增大的趨勢，如圖2-69所示；當合金元素鉻的質量分數(shù)進一步增加至25%時，Ase和Aso分別增大和減小，但與Ase相比Aso的變化量十分明顯，進而導致Pg出現(xiàn)減小的趨勢。然而，在Scheil凝固中，隨著合金元素鉻質量分數(shù)的提高，有助于Aso大幅度降低，Pg,max始終保持單調遞減的趨勢，如圖2-69所示?？傊S著合金元素鉻質量分數(shù)的增加，Aso與Ase之和的變化非單調，合金元素鉻對液相中氮氣泡形成的影響呈現(xiàn)出雙面性，同樣對鑄錠內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,氮的質量分數(shù)分別為0.23%、0.26%和0.28%.隨著氮質量分數(shù)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(shù)對氮氣孔形成的影響規(guī)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(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氣孔缺陷十分有效的手段之一。

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