·1054 北京科技大学学报 第36卷 表1铁液中元素的相互作用系数(1873K)0 12%增加至18%时，氮质量分数由0.44%增至 Table 1 First-order interaction parameters of alloying elements in iron 0.68%.为了与式(2)所示钢液中Mn对N含量的 liquid at 1873 K 相互作用系数e作对比，对试样实测N含量求对 元素，i 元素对氮的一阶相互作用系数 数并与Mn含量建立如图1所示的对应关系，经过 Mn -0.020 Cr -0.047 拟合获得Mn对N的相互作用系数E为 Ni 0.011 -0.0286,与式(2)中的e相近. Mo -0.010 采用Thermo-ealc软件对该组试样进行分析，所 -0.100 得Fe-N伪二元平衡相图如图2所示.从图可以看 Si 0.065 P 0.046 出，A组实验钢的液相线温度基本相同，且当N质 0.007 量分数从0变化至0.68%时，凝固模式均为FA模 C 0.125 式，即初晶为铁素体相，之后经包晶/共晶反应生成 奥氏体相.M含量增加未改变实验钢的凝固模式， 含量有较大影响.在常压及浇铸温度为1823~1873 但使奥氏体相区扩大，并缩小了凝固过程中在铁素 K条件下，最高氮含量为Fe35Cr和Fe50Cr合金， 体相区的停留时间，因此减少了氯气的溢出，提高了 其氮的质量分数为1.00%；最低氮含量为Fe-18Cr- 氮含量 35Ni和Fe-18Cr-50Ni合金，其氮的质量分数为 -0.15 0.16% 量一实验点拟合结果 -oD·式(2计算结果 -0.20 表2氮含量与合金元素Mn、Cr和Ni的关系（质量分数） Table 2 Relationship between measured element content (Mn,Cr,and -0.25 e=-0.020 Ni)and nitrogen content % -0330 E=-0.0286 编号 目标成分 Cr Ni Mn N Fe Al Fe-18Cr-12Mn 17.80 11.80.44余量 -0.35 A2 Fe-18Cr-15Mn 17.60 一 14.50.55余量 A3 Fe-18Cr-18Mn 17.50 17.80.68余量 12131415161718 Fe-12Cr 9.94 一 0.25余量 1%Mnl 图1Mn元素含量与lg[%门的关系 B2 Fe-15Cr 13.30 0.34余量 Fig.1 Relationship between Mn content and Ig [%N B3 Fe-18Cr 16.50 一 0.50余量 B4 Fe-20Cr 19.10 0.52余量 2.3Cr元素对凝固模式及氮含量的影响 B5 Fe-27Cr 23.30 0.60余量 从表2中可以看出，在Cr质量分数由12%变 B6 Fe-30Cr 27.50 一 0.64余量 化至50%的B组试样中，随Cr含量增加，铸锭中氮 B7 Fe-35Cr 32.80 1.00余量 含量不断增加.将氮含量求对数，获得g%N]- B8 Fe-50Cr 46.50 1.00余量 [%C]关系曲线如图3所示；同时将式(2)计算的 C Fe-18Cr-5Ni 16.404.96 0.32余量 lg[%N]-[%C]关系以虚线表示.从图中可看 C2 Fe-18Cr-10Ni 17.3011.70 0.35余量 出，式(2)中氮含量随Cr含量增加而单调线性增 C3 Fe-18Cr-20Ni 17.4020.50 0.47余量 加，而本实验所得曲线则分为三个特征阶段.当Cr C Fe-18Cr-25Ni 16.8025.30 0.36余量 质量分数为10%~16.5%（阶段I)时，氮含量线性 Fe-18Cr-30Ni 17.2030.40 0.26余量 增加：当Cr质量分数继续增加至27.5%（阶段Ⅱ） C6 Fe-18Cr-35Ni 16.9034.10 0.16余量 时，氮质量分数处于近平台阶段为0.5%左右，铸锭 C7 Fe-18Cr-50Ni 17.1050.90一0.16余量 中氮含量增加较为缓慢；当Cr质量分数由27.5% 增至33%时，氮质量分数迅速增加至1.0%并达到 由于在钢液中Mn元素对氮的相互作用系数为 饱和值，lg[%N]则恒定为0 负值，增加Mn含量可提高钢液中氮的溶解度阿 由于在钢液中Cr元素对氮的相互作用系数为 同时Mn元素为奥氏体形成元素，可扩大奥氏体相 负值，即增加Cr含量促进钢液中氮的溶解9，根据 区，增加M含量使凝固过程中奥氏体相变区间变 式(1)，当P,和T固定时，钢液中氮的溶解度与Cr 宽.从表2所示A组试样可看出，Mn质量分数由 含量呈正比例线性关系.但是在铸态，由于C是强北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 铁液中元素的相互作用系数( 1873 K) ［8］ Table 1 First-order interaction parameters of alloying elements in iron liquid at 1873 K 元素，i 元素对氮的一阶相互作用系数 ei N Mn － 0. 020 Cr － 0. 047 Ni 0. 011 Mo － 0. 010 V － 0. 100 Si 0. 065 P 0. 046 S 0. 007 C 0. 125 含量有较大影响． 在常压及浇铸温度为 1823 ～ 1873 K 条件下，最高氮含量为 Fe--35Cr 和 Fe--50Cr 合金， 其氮的质量分数为 1. 00% ; 最低氮含量为 Fe--18Cr-- 35Ni 和 Fe--18Cr--50Ni 合 金，其氮的质量分数为 0. 16% ． 表 2 氮含量与合金元素 Mn、Cr 和 Ni 的关系( 质量分数) Table 2 Ｒelationship between measured element content ( Mn，Cr，and Ni) and nitrogen content % 编号 目标成分 Cr Ni Mn N Fe A1 Fe--18Cr--12Mn 17. 80 ! 11. 8 0. 44 余量 A2 Fe--18Cr--15Mn 17. 60 ! 14. 5 0. 55 余量 A3 Fe--18Cr--18Mn 17. 50 ! 17. 8 0. 68 余量 B1 Fe--12Cr 9. 94 ! ! 0. 25 余量 B2 Fe--15Cr 13. 30 ! ! 0. 34 余量 B3 Fe--18Cr 16. 50 ! ! 0. 50 余量 B4 Fe--20Cr 19. 10 ! ! 0. 52 余量 B5 Fe--27Cr 23. 30 ! ! 0. 60 余量 B6 Fe--30Cr 27. 50 ! ! 0. 64 余量 B7 Fe--35Cr 32. 80 ! ! 1. 00 余量 B8 Fe--50Cr 46. 50 ! ! 1. 00 余量 C1 Fe--18Cr--5Ni 16. 40 4. 96 ! 0. 32 余量 C2 Fe--18Cr--10Ni 17. 30 11. 70 ! 0. 35 余量 C3 Fe--18Cr--20Ni 17. 40 20. 50 ! 0. 47 余量 C4 Fe--18Cr--25Ni 16. 80 25. 30 ! 0. 36 余量 C5 Fe--18Cr--30Ni 17. 20 30. 40 ! 0. 26 余量 C6 Fe--18Cr--35Ni 16. 90 34. 10 ! 0. 16 余量 C7 Fe--18Cr--50Ni 17. 10 50. 90 ! 0. 16 余量 由于在钢液中 Mn 元素对氮的相互作用系数为 负值，增加 Mn 含量可提高钢液中氮的溶解度［19］． 同时 Mn 元素为奥氏体形成元素，可扩大奥氏体相 区，增加 Mn 含量使凝固过程中奥氏体相变区间变 宽． 从表 2 所示 A 组试样可看出，Mn 质量分数由 12% 增 加 至 18% 时，氮 质 量 分 数 由 0. 44% 增 至 0. 68% ． 为了与式( 2) 所示钢液中 Mn 对 N 含量的 相互作用系数 e Mn N 作对比，对试样实测 N 含量求对 数并与 Mn 含量建立如图 1 所示的对应关系，经过 拟合 获 得 Mn 对 N 的 相 互 作 用 系 数 EMn N 为 － 0. 0286，与式( 2) 中的 e Mn N 相近． 采用 Thermo-calc 软件对该组试样进行分析，所 得 Fe--N 伪二元平衡相图如图 2 所示． 从图可以看 出，A 组实验钢的液相线温度基本相同，且当 N 质 量分数从 0 变化至 0. 68% 时，凝固模式均为 FA 模 式，即初晶为铁素体相，之后经包晶/共晶反应生成 奥氏体相． Mn 含量增加未改变实验钢的凝固模式， 但使奥氏体相区扩大，并缩小了凝固过程中在铁素 体相区的停留时间，因此减少了氮气的溢出，提高了 氮含量． 图 1 Mn 元素含量与 lg［% N］的关系 Fig． 1 Ｒelationship between Mn content and lg［% N］ 2. 3 Cr 元素对凝固模式及氮含量的影响 从表 2 中可以看出，在 Cr 质量分数由 12% 变 化至 50% 的 B 组试样中，随 Cr 含量增加，铸锭中氮 含量不断增加． 将氮含量求对数，获得 lg［% N］－ ［% Cr］关系曲线如图 3 所示; 同时将式( 2) 计算的 lg［% N］－ ［% Cr］关系以虚线表示． 从图中可看 出，式( 2) 中氮含量随 Cr 含量增加而单调线性增 加，而本实验所得曲线则分为三个特征阶段． 当 Cr 质量分数为 10% ～ 16. 5% ( 阶段 I) 时，氮含量线性 增加; 当 Cr 质量分数继续增加至 27. 5% ( 阶段 II) 时，氮质量分数处于近平台阶段为 0. 5% 左右，铸锭 中氮含量增加较为缓慢; 当 Cr 质量分数由 27. 5% 增至 33% 时，氮质量分数迅速增加至 1. 0% 并达到 饱和值，lg［% N］则恒定为 0． 由于在钢液中 Cr 元素对氮的相互作用系数为 负值，即增加 Cr 含量促进钢液中氮的溶解［19］，根据 式( 1) ，当 PN2和 T 固定时，钢液中氮的溶解度与 Cr 含量呈正比例线性关系． 但是在铸态，由于 Cr 是强 · 4501 ·