第8期 房菲等：合金元素及凝固模式对含氮不锈钢氮含量的影响 ·1057· 式为A模式。但是，在随后的冷却过程中，枝晶间高 强烈形成并稳定奥氏体的元素，大奥氏体相区，在 C含量区域发生奥氏体向铁素体的转变.对比图3 凝固过程中可减小氮气溢出.这两种相反的作用， 可知，处于阶段I、Ⅱ和Ⅲ的实验钢分别对应着不同 使得Ni含量增加，氮含量非单调性变化，Ni对氮的 的凝固模式。 相互作用系数也不是固定值.如图5所示，铸锭中 阶段I凝固模式为F模式，即初晶为铁素体相 随Ni含量的增加，氮含量的变化趋势与钢液中明显 直至凝固结束.在此阶段，凝固过程仅为单相结晶 不同.由此可见，采用钢液中氮溶解度预测公式直 而无相变，因此氯含量随Cr含量增加而线性增加. 接预测铸锭中氮含量，往往存在一定的偏差 对图3中B1~B3数据拟合获得Cr对氮含量的相 -0.1 互作用系数E9为-0.046，与式(2)中的相互作用 ■一实验点拟合结果* -0.2 -口式(2计算结果 系数相近，该线性关系可表示为lg[%N们=0.046 -0.3 [%Cr]-1.0645.阶段Ⅱ凝固模式为FA和AF模 -04 、e=0.011 式，即凝固初相为铁素体/奥氏体相之后包晶或共晶 -0.5 生成奥氏体/铁素体相，随Cr含量增加，极大地提高 -0.6 E=-0.011 了钢液溶的氮能力.氮是强奥氏体形成元素，而Cr -0.7 ↑ E=0.033 却缩小奥氏体相区，这两种相反的作用使该阶段的 Ⅲ -0.8 氮含量较平稳、缓慢增加.对图3中B3~B6数据拟 0510152025303540455055 [%Nil 合获得C对氮含量的相互作用系数E9为 图5Ni元素含量与g[%N]的关系(*代表随Ni含量增加， -0.011,该线性关系可表示为lg[%N]=0.011× lg[%门变化趋势，非真实计算结果) [%C]-0.4822.阶段Ⅲ凝固模式为A模式，凝固 Fig.5 Relationship between Ni content and Ig [%N] 过程以奥氏体初晶开始，并延续至凝固结束.相对 于液相和铁素体相，氮在奥氏体相中溶解度最大，因 根据图6所示C组试样金相显微组织可知，Ni 此氮气溢出量减小，铸钢中氮质量分数迅速增加至 加入后与Cr相互作用改变了钢液的凝固模式，N 饱和值为1.0%. 质量分数为4.96%的C1试样由块状铁素体初晶相 2.4Ni对凝固模式及氨含量的影响 及其周围由包晶反应生成的奥氏体相组成，凝固模 当Cr的目标含量为18%（质量分数，实测 式为FA模式：Ni质量分数为11.7%的C2试样由 16.4%~17.2%),Ni质量分数由5%变化至50% 奥氏体基体及枝晶间最后凝固产生的铁素体相组 时，由表2中C组实验数据可知，铸锭中氮质量分 成，凝固模式为AF模式；Ni质量分数由20.5%至 数在0.16%~0.47%之间波动：而根据表2中B组 30.4%的C3~C5试样由单相奥氏体组成，凝固模 数据可知，当实测Cr质量分数为16.5%时氮质量 式为A模式；Ni质量分数增至34.1%和50.9%的 分数为0.50%.由此可见，加入Ni元素使钢中氨含 C6和C7试样，Cr+Ni的质量分数已超过50%，试 量降低.当忽略Ni和Cr之间相互作用，仅考虑Ni 样不属于不锈钢.由此可知，该组实验钢的凝固模 元素对氮含量的影响，建立如图5所示lg[%N]- 式变化情况：阶段I为FA→AF→A,阶段Ⅱ凝固模 [%N]关系曲线，并拟合求出Ni对氮的相互作用 式为A. 系数E.从图中可以看出，与式(2)预测的钢液中 随N含量增加，铸锭的凝固模式和初品相发生 的氮含量不同，随N含量增加，铸锭中氮含量非单 改变.对于C1和C2试样，凝固模式由FA变为AF, 调性变化，存在三个特征阶段.当Ni质量分数在 初晶相由铁素体转变为奥氏体.FA模式中奥氏体 5%~20.5%(阶段I)时，随Ni含量增加铸锭中氮 由L+δ→y包晶反应生成，因此氮含量受到初晶铁 含量增加，其对氮的相互作用系数E为-0.011： 素体中氮固溶度低的影响，整体氮含量偏低：而AF Ni质量分数由20.5%增加至30.4%（阶段I)时， 模式，奥氏体相为初晶相，可溶入较多的氮原子，因 氮含量逐渐减少，E值为0.033；而当Ni质量分数此C2试样中氮含量高于C1试样.而C3试样的凝 >34%(阶段Ⅲ)时，氮质量分数达到稳定值为 固模式为A模式，凝固过程中无铁素体相产生，凝 0.16%,lg[9%N]则恒定为0.因为在钢液中Ni元素 固过程中溶氮能力大幅度提高，氮气溢出量明显减 对氮的相互作用系数为正值，加入N降低氮的溶解 小.因此，虽然钢液中氮溶解度减小，但凝固过程中 度9，根据式(1)，当P,和T固定时，钢液中氮的 没有氮气溢出，A凝固模式使[%N门达到最大值为 溶解度与Ni含量呈反比例线性关系.但Ni同时是 0.47.在阶段Ⅱ凝固模式为A模式，凝固模式虽然第 8 期 房 菲等: 合金元素及凝固模式对含氮不锈钢氮含量的影响 式为 A 模式． 但是，在随后的冷却过程中，枝晶间高 Cr 含量区域发生奥氏体向铁素体的转变． 对比图 3 可知，处于阶段 I、II 和 III 的实验钢分别对应着不同 的凝固模式． 阶段 I 凝固模式为 F 模式，即初晶为铁素体相 直至凝固结束． 在此阶段，凝固过程仅为单相结晶 而无相变，因此氮含量随 Cr 含量增加而线性增加． 对图 3 中 B1 ～ B3 数据拟合获得 Cr 对氮含量的相 互作用系数 ECr N 为 － 0. 046，与式( 2) 中的相互作用 系数相近，该线性关系可表示为 lg［% N］= 0. 046 ［% Cr］－ 1. 0645． 阶段 II 凝固模式为 FA 和 AF 模 式，即凝固初相为铁素体/奥氏体相之后包晶或共晶 生成奥氏体/铁素体相，随 Cr 含量增加，极大地提高 了钢液溶的氮能力． 氮是强奥氏体形成元素，而 Cr 却缩小奥氏体相区，这两种相反的作用使该阶段的 氮含量较平稳、缓慢增加． 对图 3 中 B3 ～ B6 数据拟 合 获 得 Cr 对 氮 含 量 的 相 互 作 用 系 数 ECr N 为 － 0. 011，该线性关系可表示为 lg［% N］= 0. 011 × ［% Cr］－ 0. 4822． 阶段 III 凝固模式为 A 模式，凝固 过程以奥氏体初晶开始，并延续至凝固结束． 相对 于液相和铁素体相，氮在奥氏体相中溶解度最大，因 此氮气溢出量减小，铸钢中氮质量分数迅速增加至 饱和值为 1. 0% ． 2. 4 Ni 对凝固模式及氮含量的影响 当 Cr 的 目 标 含 量 为 18% ( 质 量 分 数，实 测 16. 4% ～ 17. 2% ) ，Ni 质量分数由 5% 变化至 50% 时，由表 2 中 C 组实验数据可知，铸锭中氮质量分 数在 0. 16% ～ 0. 47% 之间波动; 而根据表 2 中 B 组 数据可知，当实测 Cr 质量分数为 16. 5% 时氮质量 分数为 0. 50% ． 由此可见，加入 Ni 元素使钢中氮含 量降低． 当忽略 Ni 和 Cr 之间相互作用，仅考虑 Ni 元素对氮含量的影响，建立如图 5 所示 lg［% N］－ ［% Ni］关系曲线，并拟合求出 Ni 对氮的相互作用 系数 ENi N ． 从图中可以看出，与式( 2) 预测的钢液中 的氮含量不同，随 Ni 含量增加，铸锭中氮含量非单 调性变化，存在三个特征阶段． 当 Ni 质量分数在 5% ～ 20. 5% ( 阶段 I) 时，随 Ni 含量增加铸锭中氮 含量增加，其对氮的相互作用系数 ENi N 为 － 0. 011; Ni 质量分数由 20. 5% 增加至 30. 4% ( 阶段 II) 时， 氮含量逐渐减少，ENi N 值为 0. 033; 而当 Ni 质量分数 ＞ 34% ( 阶段 III) 时，氮质量分数达到稳定值为 0. 16% ，lg［% N］则恒定为 0． 因为在钢液中 Ni 元素 对氮的相互作用系数为正值，加入 Ni 降低氮的溶解 度［19］，根据式( 1) ，当 PN2 和 T 固定时，钢液中氮的 溶解度与 Ni 含量呈反比例线性关系． 但 Ni 同时是 强烈形成并稳定奥氏体的元素，扩大奥氏体相区，在 凝固过程中可减小氮气溢出． 这两种相反的作用， 使得 Ni 含量增加，氮含量非单调性变化，Ni 对氮的 相互作用系数也不是固定值． 如图 5 所示，铸锭中 随 Ni 含量的增加，氮含量的变化趋势与钢液中明显 不同． 由此可见，采用钢液中氮溶解度预测公式直 接预测铸锭中氮含量，往往存在一定的偏差． 图 5 Ni 元素含量与 lg［% N］的关系( * 代表随 Ni 含量增加， lg［% N］变化趋势，非真实计算结果) Fig． 5 Ｒelationship between Ni content and lg［% N］ 根据图 6 所示 C 组试样金相显微组织可知，Ni 加入后与 Cr 相互作用改变了钢液的凝固模式，Ni 质量分数为 4. 96% 的 C1 试样由块状铁素体初晶相 及其周围由包晶反应生成的奥氏体相组成，凝固模 式为 FA 模式; Ni 质量分数为 11. 7% 的 C2 试样由 奥氏体基体及枝晶间最后凝固产生的铁素体相组 成，凝固模式为 AF 模式; Ni 质量分数由 20. 5% 至 30. 4% 的 C3 ～ C5 试样由单相奥氏体组成，凝固模 式为 A 模式; Ni 质量分数增至 34. 1% 和 50. 9% 的 C6 和 C7 试样，Cr + Ni 的质量分数已超过 50% ，试 样不属于不锈钢． 由此可知，该组实验钢的凝固模 式变化情况: 阶段 I 为 FA→AF→A，阶段 II 凝固模 式为 A． 随 Ni 含量增加，铸锭的凝固模式和初晶相发生 改变． 对于 C1 和 C2 试样，凝固模式由 FA 变为 AF， 初晶相由铁素体转变为奥氏体． FA 模式中奥氏体 由 L + δ→γ 包晶反应生成，因此氮含量受到初晶铁 素体中氮固溶度低的影响，整体氮含量偏低; 而 AF 模式，奥氏体相为初晶相，可溶入较多的氮原子，因 此 C2 试样中氮含量高于 C1 试样． 而 C3 试样的凝 固模式为 A 模式，凝固过程中无铁素体相产生，凝 固过程中溶氮能力大幅度提高，氮气溢出量明显减 小． 因此，虽然钢液中氮溶解度减小，但凝固过程中 没有氮气溢出，A 凝固模式使［% N］C3达到最大值为 0. 47． 在阶段 II 凝固模式为 A 模式，凝固模式虽然 · 7501 ·