近年来，高氮钢的研究和开发受到国内外的高度重视。氮作为重要的合金化元素加入不锈钢中，不仅可以代替昂贵的镍，而且还可以显著提高钢的力学性能和耐腐蚀性能。但要实现高氮不锈钢的工业化大生产，还有许多期待解决的制备、加工和应用方面的问题。由此可见，对高氮不锈钢的合金化及凝固过程等冶金学基础开展一系列深入而系统的基础性研究工作，对于高氮不锈钢这类新型先进钢铁材料的工业化生产和应用是极其重要的。 本文首先在0.1MPa氮分压下向钢液中顶吹氮气，研究Fe-Cr-Mn(Mo)系不锈钢在1873K渗氮的动力学，并建立了氮溶解度的热力学模型，探讨了表面活性元素氧、硫含量对渗氮过程的影响。实验结果表明，Fe-Cr-Mn(Mo)系不锈钢熔体渗氮在50分钟达到平衡，其平衡氮含量随着合金元素铬、锰的增加而增加，但其平衡氮含量略低于理论值，其主要原因是非封闭的渗氮条件和合金熔体表面活性元素含量较高。通过线性回归法，确定本实验条件下的渗氮为二级反应，界面反应为渗氮的限制性环节。表面活性元素氧、硫含量通过降低界面反应速率常数来减小吸氮速率，其影响规律符合表达式k<,c>=af<2><,N>/(1+220α<,[O]>+130α<,[S]>)。 高氮钢在凝固过程中经过氮溶解度较低的δ铁素体相，造成氮气泡析出。因此研究氮在高氮钢凝固过程的行为对于高氮钢的冶炼显得十分重要。本文理论计算了氮在δ铁素体和γ奥氏体中的固相溶解度，并建立了氮在高氮钢凝固过程的微观偏析模型。讨论了合金元素和氮分压对δ铁素体相区的影响，并计算了在高氮钢凝固过程中为避免氮气析出所需施加的最小氮分压。 提高氮分压、减少合金体系中铁素体形成元素的含量，可使高氮钢凝固过程中的δ铁素体减小，甚至闭合。对于护环钢18Cr18Mn，当氮分压提高到0.6MPa时，凝固过程中δ铁素体相完全消失，直接由液相凝固为奥氏体相，减小了氮析出的可能。 微观偏析模型计算结果表明，氮的偏析使凝固前沿液相氮浓度逐渐增加，凝固率达到1时，凝固前沿氮浓度达到最大。随着凝固过程的中液相氮浓度逐渐增加，平衡氮分压也逐渐增加。对于Fe-13Cr合金，在[N]<,0>=0.2％条件下，平衡氮分压最大P<,N max>=0.73MPa，对于Fe18Cr9Ni的P<,N max>=0.33MPa；对于18Cr18Mn钢，[N]<,0>=0.8％时，P<,N max>=0.41 MPa，[N]<,0>=1.2％时，P<,N max>=1.29MPa。为防止氮析出，需要加压凝固，所需施加的最小氮分压为P<,min>=P<,N max>-P<,M>-2o/r。 综合考虑氮的固相溶解度和微观偏析及析出，对于18Cr18Mn护环钢，当施加的氮分压超过0.6MPa时，凝固过程δ铁素体相完全消失，模型计算中的偏析系数由δ铁素体相中的0.38变为γ奥氏体相中的0.48。同样[N]<,0>=1.2％时，这时计算的平衡氮分压最大为0.76MPa。固相溶解度和微观偏析模型也为高氮钢的冶炼方法提供了理论依据，模型计算分析表明，高压、定向快速凝固是生产高氮钢的有利条件。