孫德潤(rùn) 張 宏 門正興 李 其 房 鑫

(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013；2.二重大型鑄鍛件數(shù)值模擬國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川610052)

試驗(yàn)研究

冷卻速度對(duì)鑄件二次枝晶臂間距影響的模擬研究

孫德潤(rùn)1張 宏2門正興2李 其2房 鑫2

(1.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013；2.二重大型鑄鍛件數(shù)值模擬國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，四川610052)

設(shè)計(jì)了45#鋼階梯凝固試驗(yàn)并進(jìn)行了有限元分析，研究了不同冷卻速度對(duì)二次枝晶臂間距尺寸的影響。根據(jù)模擬結(jié)果擬合了冷卻速度與二次枝晶臂間距經(jīng)驗(yàn)公式，為判斷鑄件冷卻溫度、建立高溫?cái)U(kuò)散退火預(yù)判機(jī)制、降低鑄件偏析和避免裂紋的產(chǎn)生提供理論依據(jù)。

45#鋼；冷卻速度；二次枝晶臂間距；有限元分析

金屬凝固過程中，凝固前沿結(jié)晶總是在結(jié)晶面溶質(zhì)偏析小的地方和結(jié)晶潛熱散出最快的地方優(yōu)先生長(zhǎng)。鐵為立方晶格，呈正六面體結(jié)晶，在晶核長(zhǎng)大過程中，其棱角方向要比其它方向的導(dǎo)熱性好，而且棱角離未被溶質(zhì)富集的液體最近，因此，沿棱角方向長(zhǎng)大的速度要比其它方向快，其生長(zhǎng)方向幾乎與熱流方向平行，即為一次枝晶。垂直于一次枝晶臂面長(zhǎng)出來的分叉枝晶即為二次枝晶[1]。

二次枝晶臂間距大小對(duì)后期的高溫?cái)U(kuò)散退火工藝、鑄件偏析和內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生有直接影響。二次枝晶臂間距完全取決于鑄件凝固過程的冷卻速度，過小的冷卻速度會(huì)使二次枝晶臂間距變大，這會(huì)導(dǎo)致后期高溫?cái)U(kuò)散退火工藝達(dá)不到效果。因此找到并選擇合適的冷卻速度，獲得理想的二次枝晶臂間距對(duì)制訂后期高溫?cái)U(kuò)散工藝，降低鑄件偏析和內(nèi)部裂紋有非常重要的意義。本文利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算了階梯型試驗(yàn)，直觀研究不同冷卻速度下的二次枝晶臂間距，并通過回歸分析兩者間的影響。

圖1 試樣尺寸圖Figure 1 The dimensional drawing of test piece

1 鑄件凝固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析不同冷卻速度對(duì)鑄件微觀組織的影響，采用階梯型試樣分析冷卻速度對(duì)鑄件二次枝晶臂間距的影響。階梯型試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，階梯厚度b分別為8 mm、12 mm、20 mm和30 mm。試驗(yàn)材料為45#鋼，其化學(xué)成分如表1所示，實(shí)驗(yàn)澆注溫度為1 550℃，澆注速度3.3 mm/s，在大氣環(huán)境下進(jìn)行澆注。

2 鑄件凝固結(jié)果分析

2.1 鑄件冷卻曲線提取與分析

圖2為梯形鑄件凝固過程中不同厚度截面中心溫度隨時(shí)間變化的曲線。根據(jù)整體冷卻曲線計(jì)算試件整體平均冷卻速度V分別為：b=8 mm，V=1.22℃/s(73.2℃/min)；b=12 mm，V=0.92℃/s(55.2℃/min)；b=20 mm，V=0.63℃/s(37.8℃/min)；b=30 mm，V=0.46℃/s(27.6℃/min)。

圖2 不同厚度冷卻溫度隨時(shí)間變化曲線圖Figure2 The curve diagram of cooling temperatures changed with timeunder different thicknesses

圖3 不同厚度冷卻溫度隨時(shí)間變化曲線圖(固液相溫度區(qū)間)Figure3 The curve diagram of cooling temperatures changed with time under different thicknesses (solid-liquid phase temperature range)

圖4 不同厚度固化時(shí)間圖Figure4 The diagram of solidification time under different thicknesses

圖3研究了試樣從固相線到液相線的冷卻速度，發(fā)現(xiàn)在固液相溫度區(qū)間冷卻速度隨著板厚變化比較激烈。隨著板厚的增加，冷卻速度逐漸降低。但總體來看，在固液溫度區(qū)間冷卻速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。根據(jù)固液相溫度區(qū)間冷卻曲線計(jì)算試件在固液相溫度區(qū)間平均冷卻速度分別為：b=8 mm，V=1.96℃/s(117.6℃/min)；b=12 mm，V=1.34℃/s(80.4℃/min)；b=20 mm，V=0.66℃/s(39.6℃/min)；b=30 mm，V=0.48℃/s(28.8℃/min)。

圖4顯示了試樣總體凝固時(shí)間。可以看出在試樣表面和薄端冷卻凝固快，靠近水口和板厚處最后凝固。

圖5 二次枝晶臂間距截面采集點(diǎn)示意圖Figure5 Schematic diagram of SDAS section acquisition points

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of test material (mass fraction,%)

表2 二次枝晶臂間距/μmTable 2 Second dendrite arm spacing/μm

2.2 鑄件二次枝晶臂間距提取與分析

在截面中心和左右兩邊對(duì)稱各取兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，見圖5。點(diǎn)下數(shù)字為其編號(hào)。編號(hào)1～4分別代表8 mm、12 mm、20 mm和30 mm板厚。4個(gè)截面二次枝晶臂間距分析結(jié)果見表2所示。4個(gè)板厚的二次枝晶臂間距都是從心部逐漸往兩端處遞減。

為了研究每種板厚整體平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關(guān)系，本文作出每種板厚截面的二次枝晶臂間距與時(shí)間的曲線(取圖5中每個(gè)截面的中心點(diǎn)進(jìn)行分析)，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著鑄件板厚的增加，二次枝晶臂間距尺寸也隨之增大，其本質(zhì)為冷卻速度的減少，局部凝固時(shí)間增大。合金在固、液兩相區(qū)內(nèi)停留時(shí)間愈長(zhǎng)，導(dǎo)致二次枝晶臂粗化越充分，二次枝晶臂間距尺寸越大。在枝晶生長(zhǎng)過程中，隨著枝晶的成長(zhǎng)，從二次枝晶的生長(zhǎng)界面上會(huì)排出溶質(zhì)，但由于二次枝晶臂的半徑不同，枝晶臂表面附近液相區(qū)溶質(zhì)濃度也不同，較細(xì)的枝晶臂附近液相溶質(zhì)濃度較低，較粗的枝晶臂附近液相溶質(zhì)濃度較高。由于溶質(zhì)濃度梯度的存在，溶質(zhì)將進(jìn)行再分配，其將沿著濃度梯度從粗枝晶臂向細(xì)枝晶臂擴(kuò)散，而溶劑將從細(xì)枝晶臂向粗枝晶臂擴(kuò)散。這將導(dǎo)致細(xì)枝晶臂溶解，粗枝晶臂變得更粗，使得相鄰二次枝晶相互粘連融合，最終二次枝晶臂間距尺寸增大。并且同一截面靠近散熱端的二次枝晶臂間距明顯要小于中心地方，這是冷卻速度變大造成的。整體來說，在鑄件不同厚度中心處二次枝晶臂間距都比較大，并且隨著板厚的增加(冷卻速度下降)其增大趨勢(shì)比較明顯。

圖6 不同板厚二次枝晶臂間距隨時(shí)間變化曲線圖Figure6 The curve diagram of SDAS changed with time under different steel plate thicknesses

圖7 不同板厚二次枝晶臂間距隨時(shí)間變化曲線圖(固液相溫度區(qū)間)Figure7 The curve diagram of SDAS changed with time under different steel plate thicknesses (solid-liquid phase temperature range)

進(jìn)一步研究每種板厚在固液相溫度區(qū)間平均冷卻速度與二次枝晶臂間距關(guān)系，作出每種板厚截面的二次枝晶臂間距與時(shí)間的曲線(取圖5中每個(gè)截面的中心點(diǎn)進(jìn)行分析)，如圖7所示。

從圖7可以看到，試件在固液溫度區(qū)域冷卻剛開始時(shí)，沒有二次枝晶生成，所以反映在二次枝晶臂間距是其有很長(zhǎng)時(shí)間的零值，隨著溫度的降低，二次枝晶開始產(chǎn)生并長(zhǎng)大，反映在曲線上二次枝晶臂間距開始有數(shù)值并隨著時(shí)間增多而增大。對(duì)比圖6整體冷卻溫度過程，發(fā)現(xiàn)在固液相溫度區(qū)間是二次枝晶生成長(zhǎng)大的主要溫度區(qū)域，其本質(zhì)為有溫度過冷度。隨著溫度降低到固相線附近，不同板厚二次枝晶長(zhǎng)大趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)在曲線上是二次枝晶臂間距數(shù)值恒定?？梢酝茢?，固相線溫度之下二次枝晶臂間距大小不變，另外固液相溫度區(qū)間二次枝晶臂間距也是隨著鑄件板厚增大而增大，這與圖6整體冷卻溫度過程二次枝晶臂間距曲線結(jié)果吻合的很好。

圖8 不同板厚的平均冷卻速度與二次枝晶臂間距關(guān)系曲線Figure8 The relation curves between average cooling rate and SDAS under different steel plate thicknesses

圖9 不同位置點(diǎn)平均冷卻速度與二次枝晶臂間距曲線對(duì)比圖Figure9 The comparison curves between average cooling rate and SDAS at different positions

同時(shí)，根據(jù)不同板厚固液相溫度區(qū)間平均冷卻速度與對(duì)應(yīng)的中心部位二次枝晶臂間距，可以得到兩者之間的函數(shù)曲線，如圖8所示。

通過對(duì)固液相溫度區(qū)間平均冷卻速度與二次枝晶臂間距曲線進(jìn)行回歸分析，得出固液相溫度區(qū)間冷卻速度與二次枝晶臂間距的關(guān)系式：

R——平均冷卻速度，單位為℃/min。

再進(jìn)一步，取圖5中每個(gè)截面中心點(diǎn)兩邊的點(diǎn)研究其平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關(guān)系。由于兩邊對(duì)稱，故取中心點(diǎn)左邊的兩個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行研究，作出平均冷卻速度與二次枝晶臂間距曲線圖，如圖9所示。

通過分析對(duì)比以上曲線圖，發(fā)現(xiàn)三條曲線的平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關(guān)系規(guī)律基本相同。在靠近散熱端的點(diǎn)(15011-603)由于冷卻速度高于其他點(diǎn)，所以其二次枝晶臂間距較小，曲線位于最下方。中心點(diǎn)是三個(gè)點(diǎn)中冷卻速度相對(duì)最小的，所以二次枝晶臂間距最大，曲線位于最上方。對(duì)于不同厚度試件其任意位置都符合S2=GR-a規(guī)律關(guān)系，但不包括試件四周的換熱邊界面，這是因?yàn)檫吔鐡Q熱界面與空氣直接接觸冷卻，板厚對(duì)冷卻速度影響不大。

3 結(jié)論

(2)通過對(duì)試件不同位置截面點(diǎn)的平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)平均冷卻速度與二次枝晶臂間距都符合S2=GR-a規(guī)律關(guān)系，但不包括試件四周的換熱邊界面。

[1] 王新華.煉鋼學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007,6.

編輯 杜青泉

1Secondary Dendrite Arm Spacing in Casting

SunDerun,ZhangHong,MenZhengxing,LiQi,FangXin

The solidification experiment for 45 steel is designed and finite element analysis is carried out. The effect of different cooling rates on the secondary dendrite arm spacing (SDAS) is researched. The empirical formula for cooling rate and SDAS is fitted. It will provide the theory evidence for judging the cooling temperature of casting and establishing the high temperature diffusion annealing anticipation mechanism and decreasing the segregation and crack in casting.

45# steel; cooling rate; second dendrite arm spacing (SDAS); finite element analysis

2013—12—30

O242.21

A