冷卻速度對鑄件二次枝晶臂間距影響的模擬研究

孫德潤 張 宏 門正興 李 其 房 鑫

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.二重大型鑄鍛件數(shù)值模擬國家工程實驗室，四川610052)

試驗研究

冷卻速度對鑄件二次枝晶臂間距影響的模擬研究

孫德潤1張 宏2門正興2李 其2房 鑫2

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.二重大型鑄鍛件數(shù)值模擬國家工程實驗室，四川610052)

設計了45#鋼階梯凝固試驗并進行了有限元分析，研究了不同冷卻速度對二次枝晶臂間距尺寸的影響。根據(jù)模擬結果擬合了冷卻速度與二次枝晶臂間距經(jīng)驗公式，為判斷鑄件冷卻溫度、建立高溫擴散退火預判機制、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，凝固前沿結晶總是在結晶面溶質偏析小的地方和結晶潛熱散出最快的地方優(yōu)先生長。鐵為立方晶格，呈正六面體結晶，在晶核長大過程中，其棱角方向要比其它方向的導熱性好，而且棱角離未被溶質富集的液體最近，因此，沿棱角方向長大的速度要比其它方向快，其生長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出來的分叉枝晶即為二次枝晶[1]。

二次枝晶臂間距大小對后期的高溫擴散退火工藝、鑄件偏析和內部裂紋的產(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，過小的冷卻速度會使二次枝晶臂間距變大，這會導致后期高溫擴散退火工藝達不到效果。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制訂后期高溫擴散工藝，降低鑄件偏析和內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，設計計算了階梯型試驗，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 鑄件凝固實驗設計

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

2 鑄件凝固結果分析

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間變化的曲線。根據(jù)整體冷卻曲線計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)間冷卻速度要遠遠大于其他區(qū)域。根據(jù)固液相溫度區(qū)間冷卻曲線計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間?？梢钥闯鲈谠嚇颖砻婧捅《死鋮s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示意圖Figure5 Schematic diagram of SDAS section acquisition points

表1 試驗材料化學成分(質量分數(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稱各取兩個點進行分析，見圖5。點下數(shù)字為其編號。編號1～4分別代表8 mm、12 mm、20 mm和30 mm板厚。4個截面二次枝晶臂間距分析結果見表2所示。4個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系，本文作出每種板厚截面的二次枝晶臂間距與時間的曲線(取圖5中每個截面的中心點進行分析)，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，其本質為冷卻速度的減少，局部凝固時間增大。合金在固、液兩相區(qū)內停留時間愈長，導致二次枝晶臂粗化越充分，二次枝晶臂間距尺寸越大。在枝晶生長過程中，隨著枝晶的成長，從二次枝晶的生長界面上會排出溶質，但由于二次枝晶臂的半徑不同，枝晶臂表面附近液相區(qū)溶質濃度也不同，較細的枝晶臂附近液相溶質濃度較低，較粗的枝晶臂附近液相溶質濃度較高。由于溶質濃度梯度的存在，溶質將進行再分配，其將沿著濃度梯度從粗枝晶臂向細枝晶臂擴散，而溶劑將從細枝晶臂向粗枝晶臂擴散。這將導致細枝晶臂溶解，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)其增大趨勢比較明顯。

圖6 不同板厚二次枝晶臂間距隨時間變化曲線圖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系，作出每種板厚截面的二次枝晶臂間距與時間的曲線(取圖5中每個截面的中心點進行分析)，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，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時間的零值，隨著溫度的降低，二次枝晶開始產(chǎn)生并長大，反映在曲線上二次枝晶臂間距開始有數(shù)值并隨著時間增多而增大。對比圖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大的主要溫度區(qū)域，其本質為有溫度過冷度。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 不同位置點平均冷卻速度與二次枝晶臂間距曲線對比圖Figure9 The comparison curves between average cooling rate and SDAS at different positions

同時，根據(jù)不同板厚固液相溫度區(qū)間平均冷卻速度與對應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系式：

R——平均冷卻速度，單位為℃/min。

再進一步，取圖5中每個截面中心點兩邊的點研究其平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關系。由于兩邊對稱，故取中心點左邊的兩個點來進行研究，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系規(guī)律基本相同。在靠近散熱端的點(15011-603)由于冷卻速度高于其他點，所以其二次枝晶臂間距較小，曲線位于最下方。中心點是三個點中冷卻速度相對最小的，所以二次枝晶臂間距最大，曲線位于最上方。對于不同厚度試件其任意位置都符合S2=GR-a規(guī)律關系，但不包括試件四周的換熱邊界面，這是因為邊界換熱界面與空氣直接接觸冷卻，板厚對冷卻速度影響不大。

3 結論

(2)通過對試件不同位置截面點的平均冷卻速度與二次枝晶臂間距的關系曲線進行對比研究，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)律關系，但不包括試件四周的換熱邊界面。

[1] 王新華.煉鋼學[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