冷却速度对铸件二次枝晶臂间距影响的模拟研究

孙德润 张 宏 门正兴 李 其 房 鑫

(1.中国第二重型机械集团公司，四川618013；2.二重大型铸锻件数值模拟国家工程实验室，四川610052)

试验研究

冷却速度对铸件二次枝晶臂间距影响的模拟研究

孙德润1张 宏2门正兴2李 其2房 鑫2

(1.中国第二重型机械集团公司，四川618013；2.二重大型铸锻件数值模拟国家工程实验室，四川610052)

设计了45#钢阶梯凝固试验并进行了有限元分析，研究了不同冷却速度对二次枝晶臂间距尺寸的影响。根据模拟结果拟合了冷却速度与二次枝晶臂间距经验公式，为判断铸件冷却温度、建立高温扩散退火预判机制、降低铸件偏析和避免裂纹的产生提供理论依据。

45#钢；冷却速度；二次枝晶臂间距；有限元分析

金属凝固过程中，凝固前沿结晶总是在结晶面溶质偏析小的地方和结晶潜热散出最快的地方优先生长。铁为立方晶格，呈正六面体结晶，在晶核长大过程中，其棱角方向要比其它方向的导热性好，而且棱角离未被溶质富集的液体最近，因此，沿棱角方向长大的速度要比其它方向快，其生长方向几乎与热流方向平行，即为一次枝晶。垂直于一次枝晶臂面长出来的分叉枝晶即为二次枝晶[1]。

二次枝晶臂间距大小对后期的高温扩散退火工艺、铸件偏析和内部裂纹的产生有直接影响。二次枝晶臂间距完全取决于铸件凝固过程的冷却速度，过小的冷却速度会使二次枝晶臂间距变大，这会导致后期高温扩散退火工艺达不到效果。因此找到并选择合适的冷却速度，获得理想的二次枝晶臂间距对制订后期高温扩散工艺，降低铸件偏析和内部裂纹有非常重要的意义。本文利用有限元数值模拟技术，设计计算了阶梯型试验，直观研究不同冷却速度下的二次枝晶臂间距，并通过回归分析两者间的影响。

图1 试样尺寸图Figure 1 The dimensional drawing of test piece

1 铸件凝固实验设计

为分析不同冷却速度对铸件微观组织的影响，采用阶梯型试样分析冷却速度对铸件二次枝晶臂间距的影响。阶梯型试样结构如图1所示，阶梯厚度b分别为8 mm、12 mm、20 mm和30 mm。试验材料为45#钢，其化学成分如表1所示，实验浇注温度为1 550℃，浇注速度3.3 mm/s，在大气环境下进行浇注。

2 铸件凝固结果分析

2.1 铸件冷却曲线提取与分析

图2为梯形铸件凝固过程中不同厚度截面中心温度随时间变化的曲线。根据整体冷却曲线计算试件整体平均冷却速度V分别为：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)。

图2 不同厚度冷却温度随时间变化曲线图Figure2 The curve diagram of cooling temperatures changed with timeunder different thicknesses

图3 不同厚度冷却温度随时间变化曲线图(固液相温度区间)Figure3 The curve diagram of cooling temperatures changed with time under different thicknesses (solid-liquid phase temperature range)

图4 不同厚度固化时间图Figure4 The diagram of solidification time under different thicknesses

图3研究了试样从固相线到液相线的冷却速度，发现在固液相温度区间冷却速度随着板厚变化比较激烈。随着板厚的增加，冷却速度逐渐降低。但总体来看，在固液温度区间冷却速度要远远大于其他区域。根据固液相温度区间冷却曲线计算试件在固液相温度区间平均冷却速度分别为：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)。

图4显示了试样总体凝固时间。可以看出在试样表面和薄端冷却凝固快，靠近水口和板厚处最后凝固。

图5 二次枝晶臂间距截面采集点示意图Figure5 Schematic diagram of SDAS section acquisition points

表1 试验材料化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of test material (mass fraction,%)

表2 二次枝晶臂间距/μmTable 2 Second dendrite arm spacing/μm

2.2 铸件二次枝晶臂间距提取与分析

在截面中心和左右两边对称各取两个点进行分析，见图5。点下数字为其编号。编号1～4分别代表8 mm、12 mm、20 mm和30 mm板厚。4个截面二次枝晶臂间距分析结果见表2所示。4个板厚的二次枝晶臂间距都是从心部逐渐往两端处递减。

为了研究每种板厚整体平均冷却速度与二次枝晶臂间距的关系，本文作出每种板厚截面的二次枝晶臂间距与时间的曲线(取图5中每个截面的中心点进行分析)，如图6所示。

从图6可以看出，随着铸件板厚的增加，二次枝晶臂间距尺寸也随之增大，其本质为冷却速度的减少，局部凝固时间增大。合金在固、液两相区内停留时间愈长，导致二次枝晶臂粗化越充分，二次枝晶臂间距尺寸越大。在枝晶生长过程中，随着枝晶的成长，从二次枝晶的生长界面上会排出溶质，但由于二次枝晶臂的半径不同，枝晶臂表面附近液相区溶质浓度也不同，较细的枝晶臂附近液相溶质浓度较低，较粗的枝晶臂附近液相溶质浓度较高。由于溶质浓度梯度的存在，溶质将进行再分配，其将沿着浓度梯度从粗枝晶臂向细枝晶臂扩散，而溶剂将从细枝晶臂向粗枝晶臂扩散。这将导致细枝晶臂溶解，粗枝晶臂变得更粗，使得相邻二次枝晶相互粘连融合，最终二次枝晶臂间距尺寸增大。并且同一截面靠近散热端的二次枝晶臂间距明显要小于中心地方，这是冷却速度变大造成的。整体来说，在铸件不同厚度中心处二次枝晶臂间距都比较大，并且随着板厚的增加(冷却速度下降)其增大趋势比较明显。

图6 不同板厚二次枝晶臂间距随时间变化曲线图Figure6 The curve diagram of SDAS changed with time under different steel plate thicknesses

图7 不同板厚二次枝晶臂间距随时间变化曲线图(固液相温度区间)Figure7 The curve diagram of SDAS changed with time under different steel plate thicknesses (solid-liquid phase temperature range)

进一步研究每种板厚在固液相温度区间平均冷却速度与二次枝晶臂间距关系，作出每种板厚截面的二次枝晶臂间距与时间的曲线(取图5中每个截面的中心点进行分析)，如图7所示。

从图7可以看到，试件在固液温度区域冷却刚开始时，没有二次枝晶生成，所以反映在二次枝晶臂间距是其有很长时间的零值，随着温度的降低，二次枝晶开始产生并长大，反映在曲线上二次枝晶臂间距开始有数值并随着时间增多而增大。对比图6整体冷却温度过程，发现在固液相温度区间是二次枝晶生成长大的主要温度区域，其本质为有温度过冷度。随着温度降低到固相线附近，不同板厚二次枝晶长大趋于平稳，表现在曲线上是二次枝晶臂间距数值恒定。可以推断，固相线温度之下二次枝晶臂间距大小不变，另外固液相温度区间二次枝晶臂间距也是随着铸件板厚增大而增大，这与图6整体冷却温度过程二次枝晶臂间距曲线结果吻合的很好。

图8 不同板厚的平均冷却速度与二次枝晶臂间距关系曲线Figure8 The relation curves between average cooling rate and SDAS under different steel plate thicknesses

图9 不同位置点平均冷却速度与二次枝晶臂间距曲线对比图Figure9 The comparison curves between average cooling rate and SDAS at different positions

同时，根据不同板厚固液相温度区间平均冷却速度与对应的中心部位二次枝晶臂间距，可以得到两者之间的函数曲线，如图8所示。

通过对固液相温度区间平均冷却速度与二次枝晶臂间距曲线进行回归分析，得出固液相温度区间冷却速度与二次枝晶臂间距的关系式：

R——平均冷却速度，单位为℃/min。

再进一步，取图5中每个截面中心点两边的点研究其平均冷却速度与二次枝晶臂间距的关系。由于两边对称，故取中心点左边的两个点来进行研究，作出平均冷却速度与二次枝晶臂间距曲线图，如图9所示。

通过分析对比以上曲线图，发现三条曲线的平均冷却速度与二次枝晶臂间距的关系规律基本相同。在靠近散热端的点(15011-603)由于冷却速度高于其他点，所以其二次枝晶臂间距较小，曲线位于最下方。中心点是三个点中冷却速度相对最小的，所以二次枝晶臂间距最大，曲线位于最上方。对于不同厚度试件其任意位置都符合S2=GR-a规律关系，但不包括试件四周的换热边界面，这是因为边界换热界面与空气直接接触冷却，板厚对冷却速度影响不大。

3 结论

(2)通过对试件不同位置截面点的平均冷却速度与二次枝晶臂间距的关系曲线进行对比研究，发现平均冷却速度与二次枝晶臂间距都符合S2=GR-a规律关系，但不包括试件四周的换热边界面。

[1] 王新华.炼钢学[M].北京：高等教育出版社，2007,6.

编辑 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