55NiCrMoV7钢锭均质化处理宏观偏析热扩散元胞自动机模拟研究

禹兴胜　武川　李昌义　石如星　汪雨昌

摘  要：文章模拟研究65吨55NiCrMoV7钢锭均质热处理过程宏观偏析扩散规律。结果表明，整个钢锭均温的最短时间约22小时。经过元胞自动机1万模拟步，偏析区域1.06%浓度减弱至0.6%左右，接近基体浓度0.53%。而铬元素在相同扩散条件下，扩散速率较慢，扩散效果较差。因此，铬元素偏析是影响钢锭均匀化的主要因素。文章研究结论，为制定均质热处理温度和时间提供科学指导。

关键词：55NiCrMoV7模具钢;均质热处理;宏观偏析;元胞自动机

中图分类号：TP301.1        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）31-0018-02

Abstract： The macro-segregation behavior in a 65 ton 55NiCrMoV7 ingot was studied. The results show that the shortest time required for the temperature homogeneity among the ingot is 22 hour. The cellular automaton （CA） simulation indicates that the content of carbon element decreases from 1.06% to 0.6%， which is close to the average value of 0.53% in the matrix， when the CA step is 10，000. However， the chromium diffusion is relatively weak. At the same conditions as the carbon diffusion， the diffusion rate is slower and chromium content is still higher than the average value of 1.18%. Thus， the chromium is the controlling element in the macro-segregation diffusion of 55NiCrMoV7 ingot.

Keywords： 55NiCrMoV7 die steel; homogeneous treatment; macro-segregation; cellular automaton

引言

55NiCrMoV7是一种典型的热作模具钢，在高温条件下具有良好的强度、硬度、冲击韧性和回火稳定性，主要用于制造铝压铸模、铝挤压模及热锻模等[1]。本文提出基于元胞自动机算法，模拟研究大型钢锭高温均质处理过程宏观带状偏析扩散规律。研究结论，为理解偏析的演变规律，以及制定科学合理的均质温度和保温时间，提供科学指导。

1 元素扩散数学模型

55NiCrMoV7钢锭内部不可避免的出现各类宏观偏析，如碳、铬、镍等元素的晶界或缺陷处偏析。钢锭在高温下（高于1250℃）长时间保温，在化学势差的驱动下，偏析区域溶质原子会向其它区域扩散，以降低势能差，最终达到平衡状态。

本文主要模拟二维平面单方向扩散，所以上式可简化为[2]，

上式中，C代表溶质浓度，x代表扩散距离，D代表扩散系数。对微分方程（1）求解，可以得到不同形式的數学通解。其中，高斯解是描述一维扩散常用的解。这种解表示为，

上式即可描述不同位置溶质浓度随时间变化率，S代表扩散量。

2 结果与讨论

2.1 55NiCrMoV7钢锭均质化处理时间确定

本文55NiCrMoV7化学成分是（质量分数，%）：碳0.53，硅0.22，锰0.81，镍1.63，钼0.51，矾0.08，铬1.18，硫0.0004，磷0.008，其余为铁。本研究均质温度为1250℃。而均质时间包括钢锭加热均温时间（t1）和促进溶质扩散时间（t2）。其中，t1主要基于DEFORM模拟结果确定，而t2则根据元胞自动机模拟偏析溶质扩散进程来确定。通过模拟结果看出，65吨55NiCrMoV7钢锭的加热均温时间大约需要22小时，如图1所示。

2.2 55NiCrMoV7钢锭偏析溶质扩散元胞自动机模型建立[3]

本文元胞单元采用规则的正方形单元，边界尺寸为2 um×2um，网格数量1000×1000，采用周期性边界条件。假定偏析存在区域是等轴组织，基体组织碳、铬和镍质量分数与材料化学成分的相同。根据菲克第二定律，制定元胞转换规则。元素扩散的驱动力是不同区域之间的化学势差，而元胞元素浓度变化率是根据方程（2）计算。可以看出，各个元胞浓度变化大小随着自身位置和时间的不同而不同，靠近偏析区域元胞浓度较高，而远离偏析区域较低，甚至没有变化。图2所示为建立的碳元素与铬元素宏观偏析扩散的元胞自动机模型。

2.3 55NiCrMoV7钢锭偏析溶质扩散规律

图3是碳元素偏析（1.06%，约为基体的2倍）随扩散时间的演化规律。偏析区域的碳质量分数逐渐降低，从最初的1.06%经过1万模拟步降低至0.60%，元素分布趋于均匀化。铬元素宏观偏析扩散过程相对较慢，经过相同时间，其偏析程度仍然严重。

3 结论

（1）元胞自动机结果表明，碳浓度1.06%的宏观偏析，扩散步数增长至1万步左右，偏析区域浓度减至0.6%，元素分布趋于均匀;对于铬或镍元素偏析，经过相同的模拟步，偏析现象仍较为严重，偏析区溶质浓度达是基体的1.37倍。

（2）本研究结论为制定大型钢锭均质化处理温度和保温时间提供了科学指导。

参考文献：

[1]张曜.提升H13热作模具钢质量的工艺研究[J].中国金属通报，2019（01）：132-133.

[2]陈金国，郑敏利，李鹏飞，等.硬质合金刀具前刀面刀屑粘焊形成及元素扩散理论模型[J].中国有色金属学报，2019，29（04）：790-802.

[3]李延升，侯珂珂，张保林.扩散过程的元胞自动机模拟[J].河南工程学院学报（自然科学版），2011，23（01）：1-4.