55NiCrMoV7鋼錠均質(zhì)化處理宏觀偏析熱擴(kuò)散元胞自動機(jī)模擬研究

禹興勝　武川　李昌義　石如星　汪雨昌

摘 ?要：文章模擬研究65噸55NiCrMoV7鋼錠均質(zhì)熱處理過程宏觀偏析擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果表明，整個(gè)鋼錠均溫的最短時(shí)間約22小時(shí)。經(jīng)過元胞自動機(jī)1萬模擬步，偏析區(qū)域1.06%濃度減弱至0.6%左右，接近基體濃度0.53%。而鉻元素在相同擴(kuò)散條件下，擴(kuò)散速率較慢，擴(kuò)散效果較差。因此，鉻元素偏析是影響鋼錠均勻化的主要因素。文章研究結(jié)論，為制定均質(zhì)熱處理溫度和時(shí)間提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：55NiCrMoV7模具鋼;均質(zhì)熱處理;宏觀偏析;元胞自動機(jī)

中圖分類號：TP301.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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是一種典型的熱作模具鋼，在高溫條件下具有良好的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和回火穩(wěn)定性，主要用于制造鋁壓鑄模、鋁擠壓模及熱鍛模等[1]。本文提出基于元胞自動機(jī)算法，模擬研究大型鋼錠高溫均質(zhì)處理過程宏觀帶狀偏析擴(kuò)散規(guī)律。研究結(jié)論，為理解偏析的演變規(guī)律，以及制定科學(xué)合理的均質(zhì)溫度和保溫時(shí)間，提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 元素?cái)U(kuò)散數(shù)學(xué)模型

55NiCrMoV7鋼錠內(nèi)部不可避免的出現(xiàn)各類宏觀偏析，如碳、鉻、鎳等元素的晶界或缺陷處偏析。鋼錠在高溫下（高于1250℃）長時(shí)間保溫，在化學(xué)勢差的驅(qū)動下，偏析區(qū)域溶質(zhì)原子會向其它區(qū)域擴(kuò)散，以降低勢能差，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

本文主要模擬二維平面單方向擴(kuò)散，所以上式可簡化為[2]，

上式中，C代表溶質(zhì)濃度，x代表擴(kuò)散距離，D代表擴(kuò)散系數(shù)。對微分方程（1）求解，可以得到不同形式的數(shù)學(xué)通解。其中，高斯解是描述一維擴(kuò)散常用的解。這種解表示為，

上式即可描述不同位置溶質(zhì)濃度隨時(shí)間變化率，S代表擴(kuò)散量。

2 結(jié)果與討論

2.1 55NiCrMoV7鋼錠均質(zhì)化處理時(shí)間確定

本文55NiCrMoV7化學(xué)成分是（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：碳0.53，硅0.22，錳0.81，鎳1.63，鉬0.51，礬0.08，鉻1.18，硫0.0004，磷0.008，其余為鐵。本研究均質(zhì)溫度為1250℃。而均質(zhì)時(shí)間包括鋼錠加熱均溫時(shí)間（t1）和促進(jìn)溶質(zhì)擴(kuò)散時(shí)間（t2）。其中，t1主要基于DEFORM模擬結(jié)果確定，而t2則根據(jù)元胞自動機(jī)模擬偏析溶質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)程來確定。通過模擬結(jié)果看出，65噸55NiCrMoV7鋼錠的加熱均溫時(shí)間大約需要22小時(shí)，如圖1所示。

2.2 55NiCrMoV7鋼錠偏析溶質(zhì)擴(kuò)散元胞自動機(jī)模型建立[3]

本文元胞單元采用規(guī)則的正方形單元，邊界尺寸為2 um×2um，網(wǎng)格數(shù)量1000×1000，采用周期性邊界條件。假定偏析存在區(qū)域是等軸組織，基體組織碳、鉻和鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與材料化學(xué)成分的相同。根據(jù)菲克第二定律，制定元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則。元素?cái)U(kuò)散的驅(qū)動力是不同區(qū)域之間的化學(xué)勢差，而元胞元素濃度變化率是根據(jù)方程（2）計(jì)算。可以看出，各個(gè)元胞濃度變化大小隨著自身位置和時(shí)間的不同而不同，靠近偏析區(qū)域元胞濃度較高，而遠(yuǎn)離偏析區(qū)域較低，甚至沒有變化。圖2所示為建立的碳元素與鉻元素宏觀偏析擴(kuò)散的元胞自動機(jī)模型。

2.3 55NiCrMoV7鋼錠偏析溶質(zhì)擴(kuò)散規(guī)律

圖3是碳元素偏析（1.06%，約為基體的2倍）隨擴(kuò)散時(shí)間的演化規(guī)律。偏析區(qū)域的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，從最初的1.06%經(jīng)過1萬模擬步降低至0.60%，元素分布趨于均勻化。鉻元素宏觀偏析擴(kuò)散過程相對較慢，經(jīng)過相同時(shí)間，其偏析程度仍然嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）元胞自動機(jī)結(jié)果表明，碳濃度1.06%的宏觀偏析，擴(kuò)散步數(shù)增長至1萬步左右，偏析區(qū)域濃度減至0.6%，元素分布趨于均勻;對于鉻或鎳元素偏析，經(jīng)過相同的模擬步，偏析現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重，偏析區(qū)溶質(zhì)濃度達(dá)是基體的1.37倍。

（2）本研究結(jié)論為制定大型鋼錠均質(zhì)化處理溫度和保溫時(shí)間提供了科學(xué)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李延升，侯珂珂，張保林.擴(kuò)散過程的元胞自動機(jī)模擬[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，23（01）：1-4.