Cu-Ni合金凝固過程中的宏觀偏析模擬

宋虎 趙海斌

中國工程物理研究院材料研究所 四川 江油 621907

引言

在壓鑄、擠壓鑄造、差壓鑄造、半固態鑄造等加壓鑄造成形的產品中，都可見到不同程度的成分偏析。因材料特性、加壓方式和工件幾何特征不同，偏析類型有正常偏析、反偏析和混合偏析多種[1]。鑄造鑄錠中的合金元素偏析，包括微觀和宏觀偏析，是一種組織缺陷，也是造成鑄錠乃至產品組織性能不均的重要原因[2]。Al5Cu0.4Mn合金宏觀偏析，在擠壓鑄造過程中，Cu宏觀偏析影響由大到小依次為澆注溫度，模具溫度，擠壓力和擠壓前延遲時間；在680 ℃澆注溫度，200 ℃模具溫度和75MPa擠壓力下，能得到宏觀偏析較小的鑄件。而擠壓鑄造易造成Cu的正偏析，主要因為固液界面前沿處富銅液相在壓力的強制補縮下，通過枝晶骨架通道被擠向鑄件心部，而并非重力鑄造下的逆偏析現象[3]。在廢銅回收中，鑄坯下表面處銅含量最低，從下到上其含量逐漸增加，在距離鑄坯底部約30mm處，銅含量有一個明顯的增加，而后一直到鑄坯的頂部，其變化幅度很小。鑄坯下表面處鉛含量最高，而后呈快速下降的變化規律，在20mm內下降了約1.1%，再向鑄坯的頂部變化時，總體上分布比較均勻，在130mm內，最大波動約為0.21%[4]。由此可見元素偏析不管是在擠壓或者是重力鑄造條件下都是普遍存在的，鑄件的成分組織不均勻會影響工件的使用壽命以及帶來各種質量問題，因此研究偏析現象是值得重視的。本文采用Cu-Ni合金為模擬對象，模擬了鑄錠在冷卻凝固過程中合金元素的再分配以及凝固時間，有益于對成分控制的理解。

1 理論模型

本文采用Anycasting鑄造軟件計算Cu-Ni合金凝固過程中的宏觀偏析，該軟件采用連續介質模型，其連續性方程、動量方程、能量方程、溶質傳輸方程的張量形式如下：

連續性方程：

動量方程：

動量方程中沿重力方向的體積力項為：

能量方程：

溶質傳輸方程：

糊狀區視為多孔介質，滲透率模型采用Kozeny-Carman方程描述：

式中：λ2為二次枝晶臂間距，gl為液相的體積分數。

2 仿真模型

采用UG建立3D物理模型，模型及網格如圖1所示。由于模型為軸對稱結構，采用1/4模型計算。

圖1 模型及網格劃分

澆注速率取20(cm/s)，模具溫度設置為25℃，澆注溫度為1500℃。其中Ni的固相密度8.9g/cm3，液相密度取8.02g/cm3，Cu的固相密度取8.96g/cm3，液相密度取8.04g/cm3，界面換熱系數取2000(W/(m2·K))，輻射系數取0.8，平衡分配系數為1.7。

3 計算結果及分析

利用軟件后處理程序anyPOST分析合金化過程的充型過程及溫度場變化，如圖2所示?？梢钥闯?，鑄造充型平穩，金屬液充入型腔后與鑄錠內壁接觸，發生激冷并迅速凝固。隨著凝固的進行，冷卻速度逐漸減慢，凝固速度下降，在279s后完全凝固。

圖2 充型溫度場

在不同時刻鑄錠中溶質分布如圖3所示。在凝固初期，金屬液受激冷作用迅速凝固，溶質擴散受限，因此激冷區的Ni成分分布較為均勻（20s時）。隨著凝固進行，激冷作用減弱，等軸晶轉變為柱狀晶快速生長，柱狀晶尖端排出的溶質來不及在對流和擴散的作用下傳輸到液相中，導致凝固前沿的溶質富集（36s時）。隨著凝固進行，溫度梯度減小，對流作用增強，凝固前沿富集的溶質隨液流傳輸到其他區域，導致凝固前沿的濃度有所回升，并在凝固過程中保持相對穩定，鑄件完全凝固前，對流作用逐漸減弱，在最后凝固區域形成較大的貧Ni區（219s時）。

圖3 不同時刻鑄錠的凝固區域及Ni成分

4 結束語

采用anycating軟件模擬了Cu-Ni（名義成為分Ni6.5%）合金的鑄錠澆注凝固過程，結果表明鑄錠表層與底部的Ni成分較中心區域高，凝固初期底部中心的Ni成分偏低，隨著凝固過程的進行，Ni元素含量逐漸升高，凝固完成后形成富Ni區域。