雙輥薄帶鑄軋純鋁凝固組織模擬與性能分析

孫振軍，侯志輝，呂征

（河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

雙輥薄帶連鑄技術(shù)是將金屬液注入兩個(gè)反向選旋轉(zhuǎn)輥間，經(jīng)冷卻、凝固、軋制成形，實(shí)現(xiàn)工藝低成本、高效率、短流程。本課題利用雙輥鑄軋機(jī)制備2mm厚純鋁薄帶，應(yīng)用急停工藝（E-Stop）獲得熔池區(qū)鋁凝固組織，分析其枝晶樣貌、取向以及演化機(jī)理。運(yùn)用CAFE模塊建立雙輥薄帶連鑄純鋁織構(gòu)演化模型，檢驗(yàn)工藝參數(shù)對(duì)純鋁凝固組織分布、演變影響。

1 模擬原理及方法

1.1 異質(zhì)形核模型

式中：d(ΔT)為單位過冷度；ΔTσ為型核過冷度標(biāo)準(zhǔn)差；ΔTmax為平均形核過冷度；nmax為最大型核密度。

1.2 KGT模型

枝晶尖端生長受到熱力學(xué)過冷度ΔTt、溶質(zhì)中相關(guān)成分過冷度ΔTc、固液界面曲率過冷度ΔTr以及動(dòng)力學(xué)過冷度ΔTk影響。整體過冷度ΔT=ΔTc+ΔTk+ΔTr+ΔTt。對(duì)KGT模型進(jìn)行擬合、修正，得到枝晶尖端生長速度多項(xiàng)式：

式中，a2、a3為晶粒生長系數(shù)；ΔT為枝晶尖端過冷度。

1.3 模擬參數(shù)設(shè)置

材料為純鋁，鑄軋速度v=12m·min-1，澆注溫度=690℃，帶厚hb=2mm，純鋁與輥傳熱系數(shù)ht=2500W·m-2·℃-1。體形核率NMax=4×10121·m-3，面形核率GMax=9×10101·m-3，體形核過冷度方差=1K，面形核過冷度方差=1.5K，平均體形核過冷度=1K，平均面形核過冷度=15K。

2 實(shí)驗(yàn)過程

采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)φ265×160雙輥薄帶鑄軋機(jī)。將坩堝內(nèi)純鋁加熱融化至690℃，并保溫20min，將純鋁溶液澆注，軋制出2mm純鋁薄帶，使用E-Stop（急停）工藝獲得鑄輥熔池區(qū)純鋁凝固組織。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏微觀組織特性

雙輥薄帶連鑄純鋁熔池區(qū)凝固組織樣貌如圖1a。鋁溶液與鑄輥表面接觸，兩者形成較大溫度差導(dǎo)致鑄輥表面形成激冷層區(qū)，提升形核率，因此鑄輥表面形成細(xì)小、大量等軸晶。枝晶具有擇優(yōu)生長特性，即<001>取向生長，晶粒間存在競(jìng)爭(zhēng)生長特性，與溫度梯度偏離角較大晶粒被淘汰，晶粒取向趨于一致。隨凝固進(jìn)行，等軸晶逐漸演化成柱狀晶，枝晶生長速率與枝晶尖端前沿速率有關(guān)，枝晶尖端前沿冷卻越高，枝晶生長速度越快，熔體中垂直于鑄輥表面方向溫度梯度最大，因此該方向晶粒生長速度最快，促進(jìn)柱狀晶形成。柱狀晶生長至熔體芯部后停止生長。

如圖1b，凝固組織形態(tài)與生長趨勢(shì)基本相符，從晶粒域分布、樣貌、演變來看，兩者結(jié)果情況基本吻合，驗(yàn)證CAFE模型正確性。

圖1 結(jié)晶輥熔池區(qū)純鋁凝固組織

3.2 澆注溫度對(duì)枝晶生長規(guī)律影響

基于CAFE數(shù)學(xué)模型，模擬不同澆注溫度下熔池區(qū)凝固組織樣貌。如圖2，隨鋁溶液澆注溫度上升，鑄輥兩側(cè)表面等軸晶區(qū)晶粒細(xì)小，柱狀晶區(qū)所占比例降低，柱狀晶隨澆注溫度上升體積減小。澆注溫度上升會(huì)降低熔池Kiss點(diǎn)高度，減少鑄輥表面與Kiss點(diǎn)距離，使柱狀晶區(qū)生長空間降低，枝晶間距縮短，所占比例。

圖2 不同澆注溫度晶粒組織

4 結(jié)語

利用雙輥薄帶鑄軋機(jī)獲得純鋁凝固組織。組織兩側(cè)表面存在大量、細(xì)小等軸晶，晶粒延<001>取向擇優(yōu)生長且數(shù)目降低，最終演化為柱狀晶。利用CAFE數(shù)學(xué)模型，模擬雙輥薄帶連鑄熔池區(qū)凝固組織樣貌，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。Kiss點(diǎn)位置影響晶粒細(xì)化，Kiss位置點(diǎn)下降，枝晶半徑減小，柱狀晶比例降低。