55NiCrMoV7鋼錠均質化處理宏觀偏析熱擴散元胞自動機模擬研究

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鋼錠均質熱處理過程宏觀偏析擴散規律。結果表明，整個鋼錠均溫的最短時間約22小時。經過元胞自動機1萬模擬步，偏析區域1.06%濃度減弱至0.6%左右，接近基體濃度0.53%。而鉻元素在相同擴散條件下，擴散速率較慢，擴散效果較差。因此，鉻元素偏析是影響鋼錠均勻化的主要因素。文章研究結論，為制定均質熱處理溫度和時間提供科學指導。

關鍵詞：55NiCrMoV7模具鋼;均質熱處理;宏觀偏析;元胞自動機

中圖分類號：TP301.1 ? ? ? ?文獻標志碼：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度、硬度、沖擊韌性和回火穩定性，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算法，模擬研究大型鋼錠高溫均質處理過程宏觀帶狀偏析擴散規律。研究結論，為理解偏析的演變規律，以及制定科學合理的均質溫度和保溫時間，提供科學指導。

1 元素擴散數學模型

55NiCrMoV7鋼錠內部不可避免的出現各類宏觀偏析，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℃）長時間保溫，在化學勢差的驅動下，偏析區域溶質原子會向其它區域擴散，以降低勢能差，最終達到平衡狀態。

本文主要模擬二維平面單方向擴散，所以上式可簡化為[2]，

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

上式即可描述不同位置溶質濃度隨時間變化率，S代表擴散量。

2 結果與討論

2.1 55NiCrMoV7鋼錠均質化處理時間確定

本文55NiCrMoV7化學成分是（質量分數，%）：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。本研究均質溫度為1250℃。而均質時間包括鋼錠加熱均溫時間（t1）和促進溶質擴散時間（t2）。其中，t1主要基于DEFORM模擬結果確定，而t2則根據元胞自動機模擬偏析溶質擴散進程來確定。通過模擬結果看出，65噸55NiCrMoV7鋼錠的加熱均溫時間大約需要22小時，如圖1所示。

2.2 55NiCrMoV7鋼錠偏析溶質擴散元胞自動機模型建立[3]

本文元胞單元采用規則的正方形單元，邊界尺寸為2 um×2um，網格數量1000×1000，采用周期性邊界條件。假定偏析存在區域是等軸組織，基體組織碳、鉻和鎳質量分數與材料化學成分的相同。根據菲克第二定律，制定元胞轉換規則。元素擴散的驅動力是不同區域之間的化學勢差，而元胞元素濃度變化率是根據方程（2）計算?？梢钥闯?，各個元胞濃度變化大小隨著自身位置和時間的不同而不同，靠近偏析區域元胞濃度較高，而遠離偏析區域較低，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散的元胞自動機模型。

2.3 55NiCrMoV7鋼錠偏析溶質擴散規律

圖3是碳元素偏析（1.06%，約為基體的2倍）隨擴散時間的演化規律。偏析區域的碳質量分數逐漸降低，從最初的1.06%經過1萬模擬步降低至0.60%，元素分布趨于均勻化。鉻元素宏觀偏析擴散過程相對較慢，經過相同時間，其偏析程度仍然嚴重。

3 結論

（1）元胞自動機結果表明，碳濃度1.06%的宏觀偏析，擴散步數增長至1萬步左右，偏析區域濃度減至0.6%，元素分布趨于均勻;對于鉻或鎳元素偏析，經過相同的模擬步，偏析現象仍較為嚴重，偏析區溶質濃度達是基體的1.37倍。

（2）本研究結論為制定大型鋼錠均質化處理溫度和保溫時間提供了科學指導。

參考文獻：

[1]張曜.提升H13熱作模具鋼質量的工藝研究[J].中國金屬通報，2019（01）：132-133.

[2]陳金國，鄭敏利，李鵬飛，等.硬質合金刀具前刀面刀屑粘焊形成及元素擴散理論模型[J].中國有色金屬學報，2019，29（04）：790-802.

[3]李延升，侯珂珂，張保林.擴散過程的元胞自動機模擬[J].河南工程學院學報（自然科學版），2011，23（01）：1-4.