鋁雙輥鑄軋過程數(shù)值模擬及工藝因素對純鋁帶坯顯微組織的影響.pdf

1、近十年來，接近于成品尺寸的薄帶雙輥快速鑄軋技術(shù)的研究引起了國際上的極大重視，全面解決其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)是目前冶金及材料領(lǐng)域的一項前沿課題。該技術(shù)不僅可以顯著提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本，在改善鑄軋板帶坯質(zhì)量方面亦具有很大潛力。因此，對雙輥快速鑄軋理論及鑄軋過程顯微組織形成機(jī)理進(jìn)行深入研究具有非常重要的意義。 本文通過鑄軋過程系統(tǒng)傳熱特性的分析，建立了雙輥連續(xù)鑄軋過程凝固傳熱的一維瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。在數(shù)學(xué)模型中，首次將晶體

2、生長過程的動力學(xué)條件引入液/固界面控制方程。根據(jù)所建的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地研究了鑄軋輥套材料(鋼輥和銅輥)及鑄軋工藝參數(shù)(鑄軋速度、澆注溫度、鑄軋輥尺寸及環(huán)境溫度等)對鑄軋凝固過程的影響規(guī)律，研究表明：影響凝固進(jìn)程的因素主要有輥套材料的熱物性參數(shù)、鑄軋速度及鑄軋輥直徑。所得結(jié)論為鑄軋鋁帶坯的工藝控制提供了理論依據(jù)。其次，應(yīng)用該數(shù)學(xué)模型可進(jìn)一步深入研究鑄軋區(qū)金屬凝固組織形成機(jī)理。 根據(jù)鑄軋鋁帶坯具有高溫粘塑性變形特點，應(yīng)用流體力學(xué)理論

3、，建立了鑄軋變形區(qū)金屬流體流動速度、應(yīng)變速率和壓力分布的近似解析數(shù)學(xué)模型。該模型不僅有助于了解鑄軋變形過程中金屬的流動狀態(tài)，還能為流變應(yīng)力的計算提供條件，從而為鑄軋過程鋁帶坯的顯微組織演變機(jī)理的研究打下基礎(chǔ)。 在實驗室小型鑄軋機(jī)和工業(yè)鑄軋機(jī)上進(jìn)行了2～6mm純鋁帶坯的大量鑄軋試驗，利用金相顯微鏡和透射電鏡對鑄軋純鋁帶坯進(jìn)行了微觀組織觀察和分析，并對純鋁帶坯進(jìn)行了力學(xué)性能試驗。試驗結(jié)果表明，對于銅和鋼兩種輥套材料，在鑄軋速度較低時

4、，鋁帶坯的凝固組織均為粗大的柱狀晶，隨著鑄軋速度的提高，鋁帶坯的凝固組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，以至于快速鑄軋鋁帶坯在厚度方向均為等軸晶組織。并且隨著鑄軋速度的提高、鋁帶坯厚度的減小，晶粒尺寸減小，鋁帶坯的力學(xué)性能和深沖性能顯著提高。在鋁熔體中加入Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑，在不同鑄軋速度下均可獲得等軸晶組織，但快速鑄軋薄鋁帶坯的晶粒明顯細(xì)化。在薄鋁帶坯的鑄軋過程中，由于外摩擦和變形區(qū)形狀因子的作用，使得鋁帶坯沿厚度方向的變形不均勻，造成亞

5、結(jié)構(gòu)和再結(jié)晶等顯微組織沿厚度方向的分布也不均勻，在薄鋁帶坯表層金屬中形成部分再結(jié)晶組織，而鋁帶坯中心仍然為變形組織。 本文首次對雙輥鑄軋過程中純鋁的凝固行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明，在鋁熔體中沒有添加晶粒細(xì)化劑時，雙輥鑄軋過程中液態(tài)鋁的凝固形核機(jī)制主要是鋁熔體在鑄軋輥表面的非自發(fā)形核，其形核能力取決于輥套表面結(jié)構(gòu)和輥套的冷卻能力。由于銅與鋁的晶格類型相同、晶格常數(shù)相近，并且具有較強(qiáng)的冷卻能力，因而鋁熔體在銅輥表面上具有較高的形核

6、能力，可以獲得比鋼輥細(xì)小的晶粒組織。鋁帶坯的凝固組織不僅與鋁熔體在輥表面的形核能力有關(guān)，還取決于與工藝因素相關(guān)的外場條件。當(dāng)鑄軋速度較低時，金屬流體在熔池中的流動呈層流狀態(tài)，流動較平穩(wěn)，晶核不容易從輥表面游離出來，而較快地連接成凝固殼，晶體以粗大柱狀晶形式生長；隨著鑄軋速度的提高，液/固界面的溫度梯度增大，界面穩(wěn)定性提高，界面由非平界面向平界面轉(zhuǎn)變，在鋁帶坯中心出現(xiàn)分凝面；當(dāng)鑄軋速度達(dá)到一定值后，金屬流體的流動由層流向紊流轉(zhuǎn)變，液/固界

7、面前沿的溫度場混亂，界面穩(wěn)定性降低，使得鋁帶坯中心產(chǎn)生細(xì)小等軸晶組織。另外，澆注溫度較高時，液/固界面前沿的過冷區(qū)縮小，過熱區(qū)增大，不利于等軸晶的形成。 根據(jù)鋁帶坯溫度場及應(yīng)變速率場的計算結(jié)果，在Gleeble1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行了3種應(yīng)變速率下純鋁材料的熱模擬試驗，變形后試樣的顯微組織與相同熱力學(xué)參數(shù)條件下的鋁帶坯組織相似。研究結(jié)果表明：純鋁熱變形過程中能否發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶取決于熱力學(xué)Z參數(shù)，Z是與變形速率和變形溫度相關(guān)的參數(shù)