【摘 要】
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铜及铜合金作为传统有色金属加工材料,因具备优异综合性能被广泛应用在电子电气、交通运输、航空航天等领域。在已有的研究中,通常采用实验与经验相结合的方式来研究铸件的凝固过程,难以做到精确分析,存在试验周期长,精确度不足等缺点。通过计算机辅助,能更准确、有效地对铸件凝固过程进行仿真模拟,调控铸锭微观组织,改善铸件品质,缩短试验周期,降低成本。本文通过ProCAST铸造模拟软件对Cu及Cu-Sn合金在模型
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铜及铜合金作为传统有色金属加工材料,因具备优异综合性能被广泛应用在电子电气、交通运输、航空航天等领域。在已有的研究中,通常采用实验与经验相结合的方式来研究铸件的凝固过程,难以做到精确分析,存在试验周期长,精确度不足等缺点。通过计算机辅助,能更准确、有效地对铸件凝固过程进行仿真模拟,调控铸锭微观组织,改善铸件品质,缩短试验周期,降低成本。本文通过ProCAST铸造模拟软件对Cu及Cu-Sn合金在模型铸造和连续铸造中的凝固过程进行了宏观温度场以及微观组织模拟分析。结合实验研究了在不同冷却速度、浇铸温度和浇铸速度下,Cu及Cu-Sn合金凝固过程中宏观温度场及由温度场变化引起的固/液（S/L）界面变化。通过铸件微观组织模拟,探索了冷却速度、浇铸温度和浇铸速度对铸件微观组织演变的影响规律。研究结果表明:（1）在模铸中,当铸件处于室温中空冷时,铸件微观组织以柱状晶为主,且样品位置越靠上,柱状晶平均尺寸越大;当铸件处于循环水冷却时,铸件微观组织仍以柱状晶为主,但表面细晶与柱状晶之间存在大量细小等轴晶,样品位置越接近顶部,柱状晶平均尺寸越大。与空冷相比,水冷下铸件不同样品间晶粒尺寸差距较小。（2）在连续铸造中,铸坯S/L界面形状及深度主要受浇铸速度的影响,随着浇铸速度的增加,S/L界面形貌被拉长,深度增加。针对不同工艺下S/L界面深度变化规律,对浇铸温度、浇铸速度、S/L界面深度三者进行拟合,得到三者间定量关系。基于不同工艺下铸坯宏观温度场变化,运用元胞自动机—有限元法（CAF（?））对铸坯的微观组织进行了模拟和观察,结果显示随着浇铸温度的增加,铸坯微观组织晶粒尺寸增加;随着浇铸速度增加,铸坯S/L界面被拉长,微观组织中晶粒生长方向由轴向生长变为轴向-径向混合生长,横截面等轴晶组织占比减小,柱状晶占比增加,同时晶粒大小减小。并对不同铸造工艺下S/L界面深度与晶粒尺寸进行拟合,得到了两者间的定量关系,如Φ8 mm纯Cu杆材凝固过程中 S/L 界面深度（x）与晶粒尺寸（y）定量关系公式为（3）将上引连铸中S/L界面深度与铸造工艺间拟合的定量关系应用到真空水平连铸中,通过公式计算得到当浇铸速度为0.1 m/min、0.2m/min、0.3m/min时,纯Cu的S/L界面深度为1.3 mm、4.9 mm、13 mm,模拟值为1.5 mm、3.9 mm、14 mm,二者间误差不超过10%。表明公式适配度较好,可以为其他铜合金真空水平连续铸造凝固组织调控提供一定理论指导。
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