D0I:10.13374/i.i8sm1001t153.2011.08.017 第33卷第9期 北京科技大学学报 Vol 33 No 9 2011年9月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Sep 2011 对22 CrMoH连铸坯微观组织及合金元素影响的数 值模拟 白李国) 刘海英)张延玲)*缪新德)阮小江) 1)北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室，北京1000832)江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏214429 *通信作者，Email hangyanling metall ust ed:cm 摘要利用移动边界法得到22CMH连铸坯凝固过程中的温度场，在此基础上采用元胞自动机~有限元(CAFE)法对 22CMH齿轮钢连铸坯的微观组织进行数值模拟，模拟结果与实际样品微观组织形貌基本吻合：探讨了Cr Ma S和Mn等合 金元素含量对铸坯微观组织的影响趋势.结果表明，在该钢号规定的范围内，适当提高SiM元素含量能够提高等轴晶比例， 使晶粒数目增加，晶粒平均半径减小：M含量的提高能够明显增加形核数量；适当减少C含量有助于提高等轴晶的比例，但 对晶粒数目和尺寸影响较小.对22CMH钢中合金元素进行优化调整结果显示，连铸坯凝固组织得到了明显改善，等轴晶的 比例提高近1倍，晶粒数目提高了19.969%，晶粒平均半径减小9.20%. 关键词齿轮钢；合金元素；连铸坯：微观组织：数值方法；计算机模拟 分类号TF777.2 Num erical sm ulation of them icrostructure of 22C rM oH billets and the effects of a lloy ing elem en ts BAI Li guo,LIU Haiying,ZHANG Yan-ling,MIAO X in de,RUAN Xiao-jiang) 1)State Key Laboratory for Advanced Metallugy University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China 2)Jiangyn X ingcheng Special SteelCo Ld,Jiangsu 214429.China *Coresponding author Email hangyanlinge metall ustb edu cn ABSTRACT The temperature filed of 22CM d billets in continuous casting was smulated by using a moving boundary method Based on a CAFE celllar autanaton-finite elment analysis)approach the m icrostnucture of 22C M oH billets was obtained and it agrees reasonably well with expermnental data The effects of alboying elments such as Cr Mo Si and Mn on the m icrostructure of 22C M oH billets were sudied The results suggested that w ithin the specified scope of the 22C MoH grade w ith the contents of Si and Mn increasing the proportion of equiaxed grains increased and the number of grains raised hence the average radius reduced The increased content of Mo tends to enhance the fomation of nuclei and a proper decrease ofCr elem ent is conducive to raise the ratio of equiaxed grains while has little nfluence on the number and average radus of grains Fnally the contents of Cr Mo Si and Mn in 22C M oH steel was optin ized and the sinulated results show that the m icrostmucture of 22CMo billets is greatly iproved the pro- portion of equiaxed grains becames near double the number of grains increases by 19.96%,and the average gran radius decreases by 9.20%. KEY WORDS gear steels alloying elements billets m icrostructures numericalmethods computer sinulation 齿轮钢是重要的汽车用钢，为了有效提高齿轮 液凝固过程中晶粒的形核和长大等行为，进而对铸 钢的强度和韧性，改善其热加工性能，常常加入Cx 坯凝固组织产生重要影响，铸坯凝固组织形态是决 Ma Ni Ti和S等合金元素，这类合金元素能够 定其内部质量的基础，对产品成分均匀性、淬透性以 引起钢液固相线、液相线温度的变化，直接影响到钢 及带状组织等质量缺陷均具有重要影响，从目前研 收稿日期：2010-09-20 基金项目：中国博士后基金资助项目(20100470005)第 33卷 第 9期 2011年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．33Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2011 对 22ＣｒＭｏＨ连铸坯微观组织及合金元素影响的数 值模拟 白李国 1） 刘海英 2） 张延玲 1）* 缪新德 2） 阮小江 2） 1） 北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室‚北京 100083 2） 江阴兴澄特种钢铁有限公司‚江苏 214429 * 通信作者‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙａｎｌｉｎｇ＠ｍｅｔａｌｌ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 摘 要 利用移动边界法得到 22ＣｒＭｏＨ连铸坯凝固过程中的温度场‚在此基础上采用元胞自动机--有限元 （ＣＡＦＥ）法对 22ＣｒＭｏＨ齿轮钢连铸坯的微观组织进行数值模拟‚模拟结果与实际样品微观组织形貌基本吻合；探讨了 Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ和 Ｍｎ等合 金元素含量对铸坯微观组织的影响趋势．结果表明‚在该钢号规定的范围内‚适当提高 Ｓｉ、Ｍｎ元素含量能够提高等轴晶比例‚ 使晶粒数目增加‚晶粒平均半径减小；Ｍｏ含量的提高能够明显增加形核数量；适当减少 Ｃｒ含量有助于提高等轴晶的比例‚但 对晶粒数目和尺寸影响较小．对 22ＣｒＭｏＨ钢中合金元素进行优化调整结果显示‚连铸坯凝固组织得到了明显改善‚等轴晶的 比例提高近 1倍‚晶粒数目提高了 19∙96％‚晶粒平均半径减小 9∙20％． 关键词 齿轮钢；合金元素；连铸坯；微观组织；数值方法；计算机模拟 分类号 ＴＦ777∙2 Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ22ＣｒＭｏＨｂｉｌｌｅｔｓａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆ ａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ ＢＡＩＬｉ-ｇｕｏ 1）‚ＬＩＵＨａｉ-ｙｉｎｇ 2）‚ＺＨＡＮＧＹａｎ-ｌｉｎｇ 1）* ‚ＭＩＡＯＸｉｎ-ｄｅ 2）‚ＲＵＡＮＸｉａｏ-ｊｉａｎｇ 2） 1） ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ‚ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100083‚Ｃｈｉｎａ 2） ＪｉａｎｇｙｉｎＸｉｎｇｃｈｅｎｇＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌＣｏ．Ｌｔｄ．‚Ｊｉａｎｇｓｕ214429‚Ｃｈｉｎａ * Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙａｎｌｉｎｇ＠ｍｅｔａｌｌ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｌｅｄｏｆ22ＣｒＭｏＨ ｂｉｌｌｅｔｓｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｍｏｖｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｍｅｔｈｏｄ． ＢａｓｅｄｏｎａＣＡＦＥ （ｃｅｌｌｕｌａｒａｕｔｏｍａｔｏｎ-ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ） ａｐｐｒｏａｃｈ‚ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ22ＣｒＭｏＨｂｉｌｌｅｔｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｉｔ ａｇｒｅｅｓｒｅａｓｏｎａｂｌｙｗｅｌｌｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｓｕｃｈａｓＣｒ‚Ｍｏ‚ＳｉａｎｄＭｎｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ 22ＣｒＭｏＨｂｉｌｌｅｔｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｅｄｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅ22ＣｒＭｏＨｇｒａｄｅ‚ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＳｉａｎｄ Ｍｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ‚ｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ‚ａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｇｒａｉｎｓｒａｉｓｅｄ‚ｈｅｎｃｅｔｈｅａｖｅｒａｇｅｒａｄｉｕｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄｃｏｎｔｅｎｔｏｆＭｏｔｅｎｄｓｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｎｕｃｌｅｉ‚ａｎｄａｐｒｏｐｅｒｄｅｃｒｅａｓｅｏｆＣｒｅｌｅｍｅｎｔｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｒａｉｓｅｔｈｅｒａｔｉｏｏｆ ｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓｗｈｉｌｅｈａｓｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒａｎｄａｖｅｒａｇｅｒａｄｉｕｓｏｆｇｒａｉｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ‚ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＣｒ‚Ｍｏ‚ＳｉａｎｄＭｎｉｎ 22ＣｒＭｏＨｓｔｅｅｌｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ‚ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ22ＣｒＭｏＨｂｉｌｌｅｔｓｉｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ：ｔｈｅｐｒｏ- ｐｏｒｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓｂｅｃｏｍｅｓｎｅａｒｄｏｕｂｌｅ‚ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｇｒａｉｎｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ19∙96％‚ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｇｒａｉｎｒａｄｉｕｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ 9∙20％． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｇｅａｒｓｔｅｅｌｓ；ａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｂｉｌｌｅｔｓ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ；ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：2010--09--20 基金项目：中国博士后基金资助项目 （20100470005） 齿轮钢是重要的汽车用钢‚为了有效提高齿轮 钢的强度和韧性‚改善其热加工性能‚常常加入 Ｃｒ、 Ｍｏ、Ｎｉ、Ｔｉ和 Ｓｉ等合金元素 ［1］．这类合金元素能够 引起钢液固相线、液相线温度的变化‚直接影响到钢 液凝固过程中晶粒的形核和长大等行为‚进而对铸 坯凝固组织产生重要影响．铸坯凝固组织形态是决 定其内部质量的基础‚对产品成分均匀性、淬透性以 及带状组织等质量缺陷均具有重要影响．从目前研 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2011．09．017