20CrMnTi连铸瞬态与平均冷速条件下凝固原位观察

宽阔的淬透性带和大规模的高山沉淀物严重危及20CrMnTi齿轮钢的产品质量。其控制的关键基础是掌握连铸过程中凝固组织演变的行为机理。传统的高温铸造现场观察通常将冷却速率设定为一个固定值，不能有效地反映连铸凝固过程中冷却速率的变化。因此，本研究以20CrMnTi的mm小方坯160mm160为研究对象。首先，通过二维薄片凝固传热计算，确定了内弧面以下20、40和60巴膏体区的热历史、瞬态和平均冷却速率，然后设计了HT CSLM试验的加热和冷却方案。揭示了20CrMnTi合金在不同冷却条件下的凝固过程、晶粒长大动力学和包晶相变机理。最后，通过电子探针分析（EPMA）考察了冷却条件对凝固组织尺寸的影响。结果表明，由于凝固潜热的补偿，内弧下20, 40和60的初始凝固阶段的冷却速率较小，中后期凝固逐渐增加，且进入坯料的深度越深，其冷却速度越明显。这些位置的平均冷却速率分别为102.81、44.63和34.93/min。晶粒首先从钢液中析出，其平均长大速率随冷却速率的增加而增加。在瞬时冷却速率条件下，瞬时生长速率随凝固过程的进行而增加，但在平均冷却速率条件下，瞬时生长速率略有下降。这是因为在瞬态冷却速度的条件下，糊状区的冷却速度从慢变快，从而持续补偿凝固潜热。同时，初始成核数小，生长空间大，溶质过冷度的影响相对较弱。当熔体温度降低到包晶相变时，晶粒迅速转变为晶粒，即发生大规模转变，导致固相率迅速增加，并伴随着一些晶粒的快速聚合。总的来说，包晶相变的临界温度随冷却速率的增加而降低，但也受溶质初始含量的影响。之后，剩余的液相转变为液相，直到完全凝固。晶粒半径随冷却速度的增加而减小，平均冷却速度下的晶粒半径小于瞬态冷却速度下的晶粒半径，这取决于初始凝固阶段的形核数。