blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-5-327-334blackmet-1895Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВлияние теплофизических характеристик сплава и материала литейной формы на скорость затвердевания отливокInfluence of thermophysical characteristics of alloy and mold material on castings solidification rateПриходькоО. Г.Prikhod’koO. G.

к.т.н., доцент кафедры менеджмента качества и инноваций

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Quality Management and Innovation

Novokuznetsk, Kemerovo Region

prihodko_og@rambler.ruДеевВ. Б.DeevV. B.

д.т.н., ведущий эксперт кафедры обработки металлов давлением

119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

Dr. Sci. (Eng.), Leading Expert of the Chair of Metal Forming

Moscow

deev.vb@mail.ruПрусовЕ. С.PrusovE. S.

к.т.н., доцент кафедры технологии функциональных и конструкционных материалов

600000, Владимир, ул. Горького, 87

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Functional and Structural Materials Technology

Vladimir

eprusov@mail.ruКуценкоА. И.KutsenkoA. I.

к.т.н., доцент кафедры менеджмента качества и инноваций

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Quality Management and Innovation

Novokuznetsk, Kemerovo Region

aik_mail@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхРоссияVladimir State University named after Alexandr Grigor’evich and Nikolai Grigor’evich StoletovRussian Federation202001072020635327334Copyright © Приходько О.Г., Деев В.Б., Прусов Е.С., Куценко А.И., 20202020Приходько О.Г., Деев В.Б., Прусов Е.С., Куценко А.И.Prikhod’ko O.G., Deev V.B., Prusov E.S., Kutsenko A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1895

Получение отливок заданного качества является основной задачей литейного производства. Одним из этапов технологии литья является затвердевание расплава в форме. При изучении процесса затвердевания отливок необходимо максимально полно учитывать все особенности теплообмена между отливкой и формой. Рассмотрено влияние различных теплофизических параметров сплава и материала литейной формы на формирование отливки. При анализе использованы оригинальные математические модели для расчета коэффициента и времени полного затвердевания отливок в песчано-глинистой и металлической формах, которые учитывает геометрические параметры отливки, основные теплофизические параметры металла отливки и материала формы, условия теплообмена на фронте кристаллизации, на границе отливка – форма и на поверхности формы. Проведен анализ зависимости времени и скорости затвердевания отливок от теплофизических параметров: теплоемкости, плотности, теплопроводности материала отливки и формы, удельной теплоты кристаллизации металла. Аккумулирующая способность и процесс аккумуляции тепла достаточно полно характеризуются значением коэффициента аккумуляции тепла. Коэффициент теплоаккумуляции практически определяет интенсивность потери тепла отливкой, что играет решающую роль в процессе формирования ее свойств. Поэтому этот параметр выбран для комплексного анализа характера тепловых процессов, протекающих в отливке и форме. Рассмотрено влияние толщины и коэффициента теплопроводности слоя кокильной краски на затвердевание отливок в металлических формах. Представлены основные расчетные формулы и исходные данные, используемые для расчета. Вычисления проведены для отливок типа бесконечная плита, бесконечный цилиндр, шар. Результаты проведенного моделирования параметров процесса затвердевания приведены в графическом виде. На примере различных сплавов расчетным путем показано, что при изменении состава и свойств материала формы можно изменять время и скорость затвердевания сплавов в широком диапазоне. При этом происходит управление процессами формирования структуры и свойств отливок.

Obtaining castings of given quality is the main task of foundry production. One of the stages of casting technology is solidification of melt in the mold. When studying the process of castings solidification, it is necessary to fully take into account all the features of heat transfer between casting and mold. Influence of various thermophysical parameters of alloy and mold material on casting formation is considered. In the analysis, original mathematical models were used to calculate the coefficient and time of complete solidification of castings in sand-clay and metal forms. These models take into account geometric parameters of casting, main thermophysical parameters of casting metal and mold material, heat transfer conditions at crystallization front, on casting-mold boundary and on the mold surface. Analysis of dependence of time and rate of castings solidification on thermophysical parameters (heat capacity, density, heat conductivity of casting material and mold, specific heat of metal crystallization) was carried out. Storage capacity and process of heat storage are quite fully characterized by the value of heat storage coefficient. This coefficient practically determines the rate of heat loss by the casting which plays a decisive role in its properties forming. Therefore, this parameter is selected for a comprehensive analysis of thermal processes occurring in casting and mold. The influence of thickness and thermal conductivity of chill paint layer on solidification of castings in metal molds is considered. The basic calculation formulas and initial data are presented. Calculations were carried out for castings of the following types: endless plate, endless cylinder, ball. The results of simulation of solidification process parameters are presented in graphic form. Using various alloys as an example, it has been shown by calculation that when changing composition and properties of mold material, it is possible to change time and speed of alloys solidification in a wide range. In this case, processes of forming the structure and properties of castings are controlled.

отливкавремя затвердеваниякоэффициент затвердеванияусловия теплообменакоэффициент теплоаккумуляциипесчано-глинистая формаcastingsolidification timesolidification coefficientheat transfer conditionsheat storage coefficientsand-clay formИсследования проводили в рамках Российского научного фонда (проект № 19-79-30025).ReferencesStefanescu D.M. Science and Engineering of Casting Solidification. 3 rd ed. – Switzerland: Springer International Publishing, 2015. – 559 p.Stefanescu D.M. Science and Engineering of Casting Solidification. 3 rd ed. Switzerland: Springer International Publishing, 2015, 559 p.Kostryzhev A.G., Slater C.D., Marenych O.O., Davis C.L. Effect of solidification rate on microstructure evolution in dual phase microalloyed steel // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. Article 35715.Kostryzhev A.G., Slater C.D., Marenych O.O., Davis C.L. Effect of solidification rate on microstructure evolution in dual phase microalloyed steel. Scientific Reports. 2016, vol. 6, article 35715.Cai Z., Zhang C., Wang R., Peng C., Qiu K., Wang N. Effect of solidification rate on the coarsening behavior of precipitate in rapidly solidified Al – Si alloy // Progress in Natural Science: Materials International. 2016. Vol. 26. No. 4. P. 391 – 397.Cai Z., Zhang C., Wang R., Peng C., Qiu K., Wang N. Effect of solidification rate on the coarsening behavior of precipitate in rapidly solidified Al–Si alloy. Progress in Natural Science: Materials International. 2016, vol. 26, no. 4, pp. 391–397.Xu C., Du R., Wang X., Hanada S., Yamagata H., Wang W., Ma C. Effect of cooling rate on morphology of primary particles in Al – Sc – Zr master alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. No. 7. P. 2420 – 2426.Xu C., Du R., Wang X., Hanada S., Yamagata H., Wang W., Ma C. Effect of cooling rate on morphology of primary particles in Al–Sc–Zr master alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014, vol. 24, no. 7, pp. 2420–2426.Deev V.B., Prusov E.S., Shunqi M., Ri E.H., Bazlova T.A., Temlyantsev M.V., Smetanyuk S.V., Ponomareva S.V., Vdovin K.N. The influence of the melt cooling rate on shrinkage behaviour during solidification of aluminum alloys // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 537. No. 2. Article 022080.Deev V.B., Prusov E.S., Shunqi M., Ri E.H., Bazlova T.A., Temlyantsev M.V., Smetanyuk S.V., Ponomareva S.V., Vdovin K.N. The influence of the melt cooling rate on shrinkage behaviour during solidification of aluminum alloys. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019, vol. 537, no. 2, article 022080.Jabbari M., Davami P., Varahram N. Effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of gray cast iron // Materials Science and Engineering: A. 2010. Vol. 528. No. 2. P. 583 – 588.Jabbari M., Davami P., Varahram N. Effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties of gray cast iron. Materials Science and Engineering: A. 2010, vol. 528, no. 2, pp. 583–588.Brionne G, Loucif A, Zhang CP, Lapierre-Boire LP, Jahazi M. 3D FEM simulation of the effect of cooling rate on SDAS and macrosegregation of a high strength steel // Materials Science Forum. 2018. No. 941. P. 2360 – 2364.Brionne G, Loucif A, Zhang CP, Lapierre-Boire LP, Jahazi M. 3D FEM simulation of the effect of cooling rate on SDAS and macrosegregation of a high strength steel. Materials Science Forum. 2018, no. 941, pp. 2360–2364.Ali M., Porter D., Kömi J., Eissa M., El Faramawy H., Mattar T. Effect of cooling rate and composition on microstructure and mechanical properties of ultrahigh-strength steels // Journal of Iron and Steel Research International. 2019. No. 26. P. 1350 – 1365.Ali M., Porter D., Kömi J., Eissa M., El Faramawy H., Mattar T. Effect of cooling rate and composition on microstructure and mechanical properties of ultrahigh-strength steels. Journal of Iron and Steel Research International. 2019, no. 26, pp. 1350–1365.Jia L., Yu L., Sun W., Zhang W., Fang L., Feng Q., Guo S., Hu Z. Effect of solidification rates on microstructures and segregation of IN718 alloy // Chinese Journal of Materials Research. 2010. Vol. 24. No. 2. P. 118 – 122.Jia L., Yu L., Sun W., Zhang W., Fang L., Feng Q., Guo S., Hu Z. Effect of solidification rates on microstructures and segregation of IN718 alloy. Chinese Journal of Materials Research. 2010, vol. 24, no. 2, pp. 118–122.Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification. Taylor & Francis Group, CRS Press, 2009. – 621 p.Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification. Taylor & Francis Group, CRS Press, 2009, 621 p.Ciesielski M., Mochnacki B. Comparison of approaches to the numerical modelling of pure metals solidification using the control volume method // International Journal of Cast Metals Research. 2019. Vol. 32. No. 4. P. 213 – 220.Ciesielski M., Mochnacki B. Comparison of approaches to the numerical modelling of pure metals solidification using the control volume method. International Journal of Cast Metals Research. 2019, vol. 32, no. 4, pp. 213–220.Shahane S., Aluru N., Ferreira P., Kapoor S.G., Vanka S.P. Finite volume simulation framework for die casting with uncertainty quantification // Applied Mathematical Modelling. 2019. Vol. 74. P. 132 – 150.Shahane S., Aluru N., Ferreira P., Kapoor S.G., Vanka S.P. Finite volume simulation framework for die casting with uncertainty quantification. Applied Mathematical Modelling. 2019, vol. 74, pp. 132–150.Hirata N., Anzai K. Heat transfer and solidification analysis using adaptive resolution particle method // Materials Transactions. 2019. Vol. 60. No. 1. P. 33 – 40.Hirata N., Anzai K. Heat transfer and solidification analysis using adaptive resolution particle method. Materials Transactions. 2019, vol. 60, no. 1, pp. 33–40.Wang H., Liu F., Yang G., Zhou Y. Modeling the overall solidification kinetics for undercooled single-phase solid-solution alloys. I. Model derivation // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 16. P. 5402 – 5410.Wang H., Liu F., Yang G., Zhou Y. Modeling the overall solidification kinetics for undercooled single-phase solid-solution alloys. I. Model derivation. Acta Materialia. 2010, vol. 58, no. 16, pp. 5402–5410.Zhu M., Zhang L., Zhao H., Stefanescu D.M. Modeling of microstructural evolution during divorced eutectic solidification of spheroidal graphite irons // Acta Materialia. 2015. Vol. 84. P. 413 – 425.Zhu M., Zhang L., Zhao H., Stefanescu D.M. Modeling of microstructural evolution during divorced eutectic solidification of spheroidal graphite irons. Acta Materialia. 2015, vol. 84, pp. 413–425.Wang T., Wei J., Wang X., Yao M. Progress and Application of Microstructure simulation of alloy solidification // Acta Metallurgica Sinica. 2018. Vol. 54. No. 2. P. 193 – 203.Wang T., Wei J., Wang X., Yao M. Progress and application of microstructure simulation of alloy solidification. Acta Metallurgica Sinica. 2018, vol. 54, no. 2, pp. 193–203.Разработка методики расчета времени и коэффициента затвердевания отливок в песчано-глинистых формах / В.Б. Деев, О.Г. Приходько, Е.С. Прусов, Е.В. Протопопов, М.В. Темлянцев, А.И. Куценко, Mei Shunqi, Э.Х. Ри, С.В. Сметанюк, К.В. Пономарева, Г.Н. Гаврилов. – В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия – 2019: Труды XXI Международной научно-практической конференции, 23-24 октября 2019 г. Ч. 1. – Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2019. С. 139 – 146.Deev V.B., Prikhod’ko O.G., Prusov E.S., Protopopov E.V., Temlyantsev M.V., Kutsenko A.I., Mei Shunqi, Ri E.Kh., Smetanyuk S.V., Ponomareva K.V., Gavrilov G.N. Development of methodology for calculating time and solidification coefficient of castings in sandy-clay forms. In: Metallurgiya: tekhnologii, innovatsii, kachestvo. Metallurgiya – 2019: Trudy XXI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 23-24 oktyabrya 2019 g. Ch. 1 [Metallurgy: Technology, Innovation, Quality. Metallurgy – 2019: Proceedings of the XXI Int. Sci. and Pract. Conf., October 23-24, 2019. Part 1]. Novokuznetsk: ITs SiBGIU, 2019, pp. 139–146. (In Russ.).Разработка методики расчета времени затвердевания отливок и слитков в металлической форме / В.Б. Деев, О.Г. Приходько, Е.С. Прусов, Е.В. Протопопов, М.В. Темлянцев, А.И. Куценко, Mei Shunqi, Э.Х. Ри, Т.А. Базлова, С.В. Сметанюк, А.А. Сокорев. – В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество. Металлургия – 2019: Труды XXI Международной научно-практической конференции, 23-24 октября 2019 г. Ч. 1. – Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2019. С. 146 – 151.Deev V.B., Prikhod’ko O.G., Prusov E.S., Protopopov E.V., Temlyantsev M.V., Kutsenko A.I., Mei Shunqi, Ri E.Kh., Bazlova T.A., Smetanyuk S.V., Sokorev A.A. Development of methodology for calculating solidification time of castings and ingots in metal form. In: Metallurgiya: tekhnologii, innovatsii, kachestvo. Metallurgiya 2019: Trudy XXI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 23-24 oktyabrya 2019 g. Ch. 1 [Metallurgy: Technology, Innovation, Quality. Metallurgy - 2019: Proceedings of the XXI Int. Sci. and Pract. Conf., October 23-24, 2019. Part 1]. Novokuznetsk: ITs SiBGIU, 2019, pp. 146–151. (In Russ.).Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. – М.: Машгиз, 1960. – 436 с.Veinik A.I. Teoriya zatverdevaniya otlivki [Theory of casting solidification]. Мoscow: Mashgiz, 1960, 436 p. (In Russ.).Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 1. Тепловые основы теории литья. Затвердевание и охлаждение отливки. – М.: Машиностроение, 1976. – 328 с.Balandin G.F. Osnovy teorii formirovaniya otlivki. Ch. 1. Teplovye osnovy teorii lit’ya. Zatverdevanie i okhlazhdenie otlivki [Fundamentals of the theory of casting formation. Part 1. Thermal foundations of casting theory. Solidification and cooling of casting]. Мoscow: Mashinostroenie, 1976, 328 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.