Влияние теплофизических характеристик сплава и материала литейной формы на скорость затвердевания отливок

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.

отливка, время затвердевания, коэффициент затвердевания, условия теплообмена, коэффициент теплоаккумуляции, песчано-глинистая форма

1. Stefanescu D.M. Science and Engineering of Casting Solidification. 3 rd ed. – Switzerland: Springer International Publishing, 2015. – 559 p.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification. Taylor & Francis Group, CRS Press, 2009. – 621 p.

11. 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.

12. 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.

13. Hirata N., Anzai K. Heat transfer and solidification analysis using adaptive resolution particle method // Materials Transactions. 2019. Vol. 60. No. 1. P. 33 – 40.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. – М.: Машгиз, 1960. – 436 с.

20. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 1. Тепловые основы теории литья. Затвердевание и охлаждение отливки. – М.: Машиностроение, 1976. – 328 с.