автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Предотвращение отбела в отливках на основе термического и численного анализа кристаллизации чугуна с шаровидным графитом

На правах рукописи

П Г Г) О Я 1

1 Рост Юрий Валерьевич

| 5 Д1:Н 1ьСБ

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОТВЕЛА В ОТЛИВКАХ НА ОСНОВЕ ТЕРМИЧЕСКОГО И ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Специальное!I. 05. 16.04. "Литейное протиодство"

АВТОРЕФЕРАТ яиссершции на соискание ученой степени кашшдага технических наук

С. -Петербург - 1996

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном «ехническом университете на кафедре физико-химии литейных сплавов и процессов.

Научный руководитель:

канд. техн. наук, проф. В.М. Голод.

Офиш1алы1ые ошшнешы:

докт. техн. наук, проф. Г.П. Анастасиади;

канд. техн. наук. А.Д. Срыбник.

Ведущая органишция:

Проектно-технологический институт лигейною производства г.Санкт-Пстербург,

Зашита состоится де&с4р<# 19961. в // часов на заседании

диссертационно!о совета Д|)63.3Н.08 в С'анкз-Петербуркком | осуларственном техническом университете:

по адресу: 195251, г. С. Пе1ербур|, ул. Полиюхничсская, 29, СПбГГУ, химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ошакомкгься в фундамешальной биГинкмскс С "11Г>1*ГУ

Отсывы на авторсфера! в двух жзсмплирах, заверенные к-рбовой псча1ьк> организации, просим направлжь по укашшюму выше адресу на имя ученою секретаря диссертационного совета Д 063.38.0К.

Автореферат разослан ПСЛХ&РсР |9у6[

Ученый сскрегтарь:

диссертационно! о совета Д 063.38.08

докт. техн. наук, проф. 2

>

Г. С. Казакевич

Приносим извинения за типографский брак и

Рис.1

Страница 7

начало

Рис.2

Страница 11

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Определяющее влияние процесса формирования С1 рукIуры чучуна с пшропилпмм графиIом (ЧШГ) на ею механические и жеплуатаниончые характеристики обуславливает широкие маслпабы исследований'. выполняемых в последние годы во всех беч исключения раттых счранах по и (учению процесса чвтекшческой кристалликиши.

Ою сняшно с 1СХНОЛО! ическими особенное!ямн прок толста лтых деталей. I а к как свойств ЧШГ в отливках определяются не тлько химическим соаатюм и обработкой в жидком состоянии, но и условиями формирования арумуры и свойс1в г» литейной форме. Высокопрочные консфукпионныс чу г уш.г обладаю I повышенной склонностью к отбелу. в снят с чем про| ночированис крие1аллтапин чугуна по стабильному (серому) или мечасчабнлыюму (белому) типу является необходимым членом ратработки Iехполотин получения отливок с гаданнмм комплексом механических и жеплуапшионных характеристик.

Проведенный аналш публикаций спидсгельству^г, что в настоящее время не существе! полной математической теории процессов, происходящих при выплавке, модифицировании и крисчаллиишии ЧШГ. Однако, обобщение >ксперимен1алт.пых и теоретических исследований последнею времени (Н.Г.Гиршопич, Г.Ф.Баландин. Л.А.Жуков. Х.Фредриксон, В.Кури. Ф.Мампаев. Д.Стефанеску. М.Хиллерт и др.) сочдаег основу для построения рачшпой численной модели. Исследованиями последнею времени установлено существование тсчеречиса при переходе ог стабильной кристадличации к метастбидьной (и наоборот) и существование юны конкурентного роста аустеншо-тртфиптой и ледебурит пой чвтекшк. что открывает вочможности управления процессом формирования структуры отливок, обеспечивая необходимое переохлаждение расплава.

Сложность поставленной т.чдачи свячана с необходимостью построения мноюуровневой модели, описывающей тонкие процессы чарождеиия и роста включений трафтпа (неменииа) и аусчениниырафитных (ледсбурнтных) колоний, протекающие на мнкроуровне. на фоне макроскопической кинетики 1атнердевания сложной фасонной отливки. Количественному аиаличу подлежат явления обраювания и рашнгия' шаровидною графита под действием модифицируют!!* добавок, механтм функционирования которых является I ) протяжении целою ряда лет дискуссионным и недостаточно изучен, а также процессы конкурентно! о чарождеиия и роста метастабилытых фач.

Протио! с!рук!уры ЧШГ поншляет обеспечить качество отлипок и сии щи. чатряты на рачраПогку и коррек1нровку'техноло1 нческого процесса.

НКЛЬ РАБОТЫ. На основе обобщения теоретических исследований и жепернметпадытот тучепия чмекгнческой криеталличацни чугуна при помощи 1ермическо1 о аналича рачрпботать численную модель сопряженных процессов чарождеиия и роста центров кристаллизации стабильной н мстаабилмшн фач при чатпердепашш фасонной огливки из ЧШГ для

3

прогнсиа структуры ЧШГ при создании и корректировке технологии изготовления отливок.

Для зтою решались следующие задачи:

• экспериментальное изучение количественны* закономерностей >в1екзичеекой криааллнзамнн ЧШГ с использованием компькмерною !ермическою анализа на цилиндрических образцах различного диаметра (5-50 мм), соответствующих тонкостенным оппшкам (с юлшиной стенки 2,5-25 мм) из ЧШГ;

• создание мак'матмческой модели )В1ек1ичсской кристаллизации. коюрая на основе решения д-ухуровневой (в микро и макромасипабе) задачи затвердевания и сгрук!урообразования фасонной опшвки позволяет количественно шшсап, происходящие при мом процессы зарождения и роста крисзаллнюв образующихся фа I с учетом их различной морфолоши;

• информационное обеспечение численной модели на основе ошимизании набора исходных данных модели при сравнении резулыаюв численною расчета с данными жеперимешальных плавок;

• построение расчеиюй дшнраммы, офажаюшей влияние ведущкч металлу р| ических и кхцшим ических факюров на процессы езрумурообрашвания на «июне численно!о моделирования кристаллизации ЧШГ в отливках рашичном мишины;

• ра)рабо!ка метлики и построение смпнсшчсских моделей структуры ЧШГ на базе данных ц-рмичсско) о и металлофафичсско! о анализа;

• разрабогка пршраммною комплекса для проектировании и корректировки гехноло!ически\ процессов получения юнкоезенных (хливок и) ЧШГ.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В рамках рафаГнмаииой модели описывастся обобщенный процесс сталийной кристаллизации мисюкомпонсншою сплава эвтектическою типа на основе физико-химических харака-риаик расплава и выделяющихся из нею фаз, чю пошолнет исполь(она|Ь полученную модель дня аналиш процесса «пруктурообразования чутунов ра(.шчною сосчава при затвердеваю и фасонныч опшвок.

Разработанная численная модель кристаллизации ЧШГ учишвает:

• кинетику и продолжительность за;вердснаиня фасонных (хливок при неоднородном !еплоогводе по поверхности раиела оишвка-форма;

о влияние параметров диаг раммы состояния /■'е-С-Л'/ в области ЧШГ на условия затвердевания и кристалл» )ации с учетом химическою состава но основным компонентам чугуна;

• последовательное протекание иреджгектической и )В1ек1Ической кристаллизации;

• условия зарождения и роста морфоло! нчески различных выделений стабильных Орафпт, аустеннтомтщфитиая эвтектика) и мластабильных (цементит, ледсбурит) фаз при кристаллизации ЧШГ;

• соотношение вынужденных центров кристаллизации рамичных фаз при их конкурентном зарождении и совместном роете в процессе затвердевания;

• влияние сфероид» тирующего и i рафитизируюшего модификаторов на • параметры зарождения каждой in зарождающихся фа»;

• микроморфологию образующихся аруктурных составляющих чутуна. растущих в условиях локальной (маргинальной) устойчивости.

Для достижения адекватности численной модели разработка методика информационною обеспечения на основе автомат»! тированной процедуры симплексиою поиска оптимальною набора исходных данных в мнотомерноч пространстве искомых факторов с возможностью задания набора двусторонних ограничений на ряд факторов и выходных параметров модели. Использование методики позволило установить или уточнить ряд неизвестных параметров численной модели.

Для оперативного компьютерною кош родя состояния расплава чугуна с зкспрессным пропилом структуры ЧШГ в (лливке ратраоогана методика автомат тированною анализа и количественною определения параметров термических кривых, сформулированы рациональны!: наборы наиболее эффективных предикторов структуры ЧШГ. использованных для построения прот нотной ли;» раммы. и нахождения неизвестных параметров кристаллизации чу|уна.

Разработанное программное обеспечение потволяет осуществить численный анализ процесса кристаллизации ЧШГ. с адаптацией модели к объекту изучения (соаав чузуна, условия ею выплавки ir ковшевой обработки, тип модификатора п ею количество и т.д.), а также формирование баз данных по тсплофизическим и кристаллизационным параметрам чугунов различного состава и условии получения.

ПРЛ1СТИЧГ С1СЛЯ ЧНЛЧИМОСТЬ. В результате выполненной работы:

»разработано программное обеспечение для численного моделирования процессов формирования структуры ЧШГ. обеспечивающее вошожность про! позирования степени графитизг.цин чугуна при первичной кристаллизации и изыскания условий предупреждения отбела в отливках на папе проектирования технологии и ее корректировки для-устрачения брака по о!белу;

• разработано методическое и программное обеспечение для компьютерного термического анализа состояния расплава чузуна и "экспрессного прогноза структуры ЧШГ в отливке;

в разработана методика и программное обеспечение для автоматизированного определения теплофизичеекпх и кристаллы шционных параметров чугуна, необходимых для численною моделирования процессов затвердевания :т счруктурообразования в отливках из ЧШГ. .

Созданное программное обеспечение является оригинальным и образует модуль "Кристаллизация" интегрированной САПР литейной технологии "POL YCAST", эксплуатируется на ПЭВМ'типа-1йМ РС486 (2Мб ОЗУ. 5Мб жест кий диск, цветной монитор), оснащено дружественным пользовательским интерфейсом с представлением результатов в наглядной форме и

ориешировано на применение техшикнами-лигсйщиками или инженерами* исслеловаюлями.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Математическая модель формирования струк1уры ЧШГ" на основе системы уравнении, описывающих зарождение и рост аабильных и мсмааабильных фаз.

2. Меютика информационною обеспечения численной модели на основе данных термического анализа taiнерлсвания ЧШГ

i. Меютика лвюмаигчфованнот юрмическою аналиш сосюииин расплава с пелью онера i ишюю npoi ноза струк1>ры ЧШГ в о i липке

4. Концепция iniieiрироваиною программно-аппарашою комплекса для разработки icxiuuoiiut и котроля условий получения качественною лшья из ЧШГ с шланной счрумурой на основе численною моделирования процесса кристаллизации фасонной оьпшки в соче!ании с авк)ма:и тированным комическим аналиюм качества чугуна, по.и оюнленшн о для тиливки.

ПУБЛИКАЦИИ. По мл1сриалам лич-ертини опубликовано К eiaii.cn

(ТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссер! анионная работа cociohi из введения, семи кшв, спиека ли i cp;i i урм и приложении. Ма1ериалы рабо!ы изложены на 145 страницах машинописною ieKcia, содержа! II габлиц, иллюстрированы 35 рисунками. Список лн1ера1уры содержи! ПО наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрьиа актуальность 1емы лисссриншонной раГкхы, представлены научная новизна, практическая неинооь рабои.1 и положения, выносимые ча laumiy.

В первой главе на основании ли терат урмыч исючников рассмофсны современные научные представления о eipoeiooi и фишки-хнмпчсскнь особенностях кристаллизации стабильных и моастабильных фат зазвтектичеекого ЧШГ.

Большая часть раздела посвяшсна сравни(елыюму аналщу основных математических моделей кристаллизации чу|>нов и их особенностей. Раесмафнвается метод автоматизированною к-рмическою аналиш состояния выплавляемого чугуна и его применение при исследовании и кош роле процессов кристаллизации ЧШГ.

Ртррпя.глина посвящена разрабо!ке матемашческой модели криеталлшашш заэвтектического ЧШГ на основании современных представлений о процессах конкурентного зарождения и росла стабильных и мст »стабильных фаз.

?:

таз

а

Основой описываемой модели является решение сопряженной задачи теплообмена н диффузии примеси в с расплаве при росте эвтектического агрегата или единичного кристаллита первичной твердой фазы, полученной в работах Г.П.Иваниова, в которых впервые были получены уравнения для роста кристаллитов различной формы (пластина, игла, шар и т.д.) в 0 переохлажденном (пересыщенном) расплапе. В последние годы на основе V. \ эвристически сформулированных м«'с | принципов локального равновесия и | оптимальности параметра» процесса I

кристаллизации ми решения были „! развиты и использованы для оценок ' кинетики роста и морфологии образующейся структуры дисперсности эшектнки и междуосных промежутков деидрктов, многократно подтвержденных п опытах на различных сплавах, в том числе для систем Уе-С и Ке-Ь'е^С.

Накопленные экспериментальные данные и обобщение модельных представлений позволяют построить двухуровневую модель графитизации при конкурентном зарождении и совместном роете стабильных и мегастг.бнльных фаз на основе сопряженно! о описания кристаллизационных, диффузионных и тепловых процессов в системе с распределенными параметрами.

В модели рассматривается этап предшгектмческоЛ кристаллизации при гетерогенном зарождении основных стабильных и метасгабнльных фаз эаэмектичсского чугуна с использованием двух механизмов в различном сочетании:

• внезапное (одномоментное) образование центров кристаллизации при достижении определенного переохлаждения (интервала метастабнлыюсти л'ГШ1) с расчетом количества образовавшихся центров по формуле, предложенной К,Хаитом:

Рис. 1

"= ~ ^ А\(ЛГ11а - ЛОехр

ат

К,

л Т.;

N

им '

где ¿V - чисто образовавшихся центров кристаллизации; максимальное число возможных центров кристаллизации; А';, К2 коэффициенты,.определяемые природой расплава;

непрерывное образование центров кристаллизации при переохлаждения* лТ, превышающих лТщ,, с прекращением зарождения при достижении Л^

(рис.1):

с!

— = 0; " = (¡Г

где Кп, Ц константы скорости зарождения.

Система уравнений, описывающих диффузионный рост первичных фаз графита и цементита в заэвтектическнх чугунах, может быть представлена в обобщенной форме:

а К О'К. дс;

V =

</г ' ЛГ(,Я(Л„ ~ К) ЛС" '

где V линейная скорость роста зародышей; аС^-С^-С* разница концентраций углерода Си в расплаве на внешней границе области роста зародыша Л„ и С* в расплаве вблизи поверхности зародыша радиуса Л;

лС -С'; - предельная концентрация углерода в кристаллите (99,9% в графите или 6,67% в цементите); Л.',, =соотношение плотностей зародыша (а) и расплава (рУ, О р коэффициент диффузии углерода в расплаве.

Концентрация углерода в расплаве у поверхности зародыша С* определяется с использованием функции Иванцова условием локального равновесия на поверхности ликвидуса:

р с

где Се,1, концентрация и температура эвтектическою превращения; р -тангенс угла наклона поверхности ликвидуса; I. объемная теплота кристаллизации выделяющейся фазы; с обьемная теплоемкость расплава; 1\'(Ре) функция Иванцова, вид которой зависит о! морфолопш кристаллита (пластина, шла, сферолит); Не температурный (диффузионный) критерий Пекле, определяемый переохлаждением лТ (пересыщением .|С) расплава на поверхности растущею кристаллита относительно средней по локальному объему температуры (концентрации) расплава, определяемой щ уравнения баланса теплоты (примеси).

При эвтектической кристалла шции кинетические соотношение описывают:

• скорость днффузионно-конгролируемою роста атретата ледебуршнчи эвтектики:

т2

(Ф +

где ф коэффициент нерегулярности эвтектики; К* Кг коэффициенты, определяемые природой расплава;

• скорость диффузионного роста сферического аустенито-трафитного агрегата с шаровидным графитом:

/ГЯ

ас:

ас;

нт ас;

с;:-

где К» радиусы графитного включения, аустенитной оболочки и

области расплава, в которой развивается эвтектическая колония; £>" -коэффициент диффузии углерода в аустените;

АСар = сра -сар,дс;; = сар -с'.дс;. = ср*-с„-с"\с",

С р' траннчные концентрации, соответствующие межфазному равновесию аустеннта (а), графита {г) и расплава (/>) и определяемые ходом соответствующих линий диаграммы состояния сплава, а также концентрация углерода С, в эвтектической точке.

Взаимное влияние совместно растущих кристаллитов различной морфологии учитывается при расчете объема твердой фазы / - по уравнению Колмогорова:

/ -1-ехр[2®,

I»)

г г г

7,-5

(¡т с1т

где у/, Г) коэффициент формы и размерность кристаллита (игла, пластина, сферолиг).

Вклад каждой из к выделяющихся фаз в общую теплоту кристаллизации рассчитывается по принципу суперпозиции с учетом доли каждой то фаз/, и соответствующей ей теплоты кристаллизации />,:

V.

Расчет изменения температуры металла и формы производится по уравнению теплопроводности Фурье (с учегом темпа выделения теплоты кристаллизации в сплаве). Изменение концентрации жидкой фазы (по эквивалентному содержанию углерода) рассчитывается по локально-равновесному уравнению сохранения массы.

Многокомпонентный состав чугуна приводится к квазнбинарной системе ге-С при помощи известных выражений для углеродного эквивалента. При этом положение точек предельной растворимости, штектнческою состава и температур ликвидуса и эвтектики стабильной и мстастабилышй фаз рассчитывается по концентрации элементов и составе сплава с учеюм коэффициентов влияния каждого из компоненюв.

Результаты моделирования на основе описанной системы уравнений позволяют представить кинетику формирования различных структурных составляющих чутуна и локальное соотношение объемов стабильных и метастабнльных фаз (степень графиппации) в зависимости oi условий затверденания, а также состава и состояния расплава.

В третьей тлаве рассмотрена реализация описанной выше математической модели в виде двухмерной конечно-рантостпой численной модели кристаллизации ЧШГ (рис.2).

Геометрическая модель отливки строится с помощью специального сеточною редактора или путем разбиения сечения, полученною из трехмерной геометрической модели.

Расчет температуры производится по локально-одномерной схеме при помощи метода потоковой проюнки, обеспечивающею высокую устойчивость вычислительной схемы. Блок-схема реализации двухуровневой модели кристаллизации, представленная на рис.2, отражает лотнчеекпе условия конкурентного возникновения и совместною роста первичных и штектических фаз заэвтектического чутуна при соответствующем переохлаждении относительно равновесных температур трафитною Т, (цемент пни о Тч) ликвидуса иди стабильней Т,.„,(метастабильной Ти) иисыикн.

Взаимосвязь двух уровней модели тепловою расчета в макромасипабе и кристаллизационного в мнкромасштабе осуществляется за счет обмена значениями t и/j в узлах сетки и обеспечивает морфолошчсски корректное описание роста кристаллитов отдельных фат на основе темпера:урною поля, отражающего объемно-последовательное затвердевания фасонной отливки.

Интерфейс программы позволяет работать с батой данных теплофиэнческих и кристаллизационных констант. Результаты расчета представлены н? экране компьютера в виде распределения температуры по сечению отливки и графиков изменения температуры (термических кривых) и переохлаждения в контролируемых точках отливки. По результатам расчета про:пводигся визуализация распределения структурных составляющих по

начало

3 х

х з:

гг <

о X с;

но £ о.

Л

с;

ш §

О а.

нет

зарождение первичного г* графита

нет

К(Тц-дТим) «

да?

зарождение первичного цементита

нет

Сж<Сэ

дат

1<(Тст-лТим)

да;

зарождение эвтетики (аустенин графит)

нет

расчет скорости роста каждой из выделяющихся фаз

К(Тм-лТим)

да ' *

зарождение ледебурита

расчет количества выделившейся твердой фазы I, среднего состава жидкой фазы С. и доли каждой из структурных составляющих

ввод данных

|шаг по времени

НеТ ИТг -лТим)

или

да т

расчет по узлам конечно разностной сетки -теплоемкости, -теплопроводности, -теплоты кристаллизации в зависимости от доли структурных составляющих и

количества твердой фазы и

I решение уравнения теплопроводности , Фурье для определения температурного поля п отливке и форме

Т

{<ион

нет

Да; визуализация структуры ЧШГ

0. О

е

<

со ш 0.

1. <

X

5 X

ш з:

о

к з:

со ш

г

ш

§ I

О

Рис.2

конец

сечению огливки и (операция графического изображения микроструктуры ЧШГ в заданных Iочках.

Проверка адекватности численной модели при выбранных параметрах расчета показала, что расчетные данные хорошо согласуются с результа1ами лабораторных исследований изменения температуры при затвердевании опытных образцов и структуры чугуна, а также экспериментально установленными границами возникновения (исчезновения) отбела.

В__Н?Сй?Ш0й_„_!Лав? излатается методика информационного обеспечения

численных расчете, обеспечивающих адаптацию модели к условиям практическою применения для прогноза структуры ЧШГ.

Адаптация модели производилась путём симплексного поиска величины ряда параметров модели, которые минимизируют невязку между опытными и расчетными данными при наложении системы двухсторонних ограничений параметров, предупреждающих их спекулятивный подбор вне области физически обоснованных значений. Приводятся результаты лабораторных опытов с использованием компьютерною термического анализа на ннлинлрических образцах диаметром 5 -50 мм. Массив исходных данных для адаптации численной модели получен путем автоматизированного анализа термических кривых и металлографических исследований.

По результатам многостадийной условной оптимизации в пространстве искомых параметров размерностью до пяти сформирована база данных по тсплофиэическим и кристаллизационным свойствам использовавшеюся чугуна.

Таблица

Компонент Влияние Л, на температуры Коэффициенты распределения

X, эвтектики и параметр ,)Г,, К/% X/ и параметр взаимодействия

чугуна лТ^л X, лТЛлХ, лТ/лХ, /с ¡С С ] (1150 "Г)

3,3 -5,4 1,10 0,78 12,8

Мп 0,75 -5,2 0,72 0,90 -9,6

Р -27 -27 0 0,09 0,11 7,4

Б -27 -12 -15 0,04 - 13,1

Сг -15 15 -30 0,56 1,32 -7,3

№ . .3Л______ йЛ 4,8 1,20 0,90 -9,7

Си г 3,3 ■3,3 6,6 М8 0,78 7,3

А1 15 16 1,05 0,55 7,6

Т! 5 -15 20 0,16 0,07 -23,8

На основе термодинамическою анализа изменения ряда параметров квашбинарной диатраммы состояния миоюкомпонентной системы Ре-С-Х, пока кто. чт добавление каждою из компонентов А^ изменяет активность остальных компоненте, влияет на их равновесное распределение между

расплавом и выделяк : к:йся стабильной или метастабильной '

12

эвтектикой, вызывает смещение равновесных температур стабильной и метастабильной эвтектик (см. табл.).

Данные термодинамического расчета лТ, — Тгт - Тм на основе учета

параметров взаимодействия ¿'' основных компонентов расплава хорошо со1ласую!ся с известными экспериментальными данными (коэффициент корреляции 0,92) по обширной группе элементов (за исключением А1 и 77). Параметр лТ, , являющийся важнейшей характеристикой склонности чугуна к отбелу (графитизацни), непосредственно влияет на условия зарождения и совместного роста аусгенигно-графитной и ледебуритнон эвтектик (рис.1).

В__пятой главе приводятся результаты . численного и статистического

моделирования структуры ЧШГ.

Показано, что определяющим процессом формирования структуры чугуна является конкурентное зарождение и совместный рост стабильной и метастабильной фаз (рис. I). Возможность возникновения (прекращения) огбела определяется подавлением стабильного (метастабилыкно) фазообразования в ретулькие совместною образования и роста зародышей цеменниа Орафтиа) и агрегатов цсментитной (графитной) >втек!икн, весьма отличающихся по соотношению основных параметров кристаллизации (лТ„ С„р С„ Кп и др.). При преобладающее развитие получает метастабильная

крист аллигация с обраюваннем отбеленной структуры; при \Т</Г, происходит выделение стабильной эвтекпткн. В промежуточной области переохлаждений формируется половинчатая структура с переменным соотношением трафита и цемент (а.

Сравнение расчетных и литературных данных по переохлаждению синтетических и промышленных чутунов свидетельствует, что для промышленных чутунов лТя существенно ниже, чем для синтетических сплавов, вследствие совокупною влияния основных компонентов промышленното чугуна, а также повышенною содержания в нем примесей и включений, снижающих энергию активации при зарождение цементит ной твтектикн. Пока татю, что склонност ь к отбелу в зависимости 01 состава чутуна находится в прямой зависимости ог температуркою интервала .тТ» между стабильной и метастабильной эвтекгиками.

Резулыагы моделирования находятся в сот ласин с и тест ной структурной диатраммой А.А.Жукова. На основе серии численных расчетов установлены границы частичкою и полною отбела в тавнсимости от содержания у!лерода, кремния и друз их компонентов чутуна, количества сфероидншруюшето и графит и шруюшею моднфикатрон, а также условий теплоотвода и ю.ииины отливок.

Численные жепернменты на промышленных сплавах, проведенные с исполыованнсм рафабитанной модели. свидетельствуют о вотыожности количественною анадн та влияния основных технолот ических и

металлург ических факторов на возникновение отбела на этапе проектировании технологии инчповления отливок.

Эксперимент м по автоматизированному термическому анализу затвердевания ЧШГ в стандартной пробнице (диаметр - 48 мм, высота 60 мм, масса 400 г) в сочетании с металлографическим .анализом структуры позволили получит I. набор статистических уравнений, связывающих параметры термических кривых с характеристиками структуры ЧШГ :

с= -2,75 + 44,9*^) + 0,058*4 Ге (г=0.83);

Д.: -169,8+1740*^9 - 0,491*лГе (г=0,77):

Кг =0,218 - 2,32*9? + 0,00057* Тст (г=0,85);

А'..= =61.0- 2580*^9- 1,09*4Те (г=0,83);

55,5 - 0,28*4 Те- 405,0*(р- 24,9» Урп (г=0,75).

где факторы: (р приведенная скорость охлаждения (1/<г"л), лТ, продолжительность эвтектического превращения (с). Тст эвтектическая температура ("С). Урек - максимальная скорость рекалесценции ("С/сУ, параметры: О количество графита (%), Д. -диаметр включений графита (мкм). К) коэффициент формы графита, N. количество включений графита (¡/мм'), 2. количество цементита (%)•

Приведенные локальные статистические модели, обладающие приемлемой прогностической точностью, позволяют в производственных условиях реализовать альтернативный численному моделированию оперативный расчет структурных параметров и приближенно оценить степень отбела в отливках. Показано что, наиболее достоверный прогноз структуры чугуна может быть достигнут путем интеграции возможностей численною моделирования и количественно!о термическою анализа состояния подготовленною к заливке расплава для оперативной адап тации кристаллизационных параметров модели.

В шестой главе изложены рекомендации и опыт практическою использования результатов работы.

На основе статистическою анализа данных, полученных с помощью автоматизированного термического анализа экспериментальных плавок и металлографических исследований, . построена номограмма для подбора количества сфероидИзируто'шего (NiMglO) и графитиэирующею модификаторов для получения заданной .структуры в отливке с различной приведенной толщиной в песчаной форме или неокрашенном кокиле из ЧШГ состава (3.2 - 3,7% С,.2;У'~ 2.7% Ц.0-,2 0,6% Мп. Р £ 0.ОМ"<> и Л' < 0.02%), применяемого в автомобилестроении-. .

' По результатам численных .экспериментов построена мнот омерная .диаграмма зависимости конкурентного количества аустснию-графит ной и

5 К, мкм

I 100 100(1

1 I » I I » | I I » I » г Т

о 100

?00

/

г

б /

Время, с Рис.4

"С.

л* .«'Л

между стабильной и меч ас обильной звгектнками , непосредственно во'1леГктвую1ций на склонность сплава к переохлаждению ниже равновесной температуры ледебурнгной эвтектики. 7. Разработанная методика адаптации численной модели к условиям нноювленпя шливок тффективно использована .тля определения оптимального набора исходных данных, обеспечивающих адекватность численною аиалиш условиям конкретною производства Я. Статистическая обработка данных автоматизированною термического аиалиш и стандарт нзнрованных пробннцах в сочетании с метштло! рафичееким исследованием структуры отливок с различной юлшиной стенки позволила построить статистические модели для жспресс-аналиш качества расплава и протнота структуры в отливке по термической кривой кристаллизации чугуна в пробшше 9. Ишарация средств численною моделирования, автоматизированного термическою аналттза, адаптации численных и построения статистических моделей позволяет создать интегрированный автоматизированный комплекс для рафабоп-' тт корректировки технологическою процесса получения заданной структуры в отливках ти ЧШГ. Создано и опробовано необходимое

I7

9 llmei рання средств численною моделирования. автоматизированного 1ермнческо1 о анализа, адаптации численных и построения статистических моделей позволяет создать интегрированный авюматзированпын комплекс для pa ipafioi ки и корректировки технологического процесса получения шланной cipjKiypi.i в отливках из ЧШГ. Создано и опробовано необходимое npoi раммиое обеспечение для реализации всех стадий рцзраГннки и контроля 1с\ноло| ическо! о процесса.

10.Численный анали) технологи изготовления парши экспериментальных отливок коленчатых валов для новою дзтнателя тяжелонатруженного автомобиля "КАМАЗ" показал, что по сечению отливки имеется равномерное распределение структуры и отсутствует от бел в поверхностном слое отливки. Экспериментальная заливка выявила адекватность расчета и реальной структуры.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1 Рост К).В. и др. Интетрания средств аналиш и синтеза в САПР литейною проииюлства. Литейное производство№10-11, 1994. с.12-15.

2 Го км В.М., Рост Ю.В. Втиуализация структуры при моделировании кристаллиннтии в чугунах с шаровидным трафитом. Научно-методическая конференция сгуде1пов "Высокие интеллектуальные тсхнолопти обраювания и науки" Тезисы докладов, СПб.:СП6ГТУ. 1995т. с.94.

1 Рост Ю.В..Фролов М.М. Статистическое моделирование жеперимешальных данных. Аннотированный Kaia.wi учебных программных средств, СГ1Г>.:СП6ГТУ, 1995т. с.95.

•1 Голод В.М., Рост Ю.В. Система типовою проектирования литейной гехчолотии. Апжнированнын какыш учебных нротрпммных средств, СПб.: СПбГТУ. 1995!. с.35.

Рост Ю.В., Черниюв Д М. Численное моделирование процесса ' кристаллизации отбеленных oi.thhok hi чмуна. Теитст.т докладов. СПб.: СПбГТУ, I99.5i., 275с. с.III.

6. Голод В.М., Рост Ю.В. Проблема предотвращения о i бела. Л шейное производство. №10, I996i, i 9-10,

7. Голод В.М., Рост Ю.В . Черниюв . Д А. Численная модель условии ношикновеиия оiбела в фасонных отливках hi чутуна с шаровидным !рафи!ом. Груды СП61ТУ№ 306. СПб : СПбГТУ. 1996т. с.116-121.

8. Рост Ю.В., Пегужнн С.Э. Про!раммчт.тй комплекс для предо!крашения отбела в 01ливках in высокопрочною чутуиа с шаровидным фафитом. Тезисы докладов. СПб.: СПбП У, I9%i. с. II.