CC BY
30
УДК 621.74.002.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК
Е. В. Чижова, П. Н. Цибизов
MODELING OF THE PROCESS OF CASTING STAINLESS STEEL WITH THE PURPOSE OF REDUCTION OF POINT SUPERFICIAL
DEFECTS OF CASTINGS
E. V. Chigova, P. N. Tsibizov
Аннотация. Актуальность и цели. Отливки по выплавляемым моделям являются основными составляющими изделий, относящихся к отраслям машиностроения и приборостроения. Постоянно возрастающие требования к качеству выпускаемой продукции приводят к необходимости совершенствования технологии изготовления отливок. Однако в процессе литья нержавеющих сталей на отливках возникают точечные поверхностные дефекты (ТПД), которые являются концентраторами напряжения, снижающими прочностные свойства материала, и служат причиной преждевременной коррозии. Моделирование процессов, протекающих при изготовлении отливок, позволяет выявить механизм образования точечных поверхностных дефектов и разработать рекомендации по их устранению. Материалы и методы. Реализация исследовательских задач по устранению точечных поверхностных дефектов на отливках из нержавеющих сталей была достигнута при использовании систем автоматизированного моделирования литейных процессов ProCAST (ESI Group) и LVMFlow CV, а также опытных отливок из стали 09Х16Н4БЛ. Результаты. Исследование результатов моделирования и сравнение их с качеством поверхностей полученных отливок показало, что места образования точечных поверхностных дефектов совпадают с местами остановки фронта потока заливаемого металла в тонких частях отливки. На отливках с одним литником ТПД образуются в удаленных от него местах, преимущественно в верхней части отливки. На отливках с несколькими литниками ТПД образуются в местах встречи потоков металла, а также в удаленных от литников местах. Выводы. На основании полученных данных разработаны рекомендации по устранению точечных поверхностных дефектов, включающие в себя изменение времени и температуры заливки, а также создание атмосферы, предотвращающей окисление металла. Применение данных рекомендаций позволило устранить брак по ТПД для фасонных отливок рамочного и корпусного видов из хромистых сталей.
Ключевые слова: литье, расплав, отливка, точечный поверхностный дефект.
Abstract. Background. Casting, investment casting are the main components of products related to the machinery sector. The ever-increasing demands on the quality of the products leads to the need to improve the technology for making castings. However, during casting of stainless steel on the casting surface there are point defects (TPD), which are stress concentrators, which reduce the strength properties of the material and cause premature corrosion. Modeling of processes occurring in the manufacture of castings allow to reveal the mechanism of the formation of point defects in the surface and develop recommendations to address them. Materials and methods. Implementation of research tasks to eliminate point surface defects on castings made of stainless steel was achieved using computer-aided simulation of casting processes ProCAST (ESI Group) and LVMFlow CV, as well as experienced casting of steel 09Х16Н4БЛ. Results. The study of simulation results and their comparison with the surface quality of castings produced showed that the place of formation of point defects coincide with the surface in some places stop the flow front in
thin cast metal parts castings, castings for one runner TPD formed in remote locations away, mostly in the upper part of the casting . At casting with several runner TPD formed where the metal flows meet, and in locations remote from the sprue. Conclusions. Based on the findings developed recommendations to address the point of surface defects, including a change in the time and temperature of the metal, as well as creating an atmosphere that prevents oxidation of the metal. The adoption of these recommendations will help to eliminate the marriage TPD for shaped castings frame and the body types of chromium steels.
Key words: moulding, melting, casting, surface point defect.
При литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) поверхности тонкостенных отливок из нержавеющих высокохромистых сталей часто поражены специфическими точечными поверхностными дефектами (ТПД). Наличие такого вида дефектов на поверхности отливок снижает чистоту поверхности, ухудшает товарный вид литой заготовки. Глубина внедрения точечных дефектов около 0,6 мм, в некоторых случаях это превышает припуск на механическую обработку.
При литье нержавеющих сталей типа 10Х18Н9ТЛ на воздухе поверхность металла покрывается тугоплавкими оксидами. Оксиды представляют собой серую пленку, покрытую сферическими образованиями диаметром до 0,6 мм.
Температура плавления этих оксидов превышает 1600 °С, в то время как температура плавления сталей, склонных к данному виду дефектов, гораздо ниже этого значения (рис. 1).
О 3.5
высота падения струи, м Рис. 1. Изменение скорости свободного падения струи расплава
Для выявления отличительных особенностей процессов заполнения и затвердевания дефектных и бездефектных областей отливок была использована CAE-система ProCAST, позволяющая моделировать литейные процессы (места и вероятность образования точечных дефектов программа не определяет).
Моделирование позволило сделать вывод о том, что места образования дефектов совпадают с местами остановки фронта потока заливаемого металла в тонких частях отливки, время затвердевания которых не превышает 150-160 с.
На отливках с одним литником ТПД образуются в удаленных от него местах, преимущественно в верхней части отливки. На отливках с несколькими литниками ТПД образуются в местах встречи потоков металла, а также в удаленных от литников местах.
При помощи индикатора Oxides, находящегося в постпроцессоре ProCAST, в показателе расчета гидродинамического модуля производилось слежение за процессом окисления расплава и местами скопления оксидов. Oxides является качественным индикатором, а не количественным значением, соответствует локальной свободной поверхности, умноженной на время.
Для моделирования были выбраны отливки из стали 09Х16Н4БЛ, представленные на рис. 2. В препроцессоре ProCAST были заданы следующие начальные условия моделирования: материал формы - кварцевый песок, материал отливки - сталь 09Х16Н4БЛ, коэффициент теплопередачи на границе металл-форма - 500 Вт/м2К, заливка и затвердевание расплава на воздухе, средняя скорость потока расплава в форме ~1,5 кг/с, среднее время заливки ~5 с, температура расплава - 1923 К, температура формы - 1173 К.
По цветной шкале можно оценивать интенсивность процесса окисления и распределение оксидов в форме.
На рис. 2 показаны результаты по окончании заливки (на примере двух типов отливок).
в) г)
Рис. 2. Результаты исследований: а, в - моделирование распределения оксидов в керамических формах процесса заливки формы (индикатор Oxides); б, г - распределение ТПД на отливках
Из рис. 2 видно, что основное количество окисленного расплава находится в верхних ярусах блока отливок, что соответствует практическим результатам распределения ТПД.
Дефекты образуются на отливках, находящихся в верхних ярусах блока отливок, и только на тонких стенках этих отливок. Для объяснения такой закономерности в образовании дефектов при помощи ProCAST и LVMFlow ^ изучен характер заполнения керамической формы.
Моделирование процесса окисления расплава во время заливки формы показало, что максимальное количество окисленного расплава попадает в верхний ярус блока отливок.
Заливка металла в форму происходит после его раскисления в печи и ковше, затем образовавшиеся оксиды и шлак удаляются. Таким образом, металл из ковша в форму поступает без неметаллических включений.
Обычно разливочный ковш устанавливается на расстоянии как минимум 15-20 см над поверхностью формы, это расстояние является динамическим напором. Как видно из графика (рис. 1), при достижении высоты падения 0,2 м скорость падения составляет 2 м/с.
В начальный период заливки скорость подъема расплава в стояке достигает значительных величин, при этом заполнение стояка опережает заполнение полостей отливок (рис. 3).
Рис. 3. Начальный период заполнения формы
Движение потока в стояке происходит с его деформациями и завихрениями, в результате чего происходит захват воздуха и окисление металла. Окислившийся металл толкается вверх непрерывно поднимающимся потоком и практически не успевает проникать в полости отливок.
Таким образом, нижние ярусы отливок заполняются чистым расплавом. По мере заполнения формы скорость подъема расплава в стояке замедляется и процесс стабилизируется. Оксидные включения, находящиеся на зеркале металла, начинают проникать в полости отливок.
Пользуясь формулой Рейнольдса и данными по вязкости [1], можно установить, что движение потоков при заполнении формы может относиться как к турбулентному, так и ламинарному режиму, определяющемуся по формуле
Re =
v■d
где Re - критерий Рейнольдса, характеризующий переход спокойного (ламинарного, Re < 2320) движения жидкости в канале к завихренному (турбулентному) течению; и - скорость течения жидкости, м/с; d - диаметр канала, м; V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с (в данных расчетах V = 0,5 • 10-6 м2/с).
Средняя толщина стенок, подверженных поражению точечными дефектами, составляет 3 мм. Скорость заполнения таких стенок, как показывает моделирование в РтоСЛБТ и ЬУМР1ом> СУ, изменяется в широких пределах в зависимости от динамического напора, расхода металла из ковша и расположения отливок на блоке.
Тем не менее скорость заполнения тонких стенок отливок, расположенных в верхних ярусах блока, редко превышает 0,2 м/с, что указывает на ламинарный характер течения расплава в них (рис. 4).
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
скорость потока, м/с
Рис. 4. Зависимость числа Яе от скорости потока и диаметра канала
V
Конфигурация свободной поверхности жидкого металла в полости литейной формы, как и всякой жидкости в сосуде, определяется в основном действием силы тяжести [2], обусловливающей наличие горизонтального участка поверхности и силы поверхностного натяжения, вызывающей образование выпуклого мениска вблизи стенки формы (рис. 5).
Горизонтальный участок свободной поверхности характерен для относительно широких полостей формы, соответственно формирующих толстые стенки отливок.
Горизонтальная поверхность жидкости отличается высокой подвижностью. Поэтому при заполнении неспокойно движущимся расплавом утолщенных частей отливки образующиеся на его зеркале оксиды могут распределяться и растворяться в толще металла.
Рис. 5. Конфигурация свободной поверхности жидкого металла в полости формы
В тонких, плавно заливаемых частях отливки образующиеся на зеркале расплава оксиды не успевают распределиться по всему объему металла, поэтому содержание кислорода на их поверхности значительно выше, чем во внутренних слоях.
Кроме того, тонкие части отливки, как правило, находятся на удаленном от места подвода расплава расстоянии. Поэтому в них поступают более окисленные и холодные порции расплава. Создается вероятность, что образующиеся оксиды высоколегированной стали будут застывать позднее, чем будет образовываться твердая корочка на поверхностях тонких частей отливок.
Прижатие этих тугоплавких оксидов расплавом к стенкам формы может способствовать образованию неровностей на поверхности отливок.
Таким образом, на основе полученной в ProCAST модели процесса заливки нержавеющей стали, а также проведенных исследований распределения жидкого металла в полости формы для предотвращения образования точечных дефектов можно предложить следующие рекомендации:
- уменьшить динамический напор расплава;
- уменьшить время заливки;
- создать в форме препятствующую окислению металла атмосферу;
- увеличить температуру заливки расплава и температуру формы.
Список литературы
1. Справочник по свойствам сплавов и материалов для расчетов в системе автоматизированного моделирования литейных процессов (САМ ЛП) // Полигон. - URL: stamina.ru/focad/rus/index.html
2. Шкленник, Я. И. Литье по выплавляемым моделям / Я. И. Шкленник. - М. : Машиностроение, 1984. - 408 с.
Чижова Евгения Владимировна инженер-технолог, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» имени М. В. Проценко» E-mail: wage13@mail.ru
Chijova Evgenya Vladimirovna
engineer-technologist,
Federal State Unitary Enterprise Federal
Research and Production Center
«Production Complex «Start»
named after M. V. Protsenko»
Цибизов Павел Николаевич
кандидат технических наук, доцент, руководитель группы научно-образовательной деятельности, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» имени М. В. Проценко» E-mail: paul-startatom@yandex.ru
Tsibizov Pavel Nikolaevich candidate of technical sciences, associate professor,
head of research and education activities, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center «Production Complex «Start» named after M. V. Protsenko»
УДК 621.74.002.3 Чижова, Е. В.
Моделирование процесса литья нержавеющих сталей с целью снижения точечных поверхностных дефектов отливок / Е. В. Чижова, П. Н. Цибизов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 4 (12). -С. 167-173.
