Компьютерное моделирование и микроструктурный прогноз процесса теплопередачи при кристаллизации металлических сплавов

Аннотация

С помощью компьютерного 3D-моделирования были изучены процессы кристаллизации при отливании алюминиевых сплавов, стали и чугуна. Были получены температурные поля отливок и было предсказано распределение микроструктуры этих отливок. Было выполнено сравнение численных результатов и экспериментального измерения. Доказано, что предложенный подход подходит для изучения и анализа литейных технологий.

1. Вступление

Целенаправленные эксперименты формирования отливки из разных цветных и ферросплавов были разработаны и выполнены относительно исследования нано-модифицированных сплавов [1]. Процессы литья были изучены с помощью математического моделирования и компьютерной симуляции. Для этой цели использовался широко известный, комплексный программный комплекс MAGMASOFT.

Комплекс разработан компанией MAGMA Giessereitechnologie, Аахен, Германия [2]. Команда разработчиков непрерывно улучшает и расширяет пакет в сотрудничестве с многими научными проектами разных кафедр ведущих немецких институтов, таких как Литейный Институт, Аахен, Институт Макса Планка и так далее. Математические модели, встроенные в ПО, постоянно обновляются самыми необходимыми разработками (диссертации или научные публикации) в материаловедении. Математические модели расширены и улучшены, чтобы покрыть больше явлений и процессов. Это же касается и базы данных, которая предоставляет возможность обрабатывать большое множество материалов и методов литья. Общепризнанный факт, что MAGMASOFT вне конкуренции в соединении с встроенной базой данных. Таким образом оно успешно соревнуется с такими наиболее известными и мощными программными комплексами, как ABBACUS, PROCAST, ANYCASTING, NOVACAST, 3D-FLOW, LVM-FLOW, PATRAN и так далее.

MAGMASOFT – это универсальный программный продукт, разработанный для симуляции основных физических процессов формирования отливки. Он позволяет обрабатывать практически все методы литья, используемых в современной практике. Это ПО содержит трехмерный геометрический моделлер с широким набором разных геометрических тел и возможностей для огромного числа операций над ними, такие как перемещения, повороты, масштабирование, экструдирование вдоль произвольного контура и так далее. Эти операции позволяют быстрое и точное рисование объектов и систем с очень сложной геометрией.

MAGMASOFT симулирует заполнение литниковой системы и полость пресс-формы с расплавом в условиях, максимально приближенных к реальности. Визуализация вышеупомянутых процессов облегчается современными инструментами, как X-Ray (прозрачность полостей), доступностью к каждой секции системы литье-прессформа, визуализации векторов, увеличителя, моделирования турбулентности и слоистых потоков, анимации, цветокодированной визуализации всех физических полей и траекторной визуализации расплавленных частиц («Tracer»).

Программа решает трехмерные температурные задачи не только во время заполнения, но и во время кристаллизации отливки и одновременно учитывает явления в двухфазной зоне. Некоторые специфические функции критерия рассчитываются для прогноза структуры и механических свойств отливки, основанных на полученных таким образом температурных полях и их производных. Наиболее важные и известные феноменологические функции критерия высчитываются из:

давая различные конкретные значения параметров {C₀, α, β, γ, δ}. Между такими функциями критерия и механическими свойствами сформировавшейся отливки существуют прочно установившиеся корреляции [3, 4]. Самые важные и информативные из них это:

● Термический градиент G = ∂T/∂x (полученный из уравнения (1), где C₀ = 1, α = 1, β = 0, γ = 0, δ = 1) и скорость охлаждения R = ∂T/∂t (полученный из уравнения (1), где C₀ = 1, α = 1, β = 1, γ = 0, δ = 1). Низкие значения этих двух величин строго коррелируют с размером первичных дендритов. Более грубая структура дендрита ухудшает механические свойства отливки и в большей степени пластические свойства материала.

● Критерий Ниямы N = GR^–1/2 (полученный из уравнения (1), где C₀ = 1, α = 1, β = –0,5 , γ = 0, δ = 1). Низкие значения N указывают на высокую вероятность пористости.

Вышеуказанные инструменты MAGMASOFT, были применены для исследования экспериментально полученных отливок цветных и ферросплавов. Результаты для полученных случаев даны ниже.

2. Компьютерная симуляция литья цветных сплавов.

Геометрия рассмотренной отливки показана в рис. 1 в трехмерном виде. Для формировки был использован стандартный алюминиевый сплав AlSi7Mg. Использованный штамп произведен из стали X40CrMoV5_1. и состоит из четырех частей – нижней постоянной полу-прессформы, двух боковых ядер и внутреннего цилиндрического ядра. Все они изображены на рис. 2 также в трехмерном виде. Использовалось гравитационное литье. Полость формы заполняется через один из двух фидеров.

Процессы заполнения и отвердевания отливки симулируются при помощи MAGMASOFT. На рис. 3 демонстрируются температурные поля в момент заполнения формы. Инструмент "Tracer", визуализирующий траектории некоторых частиц расплава, показан на рис. 4. Этот инструмент крайне полезен для отслеживания нано-модицифированных частиц во время наполнения формы. Также представлена эволюция температурного поля во время кристаллизации. Момент этого в средней секции отливки можно увидеть на рис. 5.

Температура солидуса была взята для нижней границы температурной шкалы. Критерий «пористость», полученный при помощи MAGMASOFT, показан на рис. 6. Он подтверждает, что фидеры были произведены правильно и успешно заполнили отливку. Виден лишь один небольшой недостаток в верхнем конце кольцеобразной части. Температурное поле также наблюдалось в контрольных точках, которые показаны на рис. 7. Точка «Т1» совпадает с позицией термопары. Кривая, обозначенная Т1-экспериментом на рис. 8, демонстрирует показатели термопар. Остальные кривые на рис. 8 показывают температуры в контрольных точках, полученные в результате симуляции. Был проведен микроструктурный анализ произведенной отливки. Образцы для исследования были взяты из зон «1» и «2», отмеченных на рис. 9.

Экспериментально полученный средний размер вторичных дендритов в этих зонах показан на рис. 10. С другой стороны, рис. 11 показывает спрогнозированные результаты распределения микроструктуры, основанные на проведенной симуляции. Сравнение этих экспериментальных результатов показывает, что разница не превышает 20%, что является абсолютно достаточной точностью для прогнозов такого типа.

3. Компьютерная симуляция чугуна и стальных отливок.

3.1. Отливка «Тормозной диск» из чугуна GG25

В отличие от экспериментального литья, упомянутого выше, эта отливка предназначена для производства компонента с практическим использованием – автомобильного тормозного диска. Трехмерная геометрия отливки вместе с литниковой системой показана на рис. 12. Также показано гравитационное литье в песчаную форму (рис. 14). Моделируются процессы заполнения (рис. 13) и затвердевания прессформы. Температура солидуса чугуна (1158^○С) была взята для нижней границы шкалы температур на рис. 14. Прогноз распределения параметров микроструктуры в отливку был получен с использованием компьютерного моделирования. Они показаны на рис. 15 и 16. Рисунок 17 представляет экспериментальный результат, полученный для длины графитовых пластинок, зарегистрированных в образце, взятом из места, отмеченного на рис. 16. Это считается очень хорошим совпадением между прогнозом (рис. 16) и экспериментальным результатом (рис.  17).

3.2. Литье стали K20

Геометрия этой отливки стали K20 (C = 0.2%, Si = 0.45%; Mn = 0.7%) дана на рис. 18.

Компьютерное моделирование проводилось с дополнительным модулем MAGMАsteel от MAGMASOFT. Этот модуль специализируется на литье стали. Температура контрольной точки T₁ (рис. 18), полученная этим моделированием хорошо совпадает с той, что измерена термопарой, установленной в той же точке – рис. 19. Рисунок 20 показывает критерий «пористость». Это свидетельствует о том, что фидер правильно рассчитан по размеру и усадки, вызванные дефицитом массы, находятся вне используемых для отбора проб областей.

4. Заключение.

Приведенные выше результаты показывают, что выбранный подход для моделирования формирования литья различных металлических сплавов имеет достаточную степень достоверности относительно реальных процессов. Кроме того, они доказали, что предлагаемый инструмент моделирования является эффективным в прогнозировании текущих явлений и свойств образующихся отливок и может успешно использоваться и применяться в качестве подходящего инструмента в последующих исследованиях.

Ссылки

1. Popov, S., V. Manolov, A. Cherepanov. Mathematical Modelling of Crystallization of Metal Alloys. Comptes rendus de l’Academie bulgare des Science, 65 (2012), No. 4, 441–448.
2. Sahm, P. R., P. N. Hansen. Numerical Simulation and Modelling of Casting and Solidification Processes for Foundry and Cast-house, CH-8023, Zurich, CIATF, 1984.
3. Huang, H., J., T. Berry, T. S. Pivonka. The use of Criteria Functions to predict Porosity in Aluminium Alloy Investment Castings, 40-th Annual Technical Meeting, Investment Casting Institute, 1992, 880–887.
4. Popov, J. Criteria Functions for Porosity Prediction in Low-Pressure Aluminium Alloy Castings. Journal of Material Science and Technology, 1 (2002), 59–70.