The use of a metal insert in the core to control the solidification speed of the casting

K. V Sharov; Шаров К. В; A. V Bogomyagkov; Богомягков А. В; D. O Pustovalov; Пустовалов Д. О; A. A Shumkov; Шумков А. А; L. M Merkusheva; Меркушева Л. М; N. E Nikitin; Никитин Н. Е

doi:10.15593/2224-9877/2020.2.06

The use of a metal insert in the core to control the solidification speed of the casting

Authors: Sharov K.V¹, Bogomyagkov A.V¹, Pustovalov D.O¹, Shumkov A.A¹, Merkusheva L.M¹, Nikitin N.E¹
Affiliations:
1. Perm National Research Polytechnic University
Issue: Vol 22, No 2 (2020)
Pages: 52-58
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/2962
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2020.2.06
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

Obtaining a dense fine-grained casting is an important task. The paper defines ways to obtain such a casting - to accelerate the process of heat removal from the melt and to ensure the principle of directional solidification. The use of cooling elements - chills - allows you to use both of these methods at the same time. An alternative to surface, internal, removable and fusible chill is the use of a metal insert in a sand core. Sand lining facilitates the removal of the core, the metal insert more efficiently absorbs and removes the heat of overheating. The paper shows the modeling of the solidification of a hollow cylindrical casting with a core with a metal insert and an all-sand core, and the same 3D-model was used for modeling. Solidification modeling was carried out in the ProCAST software package. Aluminum alloy AK12 was used at a temperature of 700 °C, a single sand form, a cast-iron and copper insert into the core at a temperature of 20 °C. The solidification time of castings using a hollow core, a sand core, a core with cast iron and copper inserts is given. A method for calculating a metal insert based on the heat balance equation is given, where its volume is determined that will absorb and remove all the heat of overheating of the melt, without causing defects associated with filling out the form. It was found that the use of a cast iron insert in the core allowed to reduce the solidification time by 16.78 % compared to a hollow core, and by 11.97 % compared to a solid sand core, which can positively affect the metal structure and contribute to the creation of directional solidification in casting. The degree and depth of heating of the rod when using a metal insert is much less.

Keywords

ProCAST, single sand form, chill, directional solidification, solidification speed, core, structure, structure management, grain, shrinkage, heat balance equation, finite element method, ProCAST.

Full Text

Введение Повышение качества отливок является важной задачей, так как большое число заготовок в машиностроении, авиа- и ракетостроении, добывающей отрасли получают литьем. Соответственно, чем качественней и надежней заготовка, тем качественней и надежней будет полученная деталь, тем дольше она будет эксплуатироваться и тем конкурентоспособней будет собранное изделие. Помимо этого, нужно учитывать комплекс экономических и экологических выгод, связанных с отсутствием необходимости исправления дефектов и переплавки брака. Получение плотной мелкозернистой отливки Получение отливки с надлежащими эксплуатационными свойствами - задача комплексная. Зачастую требованиям качества будет удовлетворять плотная отливка с мелкозернистой структурой [1-3]. Методы получения таких отливок включают комплексное воздействие на структуру металла, например модифицированием, увеличением скорости охлаждения частей отливки и обеспечением питания на протяжении всего этапа затвердевания (рис. 1). Измельчение структуры за счет увеличения скорости охлаждения достигается благодаря полной или частичной замене материала формы на материал с большей теплопроводностью. Вместо песчаной формы могут использоваться металлические, как постоянные - кокили [4], так и разовые формы - магнитная формовка при литье по газифицируемым моделям [5]. Измельчение структуры, по сравнению с литьем в разовые песчаные формы, весьма значительное, например в работе Sonne, Frandsen, Hattel [6] получено увеличение количества углеродных включений в ковком чугуне с 17 до 159 на мм2. Однако сами кокили достаточно дороги, в полученных в них отливках возникают большие напряжения, по сравнению с песчаной формой [7]. Зачастую нецелесообразно выполнять форму полностью металлической, достаточно расположить небольшой теплоемкий элемент в нужной ее части [8], чтобы снять перегрев с расплава и ускорить его затвердевание. Такой элемент называют холодильником [9, 10]. Захолаживание можно произвести несколькими путями: установкой наружных холодильников - элементов формы [11], внутренних удаляемых холодильников (при последующей механической обработке при получении отверстия), внутренних расплавляемых холодильников и холодильников, армирующих отливку [12, 13]. Основными недостатками наружных холодильников являются: повышенная трудоемкость выбивки, связанная со сбором холодильников; возможность образования конденсата на них, что приведет к насыщению расплава газами; возможность применения таких холодильников только для охлаждения поверхности его контакта с отливкой, а не всего объема охлаждаемой части. Внутренние удаляемые холодильники повышают трудоемкость последующей механической обработки, также их использование для отверстий больших размеров нерентабельно. Плавкие холодильники требуется изготовить из того же материала, что и отливка, к тому же при их переплавке возможно образование оксидных плен и засоров, если холодильники не были должным образом подготовлены [9, 14]. Однако плавкие холодильники можно использовать как своего рода модификатор - при расплавлении материала холодильника Рис. 1. Способы получения плотной мелкозернистой отливки создаются дополнительные центры кристаллизации, и они потоком расплава распределяются по объему отливки [15, 16]. Измельчение структуры возможно также при помощи введения модификаторов [17] и инокуляторов [16]. Эти способы широко применяются, но далее в этой работе рассматриваться не будут. Плотную отливку можно получить только в случае полного вывода усадочной раковины в специальный технологический прилив, называемый прибыльной частью или просто прибылью. Для этого требуется, во-первых, технологично расположить отливку в форме (вышележащая часть отливки должна служить прибылью для нижележащей), установить прибыльные части в местах выхода усадочных раковин, обеспечить должный объем прибылей и достаточно долгое время их действия - прибыль должна остывать последней. Для расчета размеров прибылей существует ряд методик, основанных как на теоретических положениях, так и на практическом опыте; большинство методик основаны на вычислении предполагаемого объема усадочной раковины. Но наибольшее распространение на практике получил метод Пржыбыла [18-22], позволяющего определить как минимально необходимый объем прибылей, так и геометрические размеры прибыли. Кроме того, существуют методики, в основе которых лежит формула определения минимального объема прибыли Пржыбыла, но с отличными от нее соотношениями для определения геометрических размеров прибыли, например метод выкатываемых окружностей [23, 24]. Помимо этого, теоретически может быть рассчитан и профиль усадочной раковины, что может быть полезным при корректировке размеров прибылей [25, 26]. В литейном производстве затвердевание отливки возможно по одному из двух принципов - одновременного и направленного затвердевания. Одновременное затвердевание всех частей отливки позволяет снизить величину напряжений, возникающих в ней при затвердевании, также в этом случае не возникает концентрированной и ярко выраженной усадочной раковины, а наблюдается только рассеянная усадочная пористость. Такой принцип подходит для сплавов с незначительной усадкой или для сплавов с предусадочным расширением [27]. Плотную отливку, особенно из сплавов со значительной усадкой, можно получить только при направленном затвердевании - принципе, при котором затвердевание происходит последовательно, от тонких элементов к более толстым, что позволяет полностью питать отливку на протяжении всего периода затвердевания и полностью вывести усадочную раковину в прибыль [9, 18]. Проанализировав вышесказанное, можно сделать вывод, что установка холодильника в форму позволит реализовать сразу несколько способов улучшения качества отливки: направленное затвердевание, измельчение структуры, обеспечив большую скорость охлаждения. Важными частями отливки часто являются зоны вокруг отверстий, оформляемых стержнем. Установка дополнительного теплопоглощающего и теплоотводящего элемента в стержень может увеличить качество этой зоны. В работе [28] исследовано влияние такой вставки на время затвердевания цилиндрической отливки, однако не рассматривалась методика расчета требуемого объема. Материалы и методы исследования Исследование проводилось в программном комплексе ProCAST на кольцевой отливке из сплава АК12 (AlSi12a в стандартной базе материалов). Данный программный комплекс хорошо себя зарекомендовал как при моделировании технологических процессов, так и в лабораторных исследованиях. Модели системы приведены на рис. 2 и состоят из отливки в виде полого цилиндра 1, песчаной облицовки 2 и металлической вставки 3 (см. рис. 2, а), из отливки и цельного песчаного стержня 4 (см. рис. 2, б), отливки и полого оболочкового стержня (см. рис. 2, в). В скобках указан номер эксперимента. Для проведения исследований использовалась одна и та же 3D-модель при одинаковых условиях, но в каждом эксперименте задавались различные материалы центральной вставки и, соответственно, различные коэффициенты передачи тепла. Для того чтобы исключить влияние процесса заливки, форма принималась сразу полностью заполненной расплавом температурой 700 °С. Температура формы, стержней и окружающей среды была принята равной 20 °С. а б в Рис. 2. Схемы исследуемых систем: 1 - отливка; 2 - песчаный стержень-облицовка; 3 - металлическая вставка (I - чугун; II - медь); 4 - песчаный стержень (III); 5 - воздушная полость (IV) В работе [28] показана наибольшая эффективность чугунной вставки в стержень. Объем вставки, служащей для захолаживания отливки, может быть найден исходя из массы холодильников, необходимой для отвода теплоты перегрева. Для этого составляется уравнение теплового баланса [12]: где cо и cх - удельные теплоемкости теплового узла отливки и холодильника соответственно, кДж/(кг·°С); mо и mх - массы теплового узла отливки и холодильника соответственно, кг; Tзал, Tл - температуры заливки и ликвидуса сплава соответственно, °С; Tк.х, Tн.х - конечная и начальная температуры холодильника, °С; Sэф - эффективная теплота кристаллизации материала отливки, кДж/кг. Отсюда масса холодильника Для данной отливки cо = 838 кДж/(кг·°С); cх = 460 кДж/(кг·°С); Sэф = 393 кДж/кг; Tзал = 700 °С, Tл = 580 °С [29], Tк.х = 570 °С, Tн.х = 20 °С; mо = 0,407 кг. Масса чугунного холодильника получается равной 0,162 кг. Исходя из полученных массовых характеристик в качестве захолаживающего элемента применяется чугунный стержень диаметром 24 мм и высотой 50 мм. Расчет медной вставки проводится аналогично. Объем и масса песчаного стержня, как правило, не рассчитываются с точки зрения теплоаккумулирующей способности. Размеры и конфигурация песчаных стержней определяются конфигурацией отверстия в отливке и регламентируются ГОСТ 3213-92 [12]. Толщина стенок полых стержней определяется их конструктивной прочностью [30]. Результаты исследования и обсуждение Рассмотрим процесс затвердевания получившейся системы. Затвердевание системы со стержнем с чугунной вставкой показан на рис. 3. Тепло эффективно поглощается на всем протяжении затвердевания. С помощью цветовой шкалы (см. рис. 3, а) можно проследить, что при 24 % твердой фазы в расплаве металлическая вставка все еще холодная (см. рис. 3, б), прогревается до 200-300 °С при 80 % твердой фазы (см. рис. 3, в) и температура вставки немного превышает 300 °С при полном затвердевании отливки (см. рис. 3, г). У песчаной оболочки сильно прогрета только часть, непосредственно контактирующая с отливкой. Песчаный стержень прогревается значительно сильнее. С помощью цветовой шкалы (рис. 4, а) можно проследить, что при 24 % твердой фазы стержень прогрет, температура в центре свыше 100 °С (рис. 4, б), при 80 % температура в центре 380-420 °С (рис. 4, в) и при полном затвердевании внутренняя часть стержня прогрета свыше 400 °С, а поверхность, контактирующая с отливкой, имеет температуру последней свыше 500 °С. При сравнении видно, что песчаный стержень прогрет сильнее, чем стержень с металлической вставкой; также поля температур у внешней поверхности стержня обладают меньшей кривизной и меньшим шагом при использовании чугунной вставки. а б в г Рис. 3. Распределение температур в модели системы со стержнем с чугунной вставкой: а - цветовая шкала, °С; б - 24 % твердой фазы; в - 80 % твердой фазы; г - 100 % твердой фазы а б в г Рис. 4. Распределение температур в модели системы с песчаным стержнем: а - цветовая шкала, °С; б - 24 % твердой фазы; в - 80 % твердой фазы; г - 100 % твердой фазы Результаты моделирования скорости охлаждения Номер эксперимента Материал вставки (название в базе ProCAST) Коэффициент теплообмена, Вт/(м2·К) Время затвердевания, с I Чугун (cast iron stress) 3000 411,94 II Медь (cooper chill) 3000 427,33 III Песок (sand silica) 300 467,93 IV Воздух (air) 20 495,03 Результаты моделирования времени затвердевания сведены в таблицу, также приведены материалы вставки с их названиями в стандартной базе программного комплекса ProCAST и условия теплообмена на границе облицовка-вставка для каждого эксперимента. Выводы Применение металлической (чугунной) вставки в стержне позволило сократить время затвердевания на 16,78 % по сравнению с полым стержнем, на 11,97 % по сравнению с цельным песчаным стержнем, что может положительно сказаться на структуре металла и поспособствовать созданию направленного затвердевания в отливке. Степень и глубина прогрева стержня при использовании металлической вставки значительно меньше. Использование металлической вставки в стержень позволит воздействовать на кинетику кристаллизации и поможет добиться направленного затвердевания. Определить требуемую массу металлической вставки, достаточную для отвода теплоты перегрева, можно с использованием уравнения теплового баланса.

About the authors