Моделирование литейных процессов в системе Procast

К сожалению, ценовая политика программного обеспечения остается в России основным критерием выбора необходимой программы. Уровень цен колеблется примерно от 10 тыс. до 120 тыс. дол. за 1 рабочее место. При этом некоторые разработчики программного обеспечения требуют обязательной годовой подписки на обновления, которая может достигать 20% от приобретаемой версии.

Стоит обратить внимание на удобство использования данных программ, так как некоторые из них имеют весьма «тяжелый» интерфейс и не переведены на русский язык. Большинство программ, базирующихся на МКЭ, имеют очень трудный для использования интерфейс, что в сочетании с нулевым опытом работы на ЭВМ технологов-литейщиков сводит использование любой хорошей программы к нулю.

Любая программа имеет базу данных теплофизических свойств материалов и сплавов. Отсутствие в базе данных требуемых сплавов или материалов формы приводит к неэффективному использованию программы или некорректным результатам. Провести исследования требуемых свойств для пополнения базы данных в России затруднительно. Зарубежные программы предлагают базу данных, адаптированную под мировые стандарты, поэтому использование зарубежных программ на отечественных предприятиях вызывает серьезные трудности. Некоторые программы, помимо базы данных по теплофизическим характеристикам, содержат данные о механических свойствах сплавов и материалов, для расчета деформационных процессов, происходящих при затвердевании. Однако стоит заметить, что ситуация с механическими свойствами находится еще в более плачевном состоянии.

Опыт использования литейных программ на отечественных предприятиях показал, что в 90% случаев программы необходимы для решения задач, связанных с устранением грубых усадочных дефектов. С этой задачей могут справиться все литейные программы, в большей или меньшей степени. Для упрощения решения поставленной задачи технологам стоит обратить внимание на программы, использующие МКР, так как они справляются с такой задачей значительно быстрее, чем программы, использующие МКЭ, и не требуют высокой квалификации. Лучшей программой, основанной на МКР, является Magmasoft. Но сложность использования и высокая стоимость ограничили ее распространение в России. Из интересных разработок следует рекомендовать корейскую AnyCasting, американскую SolidCast и российскую - LVMFlow версии 2.92. LVMFlow значительно выигрывает среди указанных программ по возможностям, имеет русский интерфейс и отечественную базу данных. Остальные программы, использующие МКР, имеют ограниченный набор возможностей и в России не представлены. Что касается программ, основанных на МКЭ, можно смело заявить, что их использование на обычных предприятиях неэффективно! Главная причина - отсутствие квалифицированного персонала, сложность и длительность работы, а также высокая стоимость. Например, программа ProCast является лидером среди литейных программ по точности расчетов и предоставляемым возможностям. Однако обычным предприятиям весь спектр получаемых результатов не нужен. ProCast следует рекомендовать предприятиям, занимающимся изготовлением изделий ответственного назначения, для получения которых можно пожертвовать временем на проведение сложного компьютерного моделирования, а также высокими материальными затратами. Для работы с ProCast необходимо создавать на предприятии отдельный отдел по проектированию литейной технологии и завязывать его в общую цепочку сквозного проектирования с использованием, например, установок быстрого прототипирования. Только в этом случае можно увидеть реальные результаты использования сложной программы[27].



3. Лабораторные исследования литейных процессов

ESI Group представляет набор приложений для литейной промышленности.

ProCAST предоставляет обширный набор модулей и инструментов для удовлетворения самых серьезных производственных нужд. ProCAST, основанный на методе Конечных Элементов (КЭ), способен кроме этого прогнозировать возникновение деформаций и остаточных напряжений в отливке и может применятся для анализа таких процессов как изготовление стержней, центробежное литье, литье по выжигаемым моделям, непрерывное литьё.

Рисунок 3.1 Графический интерфейс БД Материалов

ProCAST - система моделирования литейных процессов, обеспечивающая совместное решение температурной, гидродинамической и деформационной задач, вместе с уникальными металлургическими возможностями, для всех процессов литья и литейных сплавов.

Рисунок 3.2 Структура ProCAST

ProCAST поставляется с 3D генератором тетрагональной сетки и средством чтения и анализа геометрии из CAD-систем, что обеспечивает связь между средой разработки и редактором сеток. Имеются конвертеры для следующих форматов: IGES, STEP, VDA, Parasolid, Unisurf, ACIS, UNIGRAPHICS, AutoCAD, CATIA v4 и v5. Имеется автоматический генератор оболочек, позволяющий создавать оболочковые формы для литья по выплавляемым моделям (включая многослойные оболочки). Специальная опция для создания послойных сеток, обладающая повышенной точностью, позволяет генерировать совпадающие и несовпадающие сетки. Генератор позволяет выполнять сборки поверхностных сеток с проведением булевых операций.

Точное описание геометрии, обусловленное применяемым Методом Конечных Элементов, позволяет системе ProCAST моделировать заполнение формы жидким расплавом и получать верные представления о:

1. Размывании песчаной формы;

2. Воздушных карманах, оксидах и турбулентном течении, возрасте материала;

3. Непроливах и холодных спаях;

4. Длине течения;

5. Переливах.

Расчет течения описывается полным уравнением Новье-Стокса, и может проводиться совместно с анализом температуры и напряжений. В решатель добавлены специальные модели для анализа турбулентных потоков, тиксотропных или твердо-жидких материалов, центробежного литья, литья по выжигаемым моделям и производства стержней.

Термический решатель позволяет рассчитывать тепловой поток с учетом теплопроводности, конвекции и излучения. С помощью энтальпии учитывается тепловыделение, связанное и изменением фазового состава при кристаллизации и в твердом состоянии. С его помощью решаются следующие задачи:

1. Термические узлы и пристость;

2. Макро- и микропористость;

3. Оптимизация охлаждения и нагрева;

4. Конструкция литников и прибылей;

5. Решатель напряжений.

Существующий решатель напряжений работает совместно с термическим и гидродинамическим решателями и реализует упруго-пластичную и упруго-вязкопластичную модели поведения материалов. Кроме этого могут применяться более простые модели, например упругая, свободная или жесткая. Совместный расчет напряжений позволяет прогнозировать с высокой точностью:

1. Термический и механический контакты;

2. Горячие трещины и разломы;

3. Разрушение и деформации;

4. Усталость;

5. Напряжения в отливке и форме.

С ProCAST поставляется большая база данных материалов. Ее содержание постоянно пополняется достоверными данными, проверенными в условиях производства.

В ProCAST включена уникальная термодинамическая база данных, которая позволяет пользователю, введя химический состав сплава, автоматически получить тепературные кривые свойств, необходимых для проведения точного расчета литейного процесса.

ProCAST предоставляет законченное решение для моделирования непрерывного и полунепрерывного литья заготовок. Программа способна моделировать установившийся режим, начальную и конечную стадии процесса.

Модуль инверсного расчета позволяет автоматически рассчитать параметры материала или процесса на основе температур, измеренных в заданных точках или в заданные моменты времени. Первичное и вторичное охлаждения могут быть определены по инверсному расчету.

ProCAST предоставляет уникальную возможность - Функции пользователя, позволяющие опытным пользователям программировать специфические особенности технологического процесса. Например, с помощью Функции пользователя можно задать граничное условие, зависящее от времени, температуры и положения в пространстве, что позволяет точно смоделировать некоторые специфические литейные технологии.



3.1 Программный комплекс для моделирования литья ProCAST

Рисунок 3.3 Программный комплекс

Рисунок 3.4 Входные данные сетки

Рисунок 3.5 Графический интерфейс PreCAST

Рисунок 3.6 Интерфейс назначения материала

На рисунке 3.4 представлены данные по сетке, здесь важно проверить единицы измерения и габариты модели.

На рисунке 3.6 справа сверху представлен список объёмов, на модели выделяется красным, а справа снизу - список материалов из база данных программы. Обязательно нужно назначить всем объёмам материалы.

Рисунок 3.7 Интерфейс разделов фаз

После выбора материалов определяют поверхности разделов. На рисунке 3.7 справа сверху - список всех возможных поверхностных контактов в модели, справа снизу - база данных по коэффициентам теплопередачи на границе раздела. Для каждой пары обязательно необходимо выбрать коэффициент теплопередачи.

После определения коэффициента теплопередачи необходимо установить граничные условия.

На рисунку 3.9 с помощью осей находим правильный вектор силы тяжести. Значение вводится согласно выбранным единицам измерения (рис.3.8). Автоматически выставляется 9,81 м/с².

Рисунок 3.8 Сила тяжести по векторам

Рисунок 3.9 Схема модели в пространстве

После этого вводятся начальные условия. Начальная температура (рис.3.8) вводится для каждого материала, можно установить как постоянное значение или как извлечённую из предыдущих расчётов.

Рисунок 3.10 Таблица начальной температуры

Далее вводятся необходимые параметры расчёта (рис.3.11). Различные категории параметров расчёта расположены во вкладках. Вторая вкладка содержит различные модули ProCAST. Для каждого модуля параметры запуска разделены на вкладку (Standard), содержащие чаще всего используемые параметры и вкладку (Advanced) с менее используемыми параметрами. Значения параметров расчёта сохраняется, и могут быть изменены в PreCAST или непосредственно «вручную».

Рисунок 3.11 Окно ввода параметров расчёта

При выборе гравитационной заливки большинство параметров будут настроены автоматически.

Рисунок 3.12 Окно параметров расчёта

На рисунке 3.12 выделены три основных параметра. В первом вводиться количество шагов расчёта. Во втором - время и ед. измерения. В третьем - единицы измерения, которые будут использоваться при просмотре результатов в ViewCAST.

На рисунке 3.13 выделены три основных параметра заполнения. FreeSF - определяет модель расчёта свободной поверхности сплава. LVSURF - значение представляющее процент заполнения формы расплавом. Courant определяет предел изменения расчётного шага по времени.



Рисунок 3.13 Окно параметров расчёта заполнения

Рисунок 3.14 Окно *p.dat файла

По окончанию выбора параметров файл сохраняется и оптимизируется. Для оптимизации нужно в *p.dat файле добавить параметр WSOFF. Число стоящее после этого параметра определяет количество точек заливки.

3.2 Моделирования отливок (технологические расчёты)

Составляющие модули-решатели построения системы соответствуют не конкретным литейным технологиям, а физическим процессам, которые в различных сочетаниях реализуются этими технологиями.

Разработчики программы считают «… используя наглядный и интуитивно понятный интерфейс, пользователь формирует расчетную модель, а необходимые решатели подключаются в процессе решения (какие именно -- зависит от набора параметров …».

Однако автор настоящей работы считает, что данное утверждение сильно преувеличено и потому в помощь при работе необходимо на начальном этапе составление и применение таблицы (№ таблицы).

Таблица 3.1

Таблица для пользования программами PROCast

№ п/п	Операция	Действие	Примечание
Запуск программы
1	Открытие программы ProCast	Значок «ESI Group»	На рабочем столе
1.1	Открытие программы Visual-Envirmoment 8.6	Значок«Visual-Envirmoment 8.6»	ESI Group
1.2	Импорт геометрии	Значок «open»
1.3	Выбор формата	«IGES»
1.4	Проверка на ошибки геометрии	Клавиши: «prepare», «repair», «check»	Если есть ошибка выделяем ее в нижнем меню и нажимаем next
1.5	Автоматическое исправление ошибки	Клавиша: «auto correct»	Для исправления ошибки
1.6	Сборка (привязка поверхности между 2 телами)	Клавиши: «prepare», «assembly», «check», «next»
1.7	Сборка всех элементов	Клавиша: «assembly all»
Построение сеток
1.8	Построение поверхностной сетки	Меню «2D», затем клавиша: «surfacemech»	В окне можно изменять размер сетки
1.9	Построение поверхностной сетки	Вкладка «metodpave» (плитки одного размера), затем вкладка «mechallsurface»	Для изменения построенной сетки в дереве модели выбираем папку «Elements, 2D»«удалить»
1.10	Проверка ошибок	Меню: «2D», затем «check surface mesh», далее «check»	При ошибках нажать «autocorrect»
1.11	Сохранение	Значок «Save»
1.12	Построение объемной сетки	Меню: «3D», затем «volume mech»	Выделение всего объема поверхностной сетки
1.13	Проверка на ошибки	Клавиши: «prepare», «repair», «check»	Если есть ошибка выделяем ее в нижнем меню и нажимаем next
1.14	Сохранение в формате «Mesh»	Клавиша: «File», затем «Export»	Сохранение в формате «Meshfiles»
1.15	1 Вариант: Открытие программы PreCAST	Значок: «PreCast»	Подготовка параметров технологического процесса
1.16	2 Вариант: Открытие программыVisual-Cast	Значок: «Visual-Cast»
1.17	Выбор материала для отливки	Панель управления, значок: «VolumeManager»
1.18	Построение наполнителя для детали	Меню: «Prepare», затем «Enclosure»	Форма наполнителя либо бокс, либо цилиндр
1.19	Построение объемной 3Dи поверхностной 2Dсетки после построения наполнителя	Панель управления, значок: «2DMesh», затем «Surfache»	Построение может для отдельных групп элементов
1.20	Проверка на ошибки	Клавиши: «prepare», «repair», «check»	Если есть ошибка выделяем ее в нижнем меню и нажимаем next
1.21	Создаем материал наполнителя	prepare, enclosure, cylinder Указатьгабаритынаполнителя(radius, height), apply, close	Либо импортировать его отдельно, построить геометрию этой формы
1.22	Проводим сборку	prepare, assembly, check
1.23		assembly all	Чтобы объединить все контактные поверхности и изменить объемы
1.24	Строим объемную сетку	3D mesh, volume mesh
1.25	Сохраняем	file, export
Выбор условий
2	Выбор материала	cast, volume manager	Необходимо переименовать для того чтобы идентифицировать эти тела
2.1	Для корочки и их формы	cast, volume manager, mold
2.2	Для струи отливки	aloy (type), material
2.3	Для корочки	material, refractory aluminia
2.4	Для наполнителя формы	material, sand 14
2.5	Устанавливаем начальную температуру
2.6	Для отливки	intial temp	Начальная температура = температуре заливке металла
2.7	Корочка и форма	intial temp до 800°С	Сохраняем
2.8	Устанавливаем коэффициент теплопередачи	cast,interface HTC manager
2.9	Для корочки струи и отливки	interface, condition
2.10	Граничные условия процесса	cast, process condition manager	Необходимо установить условия охлаждения этой формы на воздухе, условия заполнения формы и условия вращения формы
3	Условия охлаждения формы	аdd, thermal (4), heatвыбираем обл., т.е. внешняя область формы
3.1	Условия заливки данной формы	аdd, thermal (4), heat, temperature	Устанавливается через 2 параметра
3.2		add, fluid flow, velocity	Скорость потока на входе
3.3	Условия вращения формы	аdd, geometrical, revolution
3.4		volume	Задается объем
3.5		apply, close	Сохраняем все наши изменения
3.6	Настраиваем параметры моделирования центробежного литья	cast, simulation parameters	Задаем сохраненный шаблон
Запуск расчета
3.7	Запускаем расчет	cast, start simulation	ВыбираемProCast (Parallel)
3.8		monitor	Смотрим статус текущего моделирования

Для практики работы с программой были выбраны несколько произвольных 3D моделей.

Пробка

Рисунок 3.15 Исходная модель (пробка)



Рисунок 3.16 Построение поверхностной сетки и исправление ошибок

Рисунок 3.17 Построение поверхностной сетки и исправление ошибок (увеличенная)



Рисунок 3.18 Построение наполнителя для детали

Рисунок 3.19 Построение поверхностной 2D сетки после построения наполнителя



Рисунок 3.20 Построение объемной 3D сетки после построения наполнителя

Рисунок 3.22 Выбор материала для наполнителя



Рисунок 3.21 Выбор вектора гравитации

Рисунок 3.23 Построение симметрии отливки



Рисунок 3.24 Настройка параметров моделирования центробежного литья

Рисунок 3.25 Шестерня



Рисунок 3.26 Исходная модель

Рисунок 3.27 Построение 2D сетки



Рисунок 3.28 Построение 3D сетки

Рисунок 3.29 Выбор металла для заливки



Рисунок 3.30 Выбор материала

Рисунок 3.31 Построение симметрии детали



Рисунок 3.32 Построение наполнителя

Рисунок 3.33 Построение 3D сетки наполнителя



Рисунок 3.34 Наполнитель

Рисунок 3.35 Построение стержня



Рисунок 3.36 Построение 3д сетки (дна наполнителя)

Рисунок 3.37 Выбор материала для дна наполнителя



Рисунок 3.38 Щуп

Рисунок 3.39 Построение 2D сетки



Рисунок 3.40 Литниковая сетка

Рисунок 3.41 Построение 3D сетки



Рисунок 3.42 Основная база данных (выбор материала)

Рисунок 3.43 Сетка

Рисунок 3.44 Выбор материала для отливки

Рисунок 3.45 Выбор материала для наполнителя



Рисунок 3.45 Выбор материала для наполнителя

Рисунок 3.46 Выбор коэффициентов теплопередачи

4. Технологические исследования литейных процессов

4.1 Оборудование и техника эксперимента

Была разработана чрезвычайно простая кольцевая проба, которая в разных модификациях удобна при исследовании цветных сплавов. Сплав заливается без специальной литниковой системы прямо в открытую полость формы - простейший кокиль со стальным стержнем. На поверхности кольцевой отливки измеряется суммарная длина трещин или относительная длина основной трещины - оба являющаяся показателем горячеломкости.

Рисунок 4.1 Кокиль для кольцевой пробы на горячеломкость: 1 - съёмный стакан; 2 - стержень

Принятая кольцевая проба даёт комплексный показатель горячеломкости, характеризующий как сопротивляемость сплава образованию, так и развитию кристаллизационных трещин.

Для приготовления опытных сплавов использовалась муфельная печь ЭКПС-10 мощностью 2,2 кВт с тиглями объёмом 300 мл. В качестве сырья использовался слиток (Ag 90%, Au 3%, Cu 7%) массой 100 г. Температурой плавления 1000 ⁰С.

Сначала слиток загружаем в тигель. Далее тигель со слитком помещаем в заранее разогретую муфельную печь до температуры 1050 ⁰С. Спустя час расплав, вне печи, разливается в кокиль для получения кольцевой отливки. Кокиль так же был разогрет заранее до температуры 1050 ⁰С. После чего отливка остывает в течении получаса. Вышеизложенные операции повторяются 10 раз.

Для проведения анализа отливка сначала стачивается для получения макрошлифа, тщательно шлифуется, после чего образец промывается в воде и сушится бумажным фильтром. Далее анализируем под микроскопом «Olympus GX-51» все 10 образцов и подводим итоги практической части опытов.

4.1.1 Описание печи ЭКПС-10

Рисунок 4.2 Муфельная печь ЭКПС-10

Предназначены для выполнения лабораторных аналитических работ; выплавки и выжига восковых моделей из литейных форм, обжига литейных форм, термической и высокотемпературной обработки материалов и металлов в воздушной среде, обжига керамических изделий, прокаливания, отпуска и отжига изделий и материалов, плавки и пайки цветных металлов, изготовление ювелирных и сувенирных изделий. Применяются в ортопедической стоматологии, на предприятиях пищевой, легкой и тяжелой, химической промышленности, в производстве ювелирных украшений, изделий из керамики, на предприятиях, занимающихся металлообработкой, кирпичных и керамзаводах, горно-обогатительных комбинатах и т.д.

Муфельные электропечи обеспечивают:

· программирование режимов работы;

· цифровую индикацию параметров программы;

· сохранение параметров программы при отключении электропитания;

· автоматический запуск рабочей программы в заданное время;

· равномерное распределение температуры в рабочей камере;

· быстрый разогрев до заданной температуры.

Муфельные электропечи обладают:

· минимальным временем выхода на рабочий режим;

· программированием скоростей нагрева;

· малым энергопотреблением;

· оптимальными весовыми характеристиками;

· звуковой сигнализацией превышения температуры;

· простотой в эксплуатации;

· высокой надежностью в работе.

Таблица 4.1

Технические характеристики муфельной печи ЭКПС-10

Свободный объем рабочей камеры, л	10
Максимальная рабочая температура, °С	1300 (1100)
Размеры рабочей камеры (ШхВхГ), мм.	160 х 165 х 285* (192 х 167 х 290)
Максимальное время разогрева до max рабочей температуры, мин., не более	50 (90)
Мощность, кВт	2,8 (2,2)
Напряжение сети, В	220
Габаритные размеры с автономной вытяжкой (Ш х В х Г), мм	490 х 704 х 648
Габаритные размеры без автономной вытяжкой (Ш х В х Г), мм	490 х 600 х 570
Масса, кг	31
Температура окружающей среды при эксплуатации, °С	10... 35
Дисректность температуры, °С	1
Дискретность времени, мин.	1
Установка интервалов временного диапазона, мин	1... 9999

4.1.2 Описание и принцип действия микроскопа «Olympus GX-51»

Микроскопы серии GX-51 являются эргономичными, надежными инвертируемыми микроскопами, специально сконструированными для выполнения всех контрольно-измерительных задач и техники испытаний материалов в целом, для входного контроля, контроля продукции, выборочной проверки технологического процесса. Все микроскопы серии GX - модульной конструкции, которая позволяет пользователю легко скомбинировать модификацию, необходимую для решения стоящих перед ним задач.

Данный микроскоп оснащен цифровой камерой Altra20 и предназначен для получения в отражённом свете: светлопольных и темнопольных изображений; изображений дифференциального интерференционного контраста (DIC); изображений в поляризованном свете. Предельное увеличение микроскопа: Ч1000 (сменные объективы Ч5, Ч10, Ч20, Ч50, Ч100).

Так как микроскоп предназначен для рутинных исследований, его конструкция отличается удобством и быстротой смены режимов.



Рисунок 4.3 Микроскоп «Olympus GX-51»

Микроскоп имеет при себе сопутствующую программу «SiamsPhotolab», предназначенную для обработки поступающих с камеры снимков, поскольку современный уровень развития науки и промышленности обуславливает необходимость применения нестандартных подходов к разработке новых технологий анализа состава, структуры и свойств новых и традиционных материалов, а одним из основных источников получения такой информации являются изображения исследуемых материалов.

Необходимость обработки большого количества изображений, проведения массового анализа исследуемых образцов и устранения субъективных ошибок, вносимых операторами, привела к созданию анализаторов изображений - специализированных компьютерных программ. В настоящее время существует ряд универсальных и специализированных программных пакетов, которые позволяют более или менее успешно решать типовые задачи анализа, а достигнутый уровень разработки теоретических основ и методов обработки вместе с интенсивным развитием аппаратной базы позволяют создавать автоматизированные и автоматические программно-аппаратные комплексы. Одной из последних тенденций, направленных на достижение универсальности продуктов, высокой степени наглядности процессов обработки и анализа данных в сочетании с возможностью корректировки отдельных этапов и повышением уровня автоматизации процессов является разработка и применение программных продуктов, создаваемых по технологии электронных таблиц.

Анализ изображений в 5 электронных таблицах до недавнего времени практически не использовался, хотя электронные таблицы и нашли широкое применение в различных областях науки и бизнеса для обработки числовой и текстовой информации. Компаниями SIAMS (Россия) и SmartImagingTechnologies (США) была разработана система автоматизированного анализа изображений «SIAMS Photolab» (SIMAGIS Research) с использованием технологии электронных таблиц, которая значительно облегчает процесс анализа изображений и позволяет существенно повысить уровень его автоматизации.

Обработка изображений в «SIAMS Photolab» производится в цепочке взаимосвязанных ячеек, содержащих исходное изображение, результаты промежуточных этапов обработки, конечное обработанное изображение и результаты измерений в виде чисел, графиков и гистограмм. После создания цепочки для обработки нового образца по заданному алгоритму достаточно заменить исходное изображение. При этом имеются возможности для визуального контроля и ручной настройки параметров любого этапа обработки. Помимо автоматизированной обработки, система позволяет проводить редактирование изображений в ручном и полуавтоматическом режимах. В системе предусмотрена генерация отчетов формата MS Word и экспорт изображений, числовых и текстовых данных в наиболее распространенные форматы. Библиотека функций системы содержит практически все известные на настоящий момент универсальные и большое количество уникальных алгоритмов обработки изображений. Поэтому достаточно разместить в ячейке таблицы интересующую функцию, выбрав ее из списка, и настроить параметры. После применения настроек результаты обработки отображаются в ячейке. Также возможно реализовывать уникальные функции с использованием макросов.

В “SIAMS Photolab” реализованы такие преимущества технологии электронных таблиц как универсальность, наглядность, простота использования, высокая степень автоматизации процесса обработки и анализа. Кроме того, система представляет собой среду для визуального моделирования, с элементами базы знаний в виде большого количества универсальных и уникальных алгоритмов обработки изображений.

Рисунок 4.4 Схема микроскопа «Olympus GX-51»

Все входящие в состав системы модули могут быть разделены на три группы:

инструменты - универсальные модули (таблицы), предназначенные для выполнения часто исполняемых процедур (измерение углов и размеров объектов, сшивка серий перекрывающихся изображений, реконструкция сфокусированного изображения), рабочая таблица, модуль пакетной обработки и генератор web-альбома.

готовые решения - специализированные модули для автоматизированного решения конкретных задач обработки изображений в различных предметных областях;

примеры - таблицы, содержащие примеры цепочек обработки.

4.2 Исследования горячеломкости сплавов системы Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu

Горячеломкость - склонность металлов и сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению при наличии жидкой фазы по границам зёрен. Такое разрушение широко распространено при литье и сварке; оно встречается также при горячей обработке давлением, термической обработке и эксплуатации изделий при повышенных температурах.

Из литературных данных известно, что все металлы и сплавы в той или иной степени горячеломки. При литье и сварке горячеломкость сплава проявляется в образовании так называемых «горячих» трещин в слитках, фасонных отливках и сварных швах. Горячие трещины - один из наиболее распространённых и трудно устранимых видов брака. Если оплавление границ зёрен при горячей обработке давлением, термообработке и эксплуатации изделий можно более или менее легко предотвратить, очищая метал от легкоплавких примесей, вводя в него малые добавки для связывания этих примесей в тугоплавкие соединения или, наконец, просто ограничивая температуру нагрева точкой солидуса границ зёрен, то при литье и сварке плавлением переход через интервал кристаллизации всегда неизбежен. Поэтому горячеломкость чаще всего проявляется в двух последних процессах.

Противоречивость проблемы горячих трещин обусловлено главным образом тем, что горячеломкость - свойство технологическое и, как всякое технологическое свойство, оно является комплексным, сложносоставным, зависящим от протекания в металле одновременно нескольких «элементарных» процессов. Например, на рисунке 1 представлена зависимость горячеломкости от формы и размеров зерен сплава.

Любая технологическая проба на горячеломкость, как бы хорошо она не была приспособлена к условиям конкретной производственной задачи, не может в чистом виде выявить те элементарные процессы и соответственно те «составные» свойства сплава, комплекс которых определяет его горячеломкость.

Рисунок 4.5 Зависимость показателя горячеломкости (ПГ) сплава алюминия с 4% Cu от размера зерна (m) при разном перегреве расплава

Для определения свойств сплава, находящегося в твёрдо-жидком состоянии, обычно непригодны методики и установки, используемые для изучения сплавов в твёрдом или жидком состоянии. Необходимо применять методики и приборы, специально предназначенные для изучения тех свойств сплава в твёрдо-жидком состоянии, совокупность которых определяет его горячеломкость.

Ниже представлены некоторые зависимости между технологическими параметрами сплавов и горячеломкостью:

1. Влияние состава сплавов на горячеломкость

Исследование зависимости горячеломкости от состава в количественной форме впервые было выполнено Вэрэ на примере системы Al - Si (рис. 4.6). По его данным, при добавлении кремния к алюминию горячеломкость возрастала, достигала максимума при содержании 1.6% Si и при переходе через эту концентрацию скачком падала до нуля. Хотя наличие такого скачка в дальнейшем не было подтверждено, но работа Вэрэ сыграла важную роль: в ней впервые по экспериментальным данным был построен график «горячеломкость - состав», показавший, что при увеличении концентрации второго компонента горячеломкость проходит через максимум и практически исчезает при достижении некоторого критического количества эвтектики.



Рисунок 4.6 Несовпадение максимумов эффективного интервала кристаллизации и горячеломкости в системе эвтектического типа

2. Влияние зональной ликвации на горячеломкость

Зональная ликвация наиболее развивается в сплавах, значительно более легированных, чем сплав с максимальным эффективным интервалом кристаллизации. В отсутствии её такие сплавы должны обладать сравнительно небольшой горячеломкостью. Зональная ликвация приводит к образованию в отливке участков, обеднённых легирующим элементом до концентраций, соответствующих составам сплавов с высокой горячеломкостью. Неоднородность микроструктуры отливки обуславливает также большой разброс значений горячеломкости в разных опытах.

3. Влияние примесей на горячеломкость

Примеси оказывают разнообразное и часто очень сильное действие на горячеломкость. Роль примесей неоднократно обсуждалась применительно к самым разным сплавам.

Примеси воздействуют на горячеломкость главным образом через изменение пластичности. Они могут расширить и сузить интервал хрупкости, увеличить и уменьшить относительное удлинение в нём. На развитии линейной усадки в интервале кристаллизации примеси обычно не сказываются.

4.2.1 Пути снижения горячеломкости сплавов

Горячеломкость сплава зависит от пластичности и линейной усадки его в твёрдо-жидком состоянии и от способности расплава залечивать возникающие трещины. Снижать горячеломкость сплава можно через повышение его пластичности в твёрдо-жидком состоянии, уменьшение линейной усадки кристаллизации и через усиление залечивания трещин расплавом.

Повысить пластичность и снизить линейную усадку в интервале кристаллизации путём изменения состава и структуры сплава - это значит:

1. Сузить температурный интервал хрупкости за счёт повышения его нижней границы и (или) снижения верхней границы.

2. Поднять уровень относительного удлинения во всём интервале хрупкости, в том числе и уровень минимального удлинения.

3. Сузить эффективный интервал кристаллизации за счёт снижения температуры начала линейной усадки и (или) повышения точки солидуса.

4. Уменьшить темп нарастания линейной усадки при понижении температуры в эффективном интервале кристаллизации.

Можно выделить четыре пути снижения горячеломкости сплавов.

Первый путь снижения горячеломкости - выбор оптимального состава по основным компонентам при разработке новых и улучшении существующих сплавов.

Второй способ снижения горячеломкости - регулирование содержания основных компонентов в пределах допусков ГОСТа или технических условий.

Третий путь снижения горячеломкости - регулирование содержания примесей в сплаве.

Четвёртый путь снижения горячеломкости - введение в сплав малых технологических добавок. Под технологическими добавками понимают такие малые добавки, основной целью введения которых является снижение горячеломкости. Технологические добавки могут резко повысить нижнюю границу интервала хрупкости, значительно опустить верхнюю его границу и температуру начала линейной усадки, а также повысить относительное удлинение в интервале хрупкости.

Для оценки горячеломкости сплавов не разработано общепризнанных проб. Иногда «новые» пробы полностью или почти полностью повторяют те, которые были предложены значительно раньше.

Литейные пробы на горячеломкость трудно разделять на классы, потому что их очень много. Однако среди всех существующих проб можно выделить три основные группы в соответствии с тем, что принимается за показатель горячеломкости или противоположную ей характеристику - сопротивляемость образованию трещин.

Одним из показателем горячеломкости является размер трещин при неизменной геометрии отливки. Так как жёсткость пробы постоянна, то размеры трещин могут характеризовать горячеломкость сплава. Была разработана чрезвычайно простая кольцевая проба, которая в разных модификациях быстро завоевала популярность при исследовании цветных сплавов.

Относительная длина основной трещины на кольцевых пробах изменяется при изменении состава сплава примерно так же, как суммарная длина всех трещин. Одновременно с развитием трещины в длину происходит её раскрытие, увеличение ширины. Длина и средняя ширина изменяются с составом качественно одинаково. Поэтому площадь трещины на поверхности кольца (произведение её длины на среднюю ширину) изменяется с составом качественно так же, как и длина трещины. Но измерение площади трещины существенно повышает трудоёмкость работы с кольцевой пробой.

Для большинства исследований вполне достаточна чувствительность кольцевой пробы с измерением длины трещин. На поверхности отливки измеряется длина макротрещины, которая может объединять многочисленные межкристаллитные микротрещины. Чем больше последних, тем длиннее измеряемая трещина. Поэтому длина макротрещины в определённой мере отражает сопротивляемость сплава появлению очагов разрушения. Вполне очевидно, что длина макротрещины отражает также сопротивляемость сплава её развитию. Следовательно, принятая кольцевая проба даёт комплексный показатель горячеломкости, характеризующий как сопротивляемость сплава образованию, так и развитию кристаллизационных трещин. С практической точки зрения эта комплексность весьма ценна, так как для производственника важен не только факт наличия трещин, но и их размеры: короткие и неглубокие трещины можно заварить, и отливка не бракуется. К пробам, в которых показателем горячеломкости служат размеры, иногда относятся как к примитивным и противопоставляют их более сложным и будто бы более научно обоснованным методам оценки горячеломкости, например, по критическому напряжению. В действительности же кольцевая и подобная ей пробы, отличаясь исключительной простотой, не уступают, а часто и превосходят по чувствительности многие более сложные методы оценки горячеломкости, в том числе и метод определения критической нагрузки. Достоверность данных, полученных более сложными методами, часто проверяют по совпадению с результатами определения размеров трещин на более простых кольцевых пробах.

Применение кольцевой пробы позволило многим исследователям накопить обширный экспериментальный материал о зависимости горячеломкости цветных сплавов от состава и структуры, причём полученные данные прекрасно согласуются с производственным опытом, а также с результатами подсчёта условного запаса пластичности в твёрдо-жидком состоянии. Недостатком кольцевой пробы является малая её жёсткость, не позволяющая исследовать литейные сплавы со сравнительно небольшой горячеломкостью, например, большинство силуминов. Недостатком всех проб с постоянной жёсткостью является узость диапазона определяемой горячеломкости. Если проба недостаточно жёсткая, то она не позволяет различить по величине горячеломкости малогорячеломкие сплавы, так как они вообще не дадут трещин. Если же проба слишком жёсткая, то она не позволяет классифицировать сплавы с высокой горячеломкостью, так как в этом случае трещины приводят к полному разрыву по всему сечению отливок. Поэтому при работе, например, с кольцевой пробой необходимо для данной сплавов подбирать диаметр стержня, т.е. ширину кольцевой отливки при постоянном внешнем её диаметре, так, чтобы проба могла «различать» по величине горячеломкости все эти сплавы. Последнее условие вообще невозможно выполнить, если в исследуемую группу входят сплавы с очень высокой и очень низкой горячеломкостью. Тогда приходится сравниваемые сплавы разделять на две подгруппы и применять к ним пробу с повышенной и пониженной жёсткостью.

Стандартная кольцевая проба на горячеломкость представляет собой отливку в виде плоских колец. В отливке создаются условия, благоприятные для образования усадочных напряжений вследствие механического торможения линейной усадки со стороны стержня. Кроме того, для образования термических напряжений применяют холодильники, которые увеличивают перепад температур в отливке. В результате этого возникающие деформации локализуются в одном месте - месте подвода металла к отливке, где заканчивается процесс кристаллизации. В этом месте и образуется трещина, если вынужденная деформация превысила значение предельной деформационной способности сплава.

Те же данные были получены в результате работы с программным комплексом ProCast (приложение 1 и 2).

Сплавы Al - Si являются наиболее распространёнными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим комплексом литейных свойств. Эвтектическая точка (11,7% Si) на диаграмме состояния (рисунок 4.7) смещена к чистому Al, поэтому основой эвтектики ??Si является ????твёрдый раствор. Если выделение кремния в эвтектике находится в виде крупных образований, то пластичность сплава резко ухудшается с увеличением доли эвтектики в структуре.

Модифицирование натрием (используются также Li, K, Sr) резко измельчает включения кремния в эвтектике, в результате повышается комплекс пластических свойств, что, в свою очередь, приводит к отсутствию склонности к образованию горячих трещин. Небольшое количество хрупкого кремния в эвтектике и модифицирование структуры позволяют использовать сплавы с наилучшим комплексом литейных свойств (сплав АЛ2 (АК12)). Доэвтектические сплавы с 5-9% Si и другими добавками также находят широкое применение (АЛ4 (АК9ч), АЛ9 (АК7ч)) (рисунок 4.8).

Рисунок 4.7 Диаграмма состояния Al - Si



Рисунок 4.8 База данных материалов ProCAST

Сплав АЛ2(АК12) (11.7% Si) - единственный промышленный двойной сплав системы Al - Si. Он характеризуется невысокими механическими свойствами, которые в зависимости от условий литья и размеров сечения отливки сильно колеблются.

Эвтектический состав сплава (10 - 13% Si) - обеспечивает ему отличный комплекс литейных свойств: наиболее высокую жидкотекучесть среди всех алюминиевых сплавов, отсутствие склонности к образованию трещин и пористости. Из сплава получают плотные, герметические отливки с концентрированной усадочной раковиной. Линейная усадка не превышает 0.8%. Сплав широко используется для всех способов литья в различные формы, применяется в модифицированном состоянии, без термической обработки. АЛ2(АК12) характеризуется высокой коррозионной стойкостью. Сплав АЛ2(АК12) применяют особенно широко для литья под давлением, а также для производства крупногабаритных отливок.

Сплавы системы алюминий - кремний - медь не имеют тройных соединений, а фазы б, CuAl₂ и Si образуют тройную эвтектику состава 63.50% Al, 31.5% Cu, 5% Si с температурой плавления 525 ⁰С, что очень часто встречается в промышленных сплавах (АЛ6, АЛ12). Сплавы типа силумин независимо от количества потребляемого кремния сохраняют в б - твёрдом растворе достаточно много меди (от 4.75 до 5.5%), в то время как содержание кремния в тройном б - твёрдом растворе колеблется от 0.1% до 1.5%. Наиболее типичными представителями тройных сплавов системы Al - Si - Cu является сплав АЛ6, который широко используется для изготовления приборов и агрегатов. АЛ6 обладает лучшими механическими свойствами, но худшими литейными, чем нормальный силумин. Применяется в литом состоянии без термической обработки.

4.2.2 Исследование горячеломкости сплавов системы Al - Si

Для оценки горячеломкости сплавов системы Al - Si были выбраны концентрации 0.25, 0.5,1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 5.0 % Si. Были выплавлены соответствующие составы исследуемых сплавов и отлиты технологические пробы. Общий вид отливки по кольцевой пробе показан на рисунке 4.9.

а)



б)

Рисунок 4.9 Отливка технологической пробы на горячеломкость соответственно немодифицированного (а) и модифицированного (б)

На рисунке 4.12 представлена кривая изменения горячеломкости сплавов системы Al - Si в зависимости от содержания второго компонента. Видно, что максимум горячеломкости соответствует сплаву, содержащему 0.25% Si. При дальнейшем увеличении концентрации кремния горячеломкость снижается и при содержании более 2% становится равной нулю. Снижение горячеломкости происходит благодаря уменьшению линейной усадки в интервале кристаллизации (вследствие увеличения количества жидкой фазы, кристаллизующейся при постоянной температуре).

Расчет возникающих напряжений в отливке и форме, расчет остаточных напряжений в отливке, расчет образования горячих трещин, расчет усадки и коробления отливки рассчитанных в системе ProCAST представлены на рис. 4.10.



Рисунок 4.10 Качество контакта между изделием и формой

Расчет тепло-физических свойств материала определены в программе ProCast, на базе встроенной базы данных и представлены на рис.4.11.

Рисунок 4.11 Расчет тепло-физических свойств материала

Увеличение количества эвтектики в сплаве создаёт также благоприятные условия для интердендритного питания и, следовательно, для залечивания возникающих трещин жидкостью эвтектического состава.



Рисунок. 4.12 Изменение горячеломкости сплавов системы Al - Si

На том же рисунке (4.12) приведено значение горячеломкости сплава, содержащего 0.25% Si с добавкой модификатора, в качестве которого использовался Zr в количестве 0.1%. Видно, что введение модификатора не оказывает влияния на снижение горячеломкости.

Модифицирование наиболее горячеломких сплавов титаном и цирконием либо не оказывает, либо оказывает незначительное влияние на снижение горячеломкости этих сплавов.

Изучение микроструктуры показало, что характер возникновения и развития горячих трещин всех исследуемых сплавов примерно одинаков, особенно при малых концентрациях легирующих элементов. Горячие трещины развиваются по прослойкам эвтектической составляющей сплава, располагающимся по границам зёрен. При высоком содержании легирующих элементов микроструктура отличается количеством и формой распределения эвтектики. В качестве примера на рисунке 4.13 приведена микроструктура сплавов системы Al - Si в местах образования и развития горячих трещин[28-40].

На рисунке 4.13 а и 4.13 б представлена микроструктура сплава Al - Si соответственно немодифицированного (а, в) и модифицированного (б, г).

а) б)

в) г)

Рисунок 4.13 Микроструктура сплавов системы Al - Si c горячими трещинами: а) Si - 0.25;б) Si - 0.25 с модификатором; в) Si - 2.0; б) Si - 2.0 с модификатором

Соответствующий расчет зеренной структуры материалов в системе ProCAST приведен на рисунке 16.



Рисунок 4.14 Расчет зеренной структуры материалов в системе ProCAST

Размещено на Allbest.ru

...