ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НЕДОЛИВОВ В ОТЛИВКЕ ИЗ СПЛАВА МЛ5 И ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ СПЛАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Прогнозирование образования недоливов в тонкостенных отливках из магниевых сплавов является важной задачей для литейного производства. Для ее решения может быть использовано компьютерное моделирование литейных процессов. Адекватных результатов моделирования можно добиться при наличии правильных теплофизических свойств сплава и формы в широком интервале температур, значения коэффициента теплопередачи между отливкой и формой, а также критической доли твердой фазы, при которой происходит остановка течения расплава в форме. В настоящей работе путем сопоставления длин спиральных проб, полученных с помощью моделирования заполнения, и экспериментальных длин при тех же условиях заливки определен коэффициент теплопередачи между магниевым сплавом МЛ5 (AZ91) и формой из холоднотвердеющей смеси (ХТС). Выше температуры ликвидуса его значения равны hL = 1500 Вт/(м2 ·К) для температур заливки 670 и 740 °С и hL = 1800 Вт/(м2 ·К) для 810 °С. Ниже температуры солидуса hS = 600 Вт/(м2 ·К). Также была установлена критическая доля твердой фазы для магниевого сплава МЛ5 (AZ91) при заливке в форму из ХТС (при скорости охлаждения ~2 К/с) – ее значение составило 0,1–0,15. Путем сопоставления положения недоливов по результатам моделирования и в реальной отливке «Колпак», залитой из сплава МЛ5 (AZ91) в форму из ХТС, было уточнено значение критической доли твердой фазы. Заливку отливок производили при температурах заливки 630 и 670 °С, и в обоих случаях значение критической доли твердой фазы составило 0,1.

моделирование жидкотекучести, магниевый сплав, точка когерентности, проба на жидкотекучесть, ProCast, недоливы

1. Jakumeit J., Subasic E., Bünck M. Prediction of misruns in thin wall castings using computational simulation. In: Shape Casting: 5th Intern. Symp. San Diego: John Wiley & Sons, 2014. P. 253—260.

2. Humphreys N.J., McBride D., Shevchenko D.M., Croft T.N., Withey P., Green N.R., Cross M. Modelling and validation: Casting of Al and TiAl alloys in gravity and centrifugal casting processes. Appl. Math. Model. 2013. Vol. 37. No. 14—15. P. 7633—7643.

3. Di Sabatino M., Arnberg L. A review on the fluidity of Al based alloys. Metall. Sci. Technol. 2004. Vol. 22. No. 1. P. 9—15.

4. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учеб. пос. для вузов. М.: МИСиС, 2005; Pikunov M.V. Plavka metallov, kristallizatsiya splavov, zatverdevanie otlivok [Melting of alloys, alloys crystallization, solidification of castings]. Moscow: MISIS, 2005.

5. Di Sabatino M., Arnberg L., Brusethaug S., Apelian D. Fluidity evaluation methods for Al—Mg—Si alloys. Int. J. Cast Met. Res. 2006. Vol. 19. P. 94—97.

6. Li Y., Wu G., Chen A., Liu W., Wang Y., Zhang L. Effects of processing parameters and addition of flame-retardant into moulding sand on the microstructure and fluidity of sand-cast magnesium alloy Mg—10Gd—3Y—0.5Zr. J. Mater. Sci. Technol. 2017. Vol. 33. No. 6. P. 558—566.

7. Hua Q., Gao D., Zhang H., Zhang Y., Zhai Q. Influence of alloy elements and pouring temperature on the fluidity of cast magnesium alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 444. No. 1—2. P. 69—74.

8. Колтыгин А.В., Плисецкая И.В. Влияние малых добавок кальция на жидкотекучесть магниевых сплавов. Литейщик России. 2011. No. 6. С. 41—43; Koltygin A.V., Plisetskaya I.V. Vliyanie malykh dobavok kal’tsiya na zhidkotekuchest’ magnievykh splavov [Influence of low calcium additions on fluidity of magnesium alloys]. Liteishchik Rossii. 2011. No. 6. P. 41—43.

9. Ravi K.R., Pillai R.M., Amaranathan K.R., Pai B.C., Chakraborty M. Fluidity of aluminum alloys and composites: A review. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 456. No. 1—2. P. 201—210.

10. Dahle A.K., Arnberg L. Development of strength in solidifying aluminium alloys. Acta Mater. 1997. Vol. 45. No. 2. P. 547—559.

11. Veldman N.L., Dahle A.K., StJohn D.H., Arnberg L. Dendrite coherency of Al—Si—Cu alloys. Metall. Mater. Trans. A. 2001. Vol. 32. No. 1. P. 147—155.

12. Dahle A.K., Tшndel P.A., Paradies C.J., Arnberg L. Effect of grain refinement on the fluidity of two commercial Al— Si foundry alloys. Metall. Mater. Trans. A. 1996. Vol. 27. No. 8. P. 2305—2313.

13. Król M., Tański T., Matula G., Snopiński P., Tomiczek A.E. Analysis of crystallisation process of cast magnesium alloys based on thermal derivative analysis. Arch. Metall. Mater. 2015. Vol. 60. No. 4. P. 2993—2999.

14. Liang S.M., Chen R.S., Blandin J.J., Suery M., Han E.H. Thermal analysis and solidification pathways of Mg— Al—Ca system alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 480. No. 1—2. P. 365—372.

15. Gourlay C.M., Meylan B., Dahle A.K. Shear mechanisms at 0—50% solid during equiaxed dendritic solidification of an AZ91 magnesium alloy. Acta Mater. 2008. Vol. 56. No. 14. P. 3403—3413.

16. Gourlay C.M., Meylan B., Dahle A.K. Rheological transitions at low solid fraction in solidifying magnesium alloy AZ91. Mater. Sci. Forum. 2007. Vol. 561—565. P. 1067—1070.

17. Hou D.-H., Liang S.-M., Chen R.-S., Dong C., Han E.-H. Effects of Sb content on solidification pathways and grain size of AZ91 magnesium alloy. Acta Metall. Sinica (Engl. Lett.). 2015. Vol. 28. No. 1. P. 115—121.

18. Barber L.P. Characterization of the solidification behavior and resultant microstructures of magnesium-aluminum alloys: A Master degree thesis. Worchester: Worchester Polytechnic Institute, 2004.

19. Rajaraman R., Velraj R. Comparison of interfacial heat transfer coefficient estimated by two different techniques during solidification of cylindrical aluminum alloy casting. Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 44. No. 9. P. 1025—1034.

20. Chen L., Wang Y., Peng L., Fu P., Jiang H. Study on the interfacial heat transfer coefficient between AZ91D magnesium alloy and silica sand. Exp. Thermal and Fluid Sci. 2014. Vol. 54. P. 196—203.

21. Wang D., Zhou C., Xu G., Huaiyuan A. Heat transfer behavior of top side-pouring twin-roll casting. J. Mater. Process. Technol. 2014. Vol. 214. No. 6. P. 1275—1284.

22. Griffiths W., Kawai K. The effect of increased pressure on interfacial heat transfer in the aluminium gravity die casting process. J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. No. 9. P. 2330— 2339.

23. Sun Z., Hu H., Niu X. Determination of heat transfer coefficients by extrapolation and numerical inverse methods in squeeze casting of magnesium alloy AM60. J. Mater. Process. Technol. 2011. Vol. 211. No. 8. P. 1432—1440.

24. Nishida Y., Droste W., Engler S. The air-gap formation process at the casting-mold interface and the heat transfer mechanism through the gap. Metall. Trans. B. 1986. Vol. 17. No. 4. P. 833—844.

25. Тихомиров М.Д. Моделирование тепловых и усадочных процессов при затвердевании отливок из высокопрочных алюминиевых сплавов и разработка системы компьютерного анализа литейной технологии: Автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 2004; Tikhomirov M.D. Modelirovanie teplovykh i usadochnykh protsessov pri zatverdevanii otlivok iz vysokoprochnykh alyuminievykh splavov i razrabotka sistemy komp’yuternogo analiza liteinoi tekhnologii [Simulation of thermal and shrinkage processes during solidification and developing of computer analysis model of casting technology]: Abstract of the dissertation of PhD. St. Petersburg: SPbSPU, 2004.

26. Bouchard D., Leboeuf S., Nadeau J.P., Guthrie R.I.L., Isac M. Dynamic wetting and heat transfer at the initiation of aluminum solidification on copper substrates. J. Mater. Sci. 2009. Vol. 44. No. 8. P. 1923—1933.

27. Lu S.-L., Xiao F.-R., Zhang S.-J., Mao Y.-W., Liao B. Simulation study on the centrifugal casting wet-type cylinder liner based on ProCAST. Appl. Thermal Eng. 2014. Vol. 73. No. 1. P. 512—521.

28. Di Sabatino M., Arnberg L., Bonollo F. Simulation of fluidity in Al—Si alloys. Metall. Sci. Technol. 2005. Vol. 23. No. 1. P. 3—10.

29. Bazhenov V.E., Petrova A.V., Koltygin A.V. Simulation of fluidity and misrun prediction for the casting of 356.0 aluminum alloy into sand molds. Int. J. Metalcasting. 2018. Vol. 12. No. 3. P. 514—522. https://doi.org/10.1007/ s40962-017-0188-x

30. Palumbo G., Piglionico V., Piccininni A., Guglielmi P., Sorgente D., Tricarico L. Determination of interfacial heat transfer coefficients in a sand mould casting process using an optimised inverse analysis. Appl. Thermal Eng. 2015. Vol. 78. P. 682—694.

31. Жмуриков Е.И., Савченко И.В., Станкус С.В., Tecchio L. Измерения теплофизических свойств графитовых композитов для конвертора нейтронной мишени. Вестн. НГУ. Сер. Физика. 2011. Том. 6. No. 2. С. 77—84; Zhmurikov E.I., Savchenko I.V., Stankus S.V., Tecchio L. Izmereniya teplofizicheskikh svoistv grafitovykh kompozitov dlya konvertora neitronnoi misheni [Measurements of thermal properties of graphite composites for neutron target converter]. Vestnik NGU. Ser. Fizika. 2011. Vol. 6. No. 2. P. 77—84.

32. Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Целовальник Ю.В., Санников А.В. Определение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи для моделирования процесса литья алюминия в графитовые формы. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2017. No. 1. С. 40—52; Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Tselovalnik Yu.V., Sannikov A.V. Determination of interface heat transfer coefficient between aluminum casting and graphite mold. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2017. Vol. 58. No. 2. P. 114—123.

33. Баженов В.Е., Петрова А.В., Колтыгин А.В., Целовальник Ю.В. Определение коэффициента теплопередачи между отливкой из сплава МЛ5пч (AZ91) и формой из холоднотвердеющей смеси. Цвет. металлы. 2017. No. 8. С. 89—96; Bazhenov V.E., Petrova A.V., Koltygin A.V., Tselovalnik Yu.V. Opredelenie koeffitsienta teploperedachi mezhdu otlivkoi iz splava ML5pch (AZ91) i formoi iz kholodnotverdeyushchei smesi [Determination of heat transfer coefficient between AZ91 magnesium alloy casting and no-bake mold]. Tsvetnye Metally. 2017. No. 8. P. 89—96.