SYMULACJA CIEPLNA PROCESU TWORZENIA WARSTWY KOMPOZYTOWEJ NA ODLEWIE MODELOWYM

Transkrypt

1 1/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN SYMULACJA CIEPLNA PROCESU TWORZENIA WARSTWY KOMPOZYTOWEJ NA ODLEWIE MODELOWYM C. BARON 1, J. SZAJNAR 2, J. GAWROSKI 3, D. BARTOCHA 4. Foundry Department of Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Faculty of Mechanical Engineering, Silesian University of Technology ul. Towarowa 7, Gliwice, POLAND STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki cieplnej symulacji tworzenia warstwy kompozytowej na staliwnym odlewie modelowym. Celem bada było wyznaczenie parametrów technologicznych procesów tworzenia warstwy kompozytowej, dla których mona uzyska dobrej jakoci warstw zbrojc o podanej gruboci. Dla załoonych zmian wybranych parametrów technologicznych wyznaczono rozkład temperatury w odlewie modelowym oraz przebieg zmian temperatury w charakterystycznych punktach wkładki kompozytowej. Obliczenia numeryczne wykonano przy pomocy programu NovaFlow&Solid 2.9 r81. Uzyskanie warstwy kompozytowej dobrej jakoci i o podanej gruboci na odlewie jest uzalenione od procesu i poziomu temperatury zalewania w trakcie odlewania. Badania pozwoliły ustali, jakie parametry technologiczne wpływaj na ten proces i jakie kryteria powinna spełnia technologia odlewania tego typu odlewów. Dziki otrzymanym wynikom mona opracowa wytyczne i zasady projektowania konstrukcji i doboru parametrów technologicznych wykonywania odlewów zbrojonych powierzchniowo. Key words: composites, technological design, casting, surfacing alloy layer 1 mgr in., czeslaw.baron@polsl.pl 2 dr hab. in. Prof. Pol. l., jan.szajnar@polsl.pl 3 prof. dr in., jozef.gawronski@polsl.pl 4 dr in., dariusz.bartocha@polsl.pl

2 1. WSTP W dzisiejszym zaawansowanym technologicznie wiecie elementom wszelkiego rodzaju maszyn stawiane s coraz wysze wymagania z jednoczesnym naciskiem na obnienie kosztów produkcji i emisji szkodliwych dla rodowiska substancji. Charakterystycznym przykładem s elementy maszyn naraone na silne zuycie cierne niektórych ich powierzchni jednoczenie obcione udarowo, co wymaga od materiału, z którego s wykonane, posiadania wysokiej granicy plastycznoci. Połczenie tak rónych właciwoci, wysokiej odpornoci na cieranie i dobrej plastycznoci wymaga zastosowania elementów wykonanych z materiałów plastycznych z wzmocnionymi tymi powierzchniami, które naraone s na zuycie cierne. Wzmocnienie takie realizuje si na wiele sposobów np.: napawanie warstwy stopowej, zgrzewanie elementu odpornego na cieranie z plastycznym korpusem, lutowanie twarde. Wszystkie te technologie posiadaj wiele zalet, ale take wad, a przede wszystkim s drogie. Wad tych pozbawiona jest technologia odlewniczego wykonywania warstw zbrojcych (kompozytowych) na wybranych powierzchniach odlewu z równoczesnym kształtowaniem odlewu. Kompozyt taki powstaje bezporednio podczas zalewania formy metalem wskutek przetopienia ziarnistej preformy składajcej si ze składników stopowych np.: Cr, Mn, Ti i C, które w procesie wypełniania wnki formy tworz dyfuzyjn warstw bogat w podane wgliki. Materiałem wicym składniki preformy s zwizki powierzchniowo czynne o charakterze topnikowym. Ponisza praca przedstawia jedno z zagadnie dotyczcych powstawania powierzchniowej warstwy stopowej, a mianowicie okrelanie gruboci powstajcego kompozytu. W ramach bada przeprowadzono symulacj komputerow wykorzystujc program Nova Flow&Solid. Wyniki tej symulacji umoliwiły obliczenie prawdopodobiestwa powstawania kolejnych warstw kompozytowych oraz ostateczne okrelenie gruboci kompozytu. Pozwoli to na projektowanie odlewów ze cile okrelon gruboci powierzchniowej warstwy kompozytowej. 2. BADANIA Celem przeprowadzonych bada było opracowanie załoe konstrukcyjnych modelowego odlewu oraz opracowanie optymalnej technologii zalewania odpowiedniej konstrukcji układu wlewowego zapewniajcego moliwe spokojne wypełnianie wnki formy i równomierne nagrzewanie preform (rys.1.), przede wszystkim za okrelenie, dla opracowanych załoe konstrukcyjnych i technologicznych, optymalnej temperatury zalewania dla materiałów badanych preform. Optymalnej w sensie otrzymania moliwie najgrubszej warstwy kompozytowej na odlewie i uniknicia miejscowego rozpuszczenia materiału preformy bd miejscowego wymycia materiału wkładki przez płyncy metal. 18

3 model 2 preforma 3 układ wlewowy 4 wlew doprowadzajcy Rys. 1. Schemat układu modelowego Fig. 1. Schema of model casting Wykorzystujc bezporedni zwizek pomidzy przebiegiem procesów cieplnych w preformie, gruboci preformy i rodzajem materiału (własnoci cieplne), a finaln gruboci warstwy stopowej na odlewie podjto prób prognozowania gruboci warstwy kompozytowej. Prognozowania w oparciu o dane w postaci temperatury i czasu wygrzewania preformy bdce wynikami symulacji komputerowej. Kontynuacj pracy bdzie opracowanie narzdzia w postaci programu komputerowego, bdcego rozwiniciem odlewniczych systemów symulacyjnych, słucego do doboru optymalnych konstrukcji odlewu i parametrów technologicznych procesu w celu otrzymania warstwy stopowej o podanym kształcie i gruboci. 3. ZAKRES BADA. Aby osign postawiony cel okrelono nastpujcy zakres bada: 1. Opracowanie załoe konstrukcyjnych modelowego odlewu. 2. Opracowanie konstrukcji układu wlewowego i sprawdzenie jej w procesie symulacji zalewania. 3. Symulacja procesu tworzenia warstwy kompozytowej dla nastpujcych załoe: a. Zmiana temperatury zalewania na trzech poziomach: T 1 = 1510 C T 2 = 1550 C T 3 = 1600 C b. Materiał odlewu - staliwo AISI c. Materiał wkładki: elazochrom wysokowglowy FeCr Okrelenie rozkładu temperatur w preformach na wszystkich poziomach zmiennoci. 5. Analiza uzyskanych wyników i wskazanie optymalnej temperatury zalewania dla badanych materiałów preformy. 19

4 6. Obliczenie prawdopodobiestwa powstawania warstwy kompozytowej o okrelonej gruboci dla załoonych parametrów technologicznych i materiałów preformy Załoenia konstrukcyjne modelowego odlewu Kształt modelowego odlewu został tak zaprojektowany, aby wykonanie preform oraz formy nie było kłopotliwe i czasochłonne. Połoenie preformy oraz kształt wlewów doprowadzajcych, po przeanalizowaniu wyników wczeniejszych bada prowadzonych w Zakładzie Odlewnictwa Politechniki lskiej, zostały tak dobrane, aby ograniczy do minimum działanie erozyjne strugi metalu (rys. 2). Rys. 2. Rysunek konstrukcji odlewu modelowego Fig.2. Construction of model casting 20

5 3.2. Symulacja przepływu ciepła w procesie tworzenia kompozytu powierzchniowego Na podstawie załoe konstrukcyjnych zamodelowano trójwymiarow geometri eksperymentalnego odlewu w programie SolidWorks. Nastpnie geometri zaimportowano do programu symulacyjnego Nova Flow&Solid v2.9 r81, ustalono połoenie wirtualnych termoelementów (rys. 3) oraz wprowadzono dane potrzebne do przeprowadzenia symulacji (tabela 1). Dane termofizyczne materiałów uytych w obliczeniach termicznych: Materiały preform zostały zdefiniowane w grupie materiałów formierskich, a preforma była swego rodzaju ochładzalnikiem. Wynikało to nie tylko z ogranicze programu symulacyjnego ale równie z faktu, e preforma jest ziarnistym metalicznym materiałem spełniajcym funkcj ochładzalnika zewntrznego o małej intensywnoci chłodzenia. Połoenie wirtualnych termoelementów w preformach Rys. 3. Rozmieszczenie wirtualnych termoelementów w preformie Fig. 3. Location of virtual thermocouple in premould 21

6 Dane termofizyczne materiałów zostały przedstawione w tabeli 1, gdzie: T temperatura, przewodno cieplna, Cp ciepło właciwe, gsto, T liq temperatura likwidus, T sol temperatura solidus, Q cr ciepło krystalizacji, Q eu ciepło eutektyczne. Tabela 1. Dane termofizyczne materiałów uytych w obliczeniach termicznych Table 1. Thermophysical data of materials used in calculation T [ C] [W/m/ C] Cp [J/kg/ C] [kg/m 3 ] elazochrom FeCr , , Staliwo AISI-1086 T liq = 1505,53, T sol = 1451, Q cr = 250 [kj/kg], Q eut = 250 [kj/kg] 0 51, , , , , , , , , ,23 Masa formierska green sand 20 0, , , ,

7 Dane startowe: Temperatury poszczególnych materiałów uytych w symulacji: temperatura preform: 20 [ C] temperatura formy: 20 [ C] temperatura otoczenia: 20 [ C] temperatura metalu: a) 1510 [ C], b) 1550 [ C], c) 1600 [ C] 3.3. Wyniki Wynikiem symulacji był zbiór krzywych stygnicia dla poszczególnych wirtualnych punktów pomiaru temperatury. Przykładowy wykres dla elazochromu FeCr i temperatury zalewania C przedstawiono na rysunku (rys. 4). 1400, , ,00 T [ C] 1100, ,00 900,00 800,00 0 t [s] Rys. 4. Przebieg zmian temperatury w czasie Fig. 4. Temperature time changes course Rys. 5 Przebieg krystalizacji Fe-Cr Fig. 5. Course of crystallization of Fe-Cr 23

8 Na podstawie otrzymanych wyników dla wszystkich przeprowadzonych symulacji wyznaczono istotne dane potrzebne do dalszej analizy. Danymi tymi s: T max maksymalna temperatura w danym punkcie pomiarowym, t Tmax czas po jakim w danym punkcie bdzie maksymalna temperatura, T t temperatura w czasie zakoczenia fazy zalewania odlewu, t T-Ts czas po jakim w danym punkcie pomiarowym zostanie przekroczona temperatura solidus, t T-TL czas po jakim w danym punkcie pomiarowym zostanie przekroczona temperatura likwidus, t L czas, w którym metal w danym punkcie pomiarowym ma temperatur wysz od temperatury likwidus, t S czas, w którym metal w danym punkcie pomiarowym ma temperatur wysz od temperatury solidus. Przykładowy zbiór wyznaczonych wartoci danych został przedstawiony w postaci trójwymiarowych wykresów maksymalnego wygrzania preform i rozkładu temperatury w preformie dla okrelonej chwili czasu, w której był on najkorzystniejszy. Obrazuj to rysunki od 5 do 13. Temperatury solidus i likwidus dla materiału preformy zostały odczytane z wykresu sporzdzonego w programie Thermo-Calc (rys. 5). T S Temperatura solidus dla FeCr 1300 C T L temperatura likwidus dla FeCr 1545 C Dua kostka - strona wewntrzna Rys. 6. Obraz maksymalnego wygrzania wkładki (na wykresie naniesiono maks. temp. zarejestrowane w poszczególnych punktach pomiarowych) Fig. 6. Premould maximum heating image (on diagram the maximum temperature of each measurement point were plotted) 24

9 Rys. 7. Rozkład temp. po czasie 74,8s Fig. 7. Temperature distribution after 74,8 s Dua kostka strona zewntrzna Rys. 8. Obraz maksymalnego wygrzania wkładki (na wykresie naniesiono maks. temp. zarejestrowane w poszczególnych punktach pomiarowych) Fig. 8. Premould maximum heating image (on diagram the maximum temperature of each measurement point were plotted) 25

10 Mała kostka strona zewntrzna Rys. 9. Rozkład temp. po czasie 74,8s Fig. 9. Temperature distribution after 74,8 s Rys. 10. Obraz maksymalnego wygrzania wkładki (na wykresie naniesiono maks. temp. zarejestrowane w poszczególnych punktach pomiarowych) Fig. 10. Premould maximum heating image (on diagram the maximum temperature of each measurement point were plotted) 26

11 Rys. 11. Rozkład temp. po czasie 74,8s Fig. 11. Temperature distribution after 74,8 s Mała kostka strona wewntrzna Rys. 12. Obraz maksymalnego wygrzania wkładki (na wykresie naniesiono maks. temp. zarejestrowane w poszczególnych punktach pomiarowych) Fig. 12. Premould maximum heating image (on diagram the maximum temperature of each measurement point were plotted) 27

12 Rys. 13. Rozkład temp. po czasie 74,8s Fig. 13. Temperature distribution after 74,8 s 4. OKRELENIE PRAWDOPODOBIESTWA POWSTANIA WARSTWY KOMPOZYTOWEJ O OKRELONEJ GRUBOCI. W sensie matematycznym zadanie polega na okreleniu prawdopodobiestwa zdarzenia, e warstwa kompozytowa osignie okrelon grubo. W pracy [6] wyprowadzone zostały równania róniczkowe okrelajce wartoci prawdopodobiestwa. Idea rozwizania postawionego problemu polega na podziale obszaru, w którym ma powsta warstwa kompozytowa, na warstwy czciowe. Dla tak okrelonego zagadnienia w pracy [6] okrelono prawdopodobiestwo P n (t) oznaczajce, e w czasie t kompozyt bdzie si składał z n warstw czciowych. Prawdopodobiestwo otrzymano jako rozwizanie układu równa róniczkowych, którego rozwizaniem jest: n n α t λt Pn ( t) = e (1) n! gdzie: α współczynnik intensywnoci, n numer warstwy, t czas powstawania kompozytu. Wyznaczenie prawdopodobiestw dla wyników przeprowadzonych symulacji Zgodnie z podanym wzorem (1) wyznaczono prawdopodobiestwo okrelajce powstanie kolejnej warstwy kompozytowej, a warto oczekiwana pozwoliła poda grubo kompozytu. Do wyznaczenia prawdopodobiestwa wykorzystane zostały dane 28

13 uzyskane na drodze symulacji cieplnej procesu tworzenia warstwy kompozytowej na odlewie staliwnym. W obliczeniach przyjto róne wartoci α uzalenione od połoenia punktu pomiaru temperatury. Załoono take, e warto współczynnika α przyjta do oblicze wyznacza maksymalne prawdopodobiestwo dla rodkowej warstwy. Maksymaln liczb moliwych warstw przyjto równ dwadziecia. Grubo jednej warstwy przyjto 1[mm]. Do weryfikacji otrzymanych wyników przyjte zostały gruboci kompozytu 8, 6 i 4[mm] otrzymane eksperymentalnie i uzyskane jako wartoci rednie w pracy [7]. Z obliczonych wartoci prawdopodobiestwa wynika, e najgrubszy kompozyt powstanie w strefie rodkowej, gdzie uzyskano najwysz temperatur i najdłuszy czas wygrzania preformy. Wraz ze spadkiem temperatury wygrzania grubo kompozytu maleje a do miejsca, w którym nie uzyskano wystarczajco wysokiej temperatury, aby przetopi preform. Dla duej kostki uzyskano znacznie mniejsze gruboci kompozytu, co prawdopodobnie jest spowodowane wiksz odległoci centrum cieplnego od preformy i w efekcie niewystarczajcym wygrzaniem preformy, w porównaniu do małej kostki. rednia grubo kompozytu oraz zakres powstawania warstwy w małej kostce jest znacznie wikszy. Wynika to z dłuszego wygrzania preformy i wyszej temperatury po zalaniu formy. Porównanie gruboci kompozytu w małej i duej kostce dla poszczególnych materiałów i temperatur zalewania zostały przedstawione na rysunkach od 14 do 19. Grubo kompozytu powstałego z preformy FeCr dla temperatyry zalewania 1510 C ( x, y, dz),( x, y, dw) FeCr 1510 big cube Rys. 14. Grubo kompozytu dla duej kostki [mm] Fig. 14. Thickness of composite layer - big cube[mm] ( x, y, dz),( x, y, dw) FeCr 1510 small cube Rys. 15. Grubo kompozytu dla małej kostki [mm] Fig. 15. Thickness of composite layer small cube [mm] 29

14 Grubo kompozytu powstałego z preformy FeCr dla temperatyry zalewania 1550 C ( x, y, dz), ( x, y, dw) FeCr 1550 big cube Rys.16. Grubo kompozytu dla duej kostki [mm] Fig.16. Thickness of composite layer big cube [mm] ( x, y, dz), ( x, y, dw) FeCr 1550 small cube Rys.17. Grubo kompozytu dla małej kostki. [mm] Fig.17. Thickness of composite layer small cube [mm] Grubo kompozytu powstałego z preformy FeCr dla temperatury zalewania 1600 C ( x, y, dz), ( x, y, dw) FeCr 1600 big cube Rys. 18. Grubo kompozytu dla duej kostki. [mm] Fig. 18. Thickness of composite layer big cube [mm] ( x, y, dz), ( x, y, dw) FeCr 1600 small cube Rys. 19. Grubo kompozytu dla małej kostki [mm] Fig. 19. Thickness of composite layer small cube [mm] 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI. Opracowane załoenia konstrukcyjne modelowego odlewu wzbogacono o odpowiedni układ wlewowy, zapewniajcy spokojne wypełnienie formy i równomierne wygrzanie preformy (rys. 1). Postawione załoenia sprawdzono na 30

15 drodze symulacji komputerowej procesu zalewania i stygnicia. Przyjte załoenia konstrukcyjne okazały si poprawne, co potwierdzono dowiadczalnie. Nastpnie przeprowadzono cykl symulacji według przyjtego planu eksperymentu w celu okrelenia optymalnej temperatury zalewania dla danego materiału zbrojcego. Obliczono take wartoci prawdopodobiestwa uzyskania warstwy kompozytowej o okrelonej gruboci, co pozwala na prognozowanie gruboci warstwy kompozytowej na odlewie w oparciu o dane uzyskane na drodze symulacji komputerowej zjawisk termicznych w procesie tworzenia kompozytu. Na podstawie analizy uzyskanych wyników mona stwierdzi, e: 1. Dla przyjtej konstrukcji odlewu najkorzystniejsz temperatur zalania dla FeCr jest C. Zapewnia ona powstanie warstwy kompozytowej na całej powierzchni zbrojonej z niewielkim niebezpieczestwem wymycia materiału preformy. 2. W kadym przypadku korzystniejszy rozkład temperatury obserwowano w preformie dla mniejszej kostki (mniejsza wnka formy). Wskazuje to na korzystny wpływ mniejszej odległoci preformy od centrum cieplnego odlewu, a nie jak przypuszczano pojemnoci cieplnej odlewu. 3. Przeprowadzona analiza wyników i obliczenia prawdopodobiestwa powstawania warstwy kompozytowej o okrelonej gruboci potwierdzaj korzystniejsze warunki tworzenia warstwy kompozytowej dla małej kostki (grubsza i o bardziej równomiernej gruboci warstwa stopowa) tzn. dla mniejszej odległoci od centrum cieplnego. 4. Otrzymane wyniki bada i ich analiza pozwalaj okreli podstawowe wytyczne projektowania technologii i konstrukcji odlewów zbrojonych powierzchniowo, ale eksperyment przeprowadzony w ramach pracy był w całoci eksperymentem wirtualnym i otrzymane wyniki musz by zweryfikowane dowiadczalnie. LITERATURA [1] Baron C., Gawroski J.: The methods of digitizing in the process of determining the diffusion and mass transport in alloy surface composites, Composites Czstochowa Ustro 5(2005) 4a, s.76. [2] Baron C., Gawroski J.: Wyznaczenie parametrów dyfuzji i transportu masy w stopowych kompozytach powierzchniowych metodami dyskretyzacji, Przegld Odlewnictwa, t. 55, 2005, Nr 4, s [3] Wróbel P., Szajnar J., Gawroski J.: Kompleksowa ocean warunków powstawania kompozytowej warstwy stopowej na powierzchni odlewu staliwnego, Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, No 14. [4] Baron C., Gawroski J.: Influence of the diffusion and mass transport on the thickness of composite. Composites Czstochowa Ustro 5(2005) 4, s. 53. [5] Gawroski J., Ignaszak Z., Wróbel P.: Kompozytowe warstwy stopowe C-Cr-Mn na odlewach staliwnych, Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, No

16 [6] Baron C., Gawroski J.: Stochastic method of thickness of composite layers on casting determination. AMME, Polska-Zakopane, December , [7] Baron C., Gawroski J.: Empirical evaluation of composite layer occurrence probability. Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, No 14. [8] Baron C.: Surfacing composite as a material about increased strength. III Doctoral Symposium, 2004 Lublin. [9] J. Gawroski, C. Baron, Wyznaczanie gruboci warstw kompozytowych metod dyskretyzacji VI International Conference, Surface Phenomenon in Foundry Processes 2004 Kołobrzeg. Cz bada wykonano dziki dofinansowaniu przez Komitet Bada Naukowych (projekt badawczy KBN nr 3T08 B ). SUMMARY THERMAL SIMULATION OF FORMATION COMPOSITE LAYER ON MODEL CASTING PROCESS In article the results of thermal simulation of formation composite layer on model cast steel casting process have been presented. The aim of researches was determination of technological parameters of formation composite layer process for which is possible to obtain good quality reinforcement layer with desirable thickness. For assumed changes of chose technological parameters, distribution of temperature in model casting as well as course of temperature changes in characteristic point of composite insert have been determined. Simulations have been carried out for two different materials of compositing element (insert) and three different pouring temperatures with software NovaFlow&Solid 2.9 r81. Obtaining good quality and with desirable thickness composite layer depends on process and level of heating during casting process. Researches made possible to determination which technological parameters directly influent on this process and how criterions should be meet by casting technology of this kind of casting. Obtained results and their experimental verification will make possible to form basic to work out guidelines and principles for design technology of casting with composite layer on choose surfaces productions. Recenzował: prof. Mirosław Cholewa. 32