Термодинамическое моделирование многокомпонентных литейных сплавов на основе Fe-C

т-ч и о.

В литеином производстве применяют разные по составу и свойствам сплавы: на основе железа (черные) и на основе алюминия, меди и ряда др>тих металлов (цветные). Отливки из сплавов на основе железа (чугуны и стали) составляют определяющую долю.

Ч>т}Т[ продолжает оставаться одним из основных литейных материалов. Прогнозы показьюают, что эту роль он сохранит и в ближайшем буд>тцем. Помтю традиционного применения в металлургии и машиностроении (изложницы, станины станков, трубы и др.), чутун широко используют дж изготх>влештя деталей, от которых требуются высокая конструкционная прочность и специальные свойства.

В нашей стране около четверти отливок получают из стали. Процесс разви= тия машиностроения характеризуется повышением требований к свойствал! и качеству литейных сплавов и отливок из них. В связи с этим дож отливок из углеродистых сталей постепенно снижается за счет увежчения дож отжвок, производимых из легированных жтейных сталей.

Промышленные сплавы на основе железа являются многокомпонентными. Кроме Ре и С, стали и чугутгы содержат 81, Ми, Р, 8, О, N и Н. В обычных сплавах этих примесей немного. В легированных сплавах дополнительно могут содержаться такие элементы, как Сг, N1, Си, А1, Мо, W и др. В модифицированные чугуны входят небольшие количества М§-, Се, Са и др. Варьируя содержание этих компонентов, можно изменять строение и свойства сплавов. Однако до настоящего времени остаются дискуссионными вопросы об особенностях строения и устойчивости расплавов на основе Ре-С, особенностях и условиях формирования структуры Ре-С сплава при кристаллизации, требуют дальнейшего уточнения количественные данные о свойствах чутунов и сталей и др. Эти положения позволяют выбрать сплавы на основе Ре-С как объект исследования в настоящей диссертационной работе.

Только экспериментальные исследования в названных направлениях не позволяют получить точного ответа на эти вопросы в силуА дороговизны и длительности опытов, наличия значительного числа неконтролируемых факторов, влияющих на их результаты и вносящих погрешности. Поэтому совместно с экспериментом применяется теоретический анализ литейных процессов в том числе с привлечением возможностей компьютерного моделирования и систем автоматизированного проектирования (САПР).

Однако применение САПР в целом ряде случаев осложняется отсутствием надежных данных о разнообразных свойствах металла, шлака, материала формы, которые применяются при приготовлении, заливке и затвердевании сплава и требуются на каждом шаге расчета программы.

Существующие численные модели не учитывают поведение компонентов сплава при кристаллизации, поэтому требуегся их дополнение, позволяющее принять во внимание перераспределение компонентов между фазами, а также изменение состава, количества и соотношения выдежющихся фаз при изменении температуры в процессе равновесной и неравновесной кристаллизации стабильных и метастабильных фаз с целью пол>'чения адекватного описания процесса формирования структуры литого металла.

Для преодоления сложившегося информационного голода целесообразно привлечение аппарата термодинамического моделирования, включающего базы даннык по термодинамическим характеристикам сплавов и программные модули, позволяющие вычислять широкий спектр свойств литейных сплавов (тепловых, кристаллизационных, ликвационных, усадочных и др.) в зависимости от их состава и температуры. Тем более, что в настоящее время накоплен большой объем данных, описывающих термодинамические функции различных двойных, тройных и некоторых многокомпонентных систем, находящих применение при производстве современных и при разработке перспективных материалов. На основе этих данных производят расчеты и построение диаграмм равновесия для качественного анализа процессов пол>ченР1я и обработки материалов. Эти исследования носят преим>тцественно теоретический характер и пока не нашли широкого использования в практических технологических расчетах и при оптимизации состава и свойств промышленнык сплавов.

Применение термодинамического моделирования позволяет иметь количественную информацию о свойствах литейного сплава, непосредственно поступающую в модули САПР ЛТ. Это дает возможность получать адекватные результаты моделирования литейной технологии и значительно снизить BpcNm на разработку, корректировку и принятие технологического решения.

Нщ?чная новшна настоящей работы заключается в разработке оригинальных методик и алгоритмов расчета многофазных равновесий, а также параметров стабильной и метастабильной кристаллизации сплавов в равновесных и неравновесных условиях во всем интервале концентраций, охватывающем многокомпонентные стали и чугуны. На их основе исследована геометрия и параметры диаграмм состояния систем Fe-C-Xi (Xi A Si, Mn, Р, Cr, Ni) — наклон поверхности ликвиду’са, коэффициенты распределения компонентов между фазами, интервал затвердевания сплава, количественное использование которых необходимо для анализа процессов, происходящих при формировании отливки, а также выявлены закономерности процессов кристаллизации сплавов Ре-С-Хь влияние элементов на соотношение количества фаз и темп их выделения в равновесных и неравновесных условиях. В работе систематически исследованы основные теплофизические характеристики сплавов Ре-С-Х1 в зависимости от положения на диаграмме состояния и содержания наиболее важных компонентов литейных сплавов.

Пратшчесшя ценность работы состоит в разработке компьютерной базы данных по термодинамическим характеристикам литейных сплавов на основе железа и созданием на ее основе программного модуж САПР «РОЬУСАЗТ» для информационного обеспечения моделирования литейных процессов. Атго-ритмы расчета кристаллизации сплава в различных диффузионных условиях программно реализованы в виде нрржлддных модушей, позволяющих получать коли-чественнуто информацию о теплофизических характеристиках литейных сплавов в зависимости от состава и температуры, которая эффективно использована при моделировании литейной технологии ряда отливок ответственного назначения.

Основные положения, выносимые на защищу.

1. Разработанный аппарат (ажоритмы, компьютерные модели) термодинамического моделирования многокомпонентных сплавов системы Ре-С-Х1, являющийся базой для построения диаграмм состоянию и количественного расчета температурно-концентрационных условий протекания фазовых превращений (эвтектических и перитектических с участием расплава /, феррита а, ауЛстени-та у, графита g и цементита с).

2. Закономерности кристаллизации сплавов Ре-С-Х1 в равновесных и неравново)-ных условиях с участием стабильных и метастабильных фаз (телшературные зависимости изменения состава и количества выделяющихся фаз, перераспределения примесей между фазами и теплофизических характеристик сплавов).

3. Оценка ве|юятного строения расплава и расчет его плотности в зависимости от температуры и содержания С на основе модели ассоциированного раствора Ре-С.

4. Оценка параметров эвтектической кристаллизации чутузда на основе двЛ’ллровне-вой модели нестационарного роста розеточной ауетенито-графитной колонии.

Основные использованные в ра&те обозначения приведены в приложении 1.

1. Литературный обзор

Улучшение качества производиъ’шх отливок, внедрение новых прогрессивных технологий невозможны без проведения утлуЛленных физико-хилшческих исследований сплавов. Важнейшей составной частью таких исследований является количественный термодинамический анажз, для которого нужны сведения не только о термодинамических характеристиках ивдивидуальпых веществ, но и о бинарных и более сложных системах в расплавленном состоянии. ПоэтомуЛ существенное значение имеет создание базы данньк термодинамических характеристик сплавов.

Для практического использования наиболее удобно представление результатов экспериментов по определению термодинамических характеристик сплавов не отдельными значениями, а моделями различной структуры с применением эмпирических параметров. Исторически модели прошли эволюцию от наиболее простых (идеальный раствор) до значительно более сложньтх (субрегулярный раствор). Особенности, границы применимости и обеспеченность опытными параметрами для наиболее важных моделей сплавов на основе системы Ре-С, а также существующие подходы и проблемы, связанные с их применением для расчета фазовых равновесий, и источники погрешностей термодинамического моделирования описаны в разделе 1.1.

Связь термодинаьшческих характеристик с силами межчастичного взат. юдей-ствия, струтстзрой сплавов, видом диаграммы состояния позволяет сутцественно ут-лубить представления о строении и устойчивости литейных расплавов. Взгляды на характер такой связи, различные точки зрения на проблему строении жидких сплавов Ре-С в соответствии с выбранным объектом исследования и способ оценки устойчивости расплава к флутстуациям химического состава даны в разделе 1.2.

На основе термодинамических харатстеристик возможен также расчет ряда свойств (поверхностных, диффузионных и др.) литейных сплавов, что является необходимым дополнением к экспериментальным методам исследований, результаты которых часто существенно различны и противоречивы (раздел 1.3).

В работе состав сплава в большинстве случаев выражен в атомных процентах, а термодинамические характеристики — в расчете на моль сплава, как это принято в термодинамике. При обсуждении прикладньк вопросов в необходимых слу’чаях состав выражен в массовых процентах, а его свойства — в расчете на килограмм сплава.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ литературных данных по физико-химическим и теплофизическим характеристикам литейных сплавов показал, что они нуждаются в радикальном уточнении, которое может быть достигнуто при применении термодинамического моделирования на основе описания энергии Гиббса фаз моделью субрегулярного раствора с подрешетками М. Хиллерта как наиболее универсальной, гибкой и обеспеченной необходимыми эмпирическими константами для многокомпонентных литейных сплавов на основе Fe-C.

2. Собранная база да1П1ЫХ о термодинамических параметрах сплавов Fe-C-Xi позволяет на основе модели Хиллерта с достаточной точностью рассчитывать характеристики сплавов в широком температурно-концентрационном интервале при учете двойных и ряда тройных параметров взаимодействия компонентов, что не достигается в случае применения широко распространенного аппарата параметров взаимодействия Вагнера.

3. На основе разработанного программного модуля термодинамического моделирования исследована геометрия тройных диаграмм состояния сплавов Fe-C-Xi (Xi = Si, Cr, Mn, Ni, P): на диаграммах Pe-C-Cr и Pe-C-Mn установлены границы областей существования термодинамически стабильного цементитапоказано определяющее влияние на физико-химические параметры диаграмм состояния (коэффициент распределения компонентов между фазами, наклон поверхности ликвидуса и т. д.) содержания утлерода при второстепенной роли друтих компонентовв сплавах Fe-C-Si и Fe-C-Ni установлены границы содержания углерода, при которых изменяется направленность перераспределения кремния и никеля между аустенитом и жидкостьювыявлено существенное влияние кремния на температуру аустенит-ного и цементитного ликвидуса, а также значительное влияние всех рассмотренных компонентов чугуна на наклон графитного ликвидуса и существенное влияние кремния и фосфора на степень эвтектично-сти сплавов, связанное с интенсивностью концентрационного сдвига фазовых границ диаграммы Ре-С при добавке указанных компонентов.

4. На основе разработанным компьютерных процедур для расчета кристаллизации многокомпонентных эвтехстических сплавов в равновесных и неравновесных (по Шейлю) условиях установлено существенное влияние диффузионной подвижности компонентов на количество (уменьшение доли.

U «I u u u u первичной фазы и двойной эвтектики, увеличение доли тройной эвтектики) и состав выделяющихся фаз. Сплавы Fe-C-Si разделены на две группы в соответствии с направлением сдвига вдоль линии двойной эвтектики: первые кррюталлизуются с обеднением, а вторые — с обогащением эвтектической жидкости кремнием. Доэвтектические чугуны, относящиеся к сплавам первой группы, характеризутотся сложным характером ликвации кремния: прямой при вьщелении первичного аустенита и обратной для эвтектического аустенита. В сплавах Fe-C-Cr установлены условия, при которых в равновесных условиях происходит совместное выделение графита и легированного цементита с образованием чугуна половинчатой структуры.

5. На основе энтальпийного анализа кристаллизации сплавов Fe-C-Xi установлены количественные значения и немонотонный характер влияния углерода на теплоту' кристалжзации сталей и чугунов в зависимости от положения сплава на диаграмме состояния в соответствии с изменением температурного интервала кристаллизации (определяет величину вклада физической теплоты кристаллизации) и долей структурных составляющих (определяют величину вклада скрытой теплоты кристаллизации). Установлено, что кремний наряду с упчеродом оказывает существенное влияние на теплоту кристаллизации сплавов (в отличие от хрома).

6. На основе применения модели неидеального ассоциированного раствора обосновано наиболее вероятное присутствие в доэвтектических расплавах Fe-C группировок FciCi (из набора возможных комплексов FeACv), выбор которых позволяет адекватно описать термодинамические характеристики и наиболее точно предсказать температурно-концентрационную зависимость плотности расплава.

7. Термодинамический анализ влияния состава сплавов Fe-C-Xi на переохлаждение, необходимое для преимущественного зарождения цементита, показал, что кремний, расширяющий температурный интервал между аустенито-графитной и ледебуритной эвтектиками, существенно увеличивает это переохлаждение, а хром — уменьшает и тем самым изменяет соотношение скоростей образования центров графита и цементита при их конкурентном зарождении. При содержании хрома в сплаве Fe-C-Cr более 0,6% ат. происходит преимущественное образование цементита при любых кинетических условиях структурообразования.

8. На основе нестационарной модели формирования структуры аустенито-графитной эвтектической колонии розеточного типа установлено определяющее влияние ветвления графитового агрегата на кинетику роста и морфологию формирующейся эвтектики. Кремний и хром, оказывающие существенное влияние на физико-химические характеристики сплавов Fe-C-Xi, вызывают изменение переохлаждения и скорости роста и слабо влияют на межпластинчатые расстояния в растущей эвтектической колонии.

9. Обоснована необходимость и эффективность применения аппарата термодинамического моделирования и разработанных программных средств для информационного обеспечения моделей САПР ЛТ надежными данными о свойствах литейных сплавов с целью полу-чения результатов моделирования, наиболее адекватно отражающих реальное поведение литого металла.

Заключение

.

Важнейшим инструментом современного проектирования литейной технологии являются средства САПР с моделированием целого спектра процессов, происходящих при заливке металла в форму, его затвердевании и охлаждении с целью прогнозирования возможных дефектов различной природы (рис. 3.1). Точность получаемого при этом прогноза в ряде случаев неудовлетворительна, так как определяется наряду с качеством компьютерных моделей погрешностью вводимых характеристик сплава, которые нередко отсутствуют или имеют разброс до 90% (раздел 1.3). Важное значение имеет также возможность выбора состава сплава с точки зрения его возможной структуры, тем более, что промышленные стали и чугуЛны отличаются большим разнообразием ' структур.

В заключении сформулирована концепция информационного обеспечения моделей тепловых, усадочных и др. процессов САПР ЛТ при разработке литейной технологии на основе термодинамического моделирования, а также дан пример использования разработанного программного обеспечения при моделировании условий заливки в водоохлаждаемую форму для расчета критических температур (ликвидуса, солидуса) и теплофизических характеристик (теплоты кристаллизации, теплоемкости в жидком и твердом состоянии) сталей.

Модуль термодинамического моделирования в составе САПР литейных процессов.

Место и задачи модуля термодинамического моделирования в составе САПР ЛТ.

Моделирование литейной технологии с помощью численного расчета тепловых, гидродинамических, кристаллизационных и усадочных процессов требует задания в качестве исходных данных ряда свойств заливаемого материала (критических температур, теплоемкости, тепловых эффектов различных стадий при его обработке), а также набора фаз, формирующих структуру на различных этапах, значений коэффициентов распределения компонентов между фазами, геометрических характеристик поверхностей ликвидуса и солидуса, темпа выделения твердой фазы и др. Как показано в разделах 2−6, эти параметры могут быть рассчитаны методами термодинамического моделирования. Модуль термодинамического моделирования в составе САПР ЛТ [160, 161] позволяет решать следующие задачи:

— расчет диаграммы состояния сплавов, ее параметров, критических температур сплава и оценка влияния на них компонентов сплава;

— расчет количества и покомпонентного состава фаз в зависимости от температуры и химического состава сплава при равновесной и неравновесной кристаллизации;

— выявление характера распределения компонентов по сечению фазы;

— вычисление теплофизических характеристик сплава и их изменения в процессе затвердевания.

Следовательно, термодинамическая модель сплава является базовой для информационного обеспечения моделей гидродинамики, кристаллизации, диффузии, теплообмена, усадки [162] (рис. 3.1).

Результаты моделирования создают предпосылки для диагностики качества отливки и оценки эффективности технологических решений с возможностью оптимального управления качеством отливки и регулирования литейных процессов (рис. 3.1).

Модуль термодинамического моделирования «РОЬУГЕКМ» в составе САПР «РОЬУСАЗТ» обеспечивает формирование базы данных литейных сплавов, предоставляя возможности пользователю САПР задавать комплекс характеристик сплава путем ввода марки сплава или покомпонентного состава сплава.

Результаты моделирования используются для задания температурных границ вьщеления различных фаз при кристаллизации и температурных функций объемной теплоемкости и, теплоты кристаллизации по этапам выделения различных фаз, а также табличного определения функции темпа вьщеления твердой фазы для выполнения теплофизических и усадочных расчетов [163−170].

Информационное обеспечение компьютерного анализа литейной технологии.

Прикладной модуль термодинамического моделирования литейных сплавов (раздел 2) применен для исследования условий теплообмена в системе расплав — поддон — водоохлаждаемая изложница при изготовлении слитков массой 5 тонн с целью обеспечения безопасного режима заливки (рис. 3.2). Исследование выполнено совместно с Д. А. Луковниковым.

База данных для компонентов сплава.

БД для параметров взаимодействия между компонентами сплава.

Процедура расчета энергии Гиббса.

Процедура расчета условий фазовых равновесий I.

Термодинамическая модель сплава А.

Модель ассоциированного раствора.

Гидродинамическая модель, модель теплообмена.

Модель теплообмена, кристаллизационная модель, -диффузионная модель;

Модель теплообмена, кристалл изационная модель, диффузионная модель.

Моделирование литейных процессов.

Анализ и управление строением, а также расчет свойств расплава.

Анализ циркуляции и охлаждения расплава при заполнении формы, прогноз дефектов.

Анализ кинетики затвердевания, макрои микро-струетура отливки, прогноз дефектов при затвердевании.

Анализ фазовых превращений в твердом состоянии, прогноз дефектов.

Задачи анализа и управления качеством отливки в САПР литейной технологии.

Выплавка и внепечная Запивка расплава Формирование отливки Охлаждение и термообработка расплава в форму обработка отливки.

Этапы литейной технологии.

Рис. 3.1. Термодинамическая модель сплава как основа моделирования литейной технологии и управления качеством отливки.

Рис. 3.2. Схема установки для изготовления слитков в водоохлаждаемых изложницах.

Постановка задачи.

В процессе заливки водоохлажцаемой изложницы сталью происходят взаимосвязанные процессы гидродинамики, теплообмена и затвердевания, совокупность которых определяет возможность образования или эрозии твердой корки. Для построения модели рассматриваемого процесса необходимо принять во внимание гидравжтгческие процессы течения металла при опорожнении стопорного ковша и заполнении изложницыгидродинамические процессы цирку-жции расплава в изложницетеплообмен стенки изложницы с водой, заполняющей охладительный бак, с интенсивным кипением и циркуляцией водытеплообмен циркулирующего расплава со стенками водоохлаждаемой изложницы с охлаждением и затвердеванием металла в пристеночной зонеобразование газового зазора на границе металл-изложница в результате линейной усадки твердой коркиэрозию образующейся твердой корки металла под действием потока циркулирующего расплава.

Для обеспечения безопасной заливки слитков необходимо выбрать такие параметры технологического режима, при которых процесс нарастания твердой корки слитка продолжается непрерывно, предохраняя стеньгу изложницы от непосредственного контакта с расплавом, чтобы под воздействием циркулирующего потока расплава не могло произойти эрозии корки и стенок изложницы. В связи с этим в работе необходимо было дать количественную оценку влияния таких технологических факторов, которые наиболее существенно воздействуют на процессы теплообмена и эрозии твердой корки: темперагура заливки и марка заливаемой сталитолщина стального поддонатолщина воздушного зазора менщу поддоном и днищем изложницыначальный уровень металла в ковшедиаметр стопорного стаканавысота ковша над излошшцейиспользование промежуточной заливочной воронкиинтенсивность циркуляции охлаждающей воды.

Важной особенностью рассматриваемой технологии является системная взаимосвязь перечисленньк явлений, вследствие чего влияние каждого фактора необходимо рассматривать с зачетом совокупного воздействия всего комплекса других факторов. Для решения подобной задачи была сформирована сложная многоуровневая численная модель технологического процесса, отражающая влияние весьма большого числа взаимосвязанных теплофизическим, гидродинамических, металлургических и технологических факторов в процессе заливки стали в изложницу. РТнформационное обеспечение такой модели представляет значительные трудности в связи с отсутствием в литературе большого числа необходимых характеристик и невозможностью непосредственного наблюдения процесса и прямой оценки или измерения его цеховых параметров. В связи с этим было уделено значительное внимание выбору наиболее точных значений большинства характеристик, а в тех слулчаях, когда такой выбор был затруднен, принимались значения, при которых модель дает не заниженную, а скорее несколько завышенную оценку эрозии твердой корки и позволяет дать некоторый запас надежности при использовании результатов моделирования.

Анализ результатов моделирования.

Для решения поставленной задачи с целью анализа условий эрозии твердой корки формирутощегося слитка производилось сопряженное моделирование гидравлических, гидродинамических, теплообменных процессов. Для описания процессов фазовых превращений в стали при затвердевании использован аппарат термодинамического моделирования сплавов. В табл. 3.1 приведены расчетные значения ряда теплофизических характеристик (температуры ликвидуса Т1 и содащуса Ts, объемная теплота кристаллизации Q, объемная теплоемкость в жидком и твердом сЛ' состоянии) для исследованных марок сталей.

Решение задачи осуществляли численным методом, используя основные модули программного комплекса «РОРУСАЗТ» [171], подвергшиеся значительной модернизации применительно к особенностям поставленной задачи. В результате решения получены численные значения распределения температуф и скорости циркуляции расплава в различные моменты времени по сечению заливаемой изложницы, а также по толщине стенки изложницы и поддона, позволяющие количественно анализировать условия образования и эрозрш твердой корки металла на стенках изложницы. Подробный анализ результатов моделирования проведен применительно к изучению эрозии сталей различных марок.

Выполнено сравнение условий эрозди поддона при заливке различных марок стали, отличающихся (табл. 3.1) как по температуре ликвидуса (14 901 516 «С), так и по температурному интервалу затвердевания (28−62 град) и теплоте кристаллизации (1930;2050 МДж/(мл-К)). Сопоставление данных по нагреву поддона и изложницы при заливке ряда сталей с постоянной температурой заливки (рис. 3.3) показывает, что имеет место существенное различие в интенсивности эрозии поддона: наиболее устойчивой против эрозии из представленных марок является сталь 08ГДНФЛ, в то время как сталь 40ХН2МА отличается заметно большей склонностью к эрозии.

Дополнительное исследование эрозии при неизменной величине перегрева над температурой ликвидуса (рис. 3.4) показывает, что при этом не выявдя.

208 ется существенного различия между сталями разных марок. Это дает основание сделать вывод, что различие в поведении сталей связано с разным значением температуры ликвидуса: наиболее высоким у стали 08ГДНФЛ и минимальным из представленных — у стали 40ХН2МА.