Объект исследования – отливка «Корпус запирающего винта», изготавливаемая в филиале ФГУП и ГКНПЦ имени Хруничева Воронежский механический завод (ВМЗ), материал изготовления — низколегированная сталь 35ХМЛ ГОСТ 977-88, масса 36 кг, 3D-модель приведена на рис. 1.
Рис. 1. Отливка «Корпус запирающего винта»
Данная отливка предназначена для нефтегазового оборудования и входит в состав нефтепровода. Эксплуатируется в агрессивных средах в контакте с сернистым газом при повышенных давлениях. Она играет роль запорной арматуры в трубопроводе, и эксплуатируется в условиях динамических знакопе-ременных нагрузок, широком интервале температур, давлений и агрессивных сред. К ней предъявляются повышенные требования по герметичности и коррозионной стойкости. При ее изготовлении неизбежно возникает брак в виде усадочной пористости в осевой части отливки. Усадочная пористость возникает в частях отливки, отверждающихся в последнюю очередь. В сплавах, затвердевающих в интервале температур, растущие от поверхности отливки кристаллы глубоко вдаются в жидкий металл. В них образуется промежуточная двухфазная зона, состоящая из твердого и жидкого металла. Пока растущие от поверхности кристаллы не встретятся, верхние слои жидкого металла или боковые прибыли компенсируют усадку металла. Однако после срастания растущих кристаллов объемы жидкого сплава между ними изолируются один от другого и дополнительный подвод жидкого металла прекращается. При затвердевании жидкого сплава в таких условиях в изолированном пространстве образуются мелкие усадочные раковины-поры. Для проведения моделирования использовалась СКМ LVM Flow. При моделировании задавались следующие начальные условия (по заводской технологии): температура заливки 1620 о C, материал формовочной и стержневой смеси — жидкостекольная смесь ФС ПСС с начальной температурой 20 о C, расчет велся при размере ячейки 5,0 мм Были получены графические результаты по распределению температур, усадки и микропористости в затвердевающей отливке, рис. 2 а, 2 б, 2 в.
Рис. 2 а. Распределение температуры в затвердевающей отливке
Рис. 2 б. Распределение усадки в отливке
Результаты проведенного компьютерного моделирования при базовом, то есть заводском варианте подтверждают наличие усадочных дефектов.
Рис. 2 в. Распределение микропористости в отливке
На рисунке видны места появления усадочной пористости, находящиеся в тепловых узлах отливки. Очевидно, что усадочные раковины возникают в результате прекращения питания узлов жидким металлом, так как прибыли, обеспечивающие это питание, затвердели раньше, чем тело отливки. Усадка также является причиной возникновения микропористости. Оценить микропористость можно с помощью критерия Нияма. Значения критерия Нияма в некоторых местах достигают 0,645 – 0,677. Для плотных отливок нормой считаются значения не менее 0,85. Это говорит о том, что нарушение питания отливки жидким металлом из прибыли привело к образованию усадочной пористости. Одним из предполагаемых вариантов устранения дефектов в отливке являлась замена формовочной и стержневой смеси с жидкостекольной на холоднотвердеющую. С учетом этого изменения было проведено моделирование и получены результаты, рис. 3 а, 3 б, 3 в.
Рис. 3 а. Распределение температур в затверде-вающей отливке при использовании ХТС
Рис. 3 б. Распределение усадки в отливке при использовании ХТС
Рис. 3 в. Распределение микропористости в отливке при использовании ХТС
Как видно, величина усадки ниже и достигает 9% на один расчетный узел, тогда как в базовом варианте это значение достигало 30%. Очевидно, что при более низком значении усадка все же выходит за допустимые пределы, а значит, высока вероятность образования в этом месте усадочной раковины. Снижение усадки обусловлено тем, что холоднотвердеющая смесь лучше сохраняет тепло, чем жидкостекольная. Поэтому отливка в ней затвердевает значительно дольше. Благодаря этому металл в прибыли сохраняет жидкое состояние продолжи- тельное время и позволяет затвердеть отливке, снизив её усадку. Но, как видно из рисунка 3 в, замена формовочной и стержневой смесей на холоднотвердеющую негативно повлияла на значения критерия Нияма и на количество областей с микропористостью. Значения критерия в некоторых местах менее 0,4. Это связано с тем, что величина теплоаккумулирующей способности холоднотвердеющей смеси ниже, чем у жидкостекольной и потому зона пористости увеличилась. Таким образом, результаты моделирования не позволили оптимизировать технологию изготовления исследуемой отливки, поэтому для разрешения проблемы обратились к тематическим информационным материалам по устранению дефектов в отливках. В литературных источниках изложены основные подходы к созданию экспериментальной системы с использованием интеллектуальной базы знаний, в которой описаны причины возникновения дефектов . Используемая нами система компьютерного моделирования LVM Flow позволяет выявить такой дефект как «Усадочная пористость». Нами было проведено системное исследование факторов, влияющих на возникновение этого дефекта (исходя из теоретических и экспериментальных источников). По информационным источникам проводилась работа, которая позволила систематизировать факторы, влияющие на появление дефекта «Усадочная пористость» в отливках, результаты представлены в таблице.
Вывод.
В результате работы были систематизированы факторы для выявления дефекта «Усадочная пористость». Данная работа позволит сократить время на процесс оптимизации технологии изготовления стальных отливок при литье в ПГФ. Дальнейшая работа по устранению дефектов в исследуемой отливке будет продолжена в дипломной работе.
Литература
1. Воронин Ю.Ф., Камаев В.А. Атлас литейных дефектов. Чёрные сплавы. Монография. // М.: Машиностроение – 1, 2005, — 328 с. 2. Воронин Ю. Ф.: Эмпирическая методика снижения брака отливок / Воронин Ю. Ф., Камаев В. А., Бойко Н. А. // Управление большими системами. Выпуск 23. М.: ИПУ РАН, 2008. С.137-155.
Авторы статьи: Т.И. Сушко, Е.А. Щербаков, Т.В. Пашнева, И.Г. Руднева
