Решение

Решение

 Разработка технологии

Magmasoft — многофункциональная специализированная CAE-программа, позволяющая моделировать многие литейные процессы. Программа относится к классу тяжелых конечно-разностных систем анализа и имеет более 400 инсталляций. Программа обладает хорошей точностью получаемых результатов и богатым набором параметров для проведения моделирования.

К недостаткам программы следует отнести:

  • высокая стоимость
  • очень тяжелый интерфейс без поддержки русского языка
  • отсутствие отечественной базы данных материалов и сплавов
  • большие временные затраты на ввод данных

Анализ использования Magmasoft на предприятиях-пользователях показал, что возможности программы задействованы на каждом предприятии в среднем от 1 до 20 %. Количество расчетов и исправленных технологий редко превышает 1-2 в месяц для обычного литья, что, к сожалению, говорит об неэффективном использовании Magmasoft в России. Для эффективной работы с Magmasoft необходимо выделить на предприятии 1-2 технологов, которые должны заниматься только моделированием, не отвлекаясь на цеховые проблемы, что в сложившейся ситуации весьма проблематично.

Общее описание:

Разработка ПО МAGMASOFT MAGMASOFT основана на научных работах профессора Пребена Хансена (Preben N. Hansen), одним из первых применившего методы математического моделирования для анализа литейных процессов.

MAGMASOFT позволяет на основе точного представления широкого спектра физических процессов, происходящих при заполнении и затвердевании отливок, выявлять различные дефекты, рассчитывать микроструктуру сплава, механические свойства, остаточные напряжения, деформации отливок, определять объемную и линейную усадку и т.д.

Применение MAGMASOFT позволяет:

  • оптимизировать режимы заливки сплава и затвердевания отливки;
  • выполнить температурный расчет пресс-форм;
  • оптимизировать литниковую систему;
  • прогнозировать микро- и макроструктуру, твердость и механические свойства отливок;
  • рассчитывать и минимизировать остаточные напряжения и деформации;
  • моделировать режимы термообработки.

В процессе моделирования заполнения полости формы возможно определить:

  • температурные поля отливки и формы; В процессе моделирования заполнения полости формы возможно определить:
  • вектора скоростей движения сплава в полости формы (направления движения сплава в форме, модуль вектора);
  • траекторию движения частиц сплава в полости формы, динамику процесса заполнения, визуализацию линий тока заполнения формы (так называемые «трассеры»);
  • проводить моделирование процессов вытеснения воздуха из формы, шлаковых включений;
  • процессы эрозии форм (постоянной, разовой);
  • оптимизировать вентиляционные системы постоянных форм (и проходящие в них процессы, при заполнении формы).

 

В процессе моделирования кристаллизации отливки возможно определить:

  • температурные поля в течение всего времени затвердевания и охлаждения отливки;
  • градиенты температур в отливке, форме и элементах литниковой системы: прибылях, холодильниках, питателях, стояках и т.д.;
  • время затвердевания сплава в любом месте отливки;
  • микроструктуру и механические свойства сплавов, в том числе различных видов чугунов — серых, высокопрочных, специальных и сталей;
  • распределение концентраций углерода, кремния, марганца, серы, фосфора в теле отливки;
  • направление затвердевания сплава;
  • скорость затвердевания отливки;
  • время фазового перехода;
  • эффективность подпитки отливки прибылями;
  • протяженность во времени и характер процессов междендритного протекания;
  • наличие, величину и расположение микро- и макро-дефектов, усадочные и газовые раковины в теле отливки и незаливы;
  • расчетную плотность отливки;
  • величину линейной усадки (в целом и по осям X, Y, Z) и объемной усадки;
  • качество отливки по различным критериям: «Nijama» и др.;
  • самостоятельно сформированные критерии для оценки качества;
  • остаточные напряжения в отливке после охлаждения;
  • деформацию формы отливки в осях X, Y, Z;
  • горячие и холодные трещины;
  • построение диаграммы развития деформации и остаточных напряжений в отливке и в форме;
  • оптимальную температуру и время удаления отливки из формы;
  • а так же решать ряд других задач.

MAGMASOFT может использоваться практически для всех литейных процессов, включая:

  • литье в землю;
  • литье в кокиль;
  • точное литье, по выплавляемым моделям;
  • литье по выжигаемым моделям;
  • литье под высоким давлением (в том числе в среде нейтрального газа);
  • литье под низким давлением;
  • литье выжиманием;
  • «полужидкая» штамповка — squeeze процессы;
  • литье дисков автомобильных колес (специализированный модуль);
  • литье под наклоном;
  • литье с переворотом формы;
  • литье на линиях безопочной формовки DISA;
  • центробежное литье в разовые или постоянные формы.

ПО MAGMASOFT имеет базы данных:

  • материалов;
  • прибылей;
  • холодильников;
  • технические данные металлургического оборудования;
  • разделительных покрытий и красок.

Все базы данных ПО «MAGMASOFT» могут быть дополнены пользователем.

MAGMASOFT позволяет анализировать процессы литья при использовании различных материалов:

углеродистые стали, легированные стали, чугуны (серые, белые, ковкие и высокопрочные), алюминиевые, титановые, бронзовые, магниевые сплавы, а также сплавы на никелевой и медной основе и др.

 

 Модельная оснастка

Литьё в землю, гравитационное, наклонное литьё

Ключевые факторы успеха в гравитационном литье связаны с оптимизацией системы литников и исключением областей возможной усадки.

Литьё по выплавляемым моделям, литьё в оболочковые формы

ProCAST хорошо приспособлен для решения задачи литья по выплавляемым моделям. Например, ProCAST может автоматически генерировать сетку, отражающую оболочковую форму, допускает неодинаковую толщину и многослойность. При этом учитывается теплоизлучение с эффектами затенения, которые важны для высокотемпературных сплавов.

ProCAST предоставляет возможность моделирования заполнения формы, затвердевания и формирования микроструктуры.

Расположение стояков и применение изолирующих или экзотермических подводов, их влияние на усадку может быть изучено на компьютере и визуализировано на экране для достижения оптимального качества отливки.

Литьё в кокиль под низким давлением

Чтобы реально воспроизвести заводские условия можно проводить моделирование рабочих циклов формы до состояния, когда температурные условия выйдут в стационарный режим. Рассчитанные температурные поля дают возможность рассчитать заполнение формы и затвердевание отливки.

Параметры процесса могут быть отрегулированы так, что будет достигнуто оптимальное качество процесса за наименьшее время.

Литьё в кокиль под высоким давлением

ProCAST позволяет решать такие специфичные задачи литья под высоким давлением как жидкая штамповка и литье в полутвердой фазе. Оптимальный профиль скоростей плунжера, конструкция литников и проливаемость могут быть легко определены в процессе моделирования даже у тонкостенных изделий. Термомеханические циклы кокиля могут рассчитываться не только с целью увеличения его жизненного цикла, но и для повышения производительности, снижая таким образом риски и затраты.

Литье в 3D печатные песчаные формы

Литье в 3D печатные песчаные формы — новый, современный способ производства высокоточных отливок из чугуна, стали и цветных сплавов для аэрокосмической и оборонной промышленности, автомобилестроения, производства технологической оснастки, медицины, изготовления прототипов. Способ предусматривает выполнение двух основные технологических операций: 3D печать литейных песчаных форм и стержней и, вторую, сборку и заливку форм.

Трехмерная печать литейных песчаных форм и стержней осуществляется автоматически на специализированных 3D принтерах. Построение объектов осуществляется автоматически, на основе данных 3D CAD, из мелкодисперсного кварцевого песка путем нанесения тонкого слоя (толщиной 140-250 мкм) на площадку построения и последующего селективного связывания (соединения) слоев между собой жидким связующим (фурановая смола или фенольное связующее), поступающим из головки в соответствии с заданной геометрией слоя. После завершения процесса печати, формы или стержни распаковывается, т.е. очищается от избытка песка. Для этих целей обычно используют вакуумирование. Применяемый незапечатанный песок почти на 100% подлежит вторичной переработке (процесс PDB). Cистема 3D печати не только обеспечивает быстрое производство отдельных объектов, но также допускает эффективное производство небольших партий. Конструкция системы, включающая строительные платформы, которые поочередно вставляются в станцию ​​обработки, позволяет вести непрерывную печать (24 часа, в течение 7 в неделю). Рабочие поверхности форм и стержней, как и при традиционных способах литья покрывают противопригарными покрытиями. Формы с горизонтальными разъемом собирают на клей и пригружают грузами, формы с вертикальным разъемом обычно сажают на клей и крепят стягивающими шпильками.

Достоинства способа литья в 3D печатные песчаные формы

  1. Технология литья в 3D печатные песчаные формы, с точки зрения общих затрат, экономичнее производства литья в песчано-глинистые формы при изготовлении небольших партий отливок, т.к. отсутствуют затраты на разработку и изготовление сложной, дорогостоящей литейной и опочной оснастки, инструмента и приспособлений. 3D-печать отливок со сложной геометрией является наиболее экономичным выбором, даже партий в несколько сотен единиц, хотя она не может заменить классическую технологию литья при большой серии.
  2. Второе важное преимущество способа 3D печати, в сравнении с традиционными способами литья, заключается в более коротких сроках производства. Если изготовление пресс-форм и стержневых ящиков может занять несколько недель, 3D печать позволяет печатать сложные песчаные формы в течение ночи или в течение нескольких дней. Все, что требуется являются наборы данных CAD.
  3. Способ позволяет производить точные песчаные формы и стержни с высоким качеством поверхности.
  4. Песчаные формы производятся аддитивно непосредственно из данных CAD, что позволяет использовать все богатство детализации и точности, практически неограниченной геометрии, могут быть реализованы подрезы.
  5. Возможны комбинации: 3D-печатные сердечники можно комбинировать с традиционными песчаными формами и наоборот.

Производство литья в песчаные формы напечатанные на 3D-принтере имеет безусловную перспективу. Постоянное снижение стоимости печати на принтере по мере его совершенствования, увеличение габаритов печатающего пространства (к примеру принтер VX4000 производимый voxeljet AG (Германия), обеспечивает построение объектов на площадке размером: 4000 x 2000 х 1000 мм), исключительная точность, высокое качество поверхности формы, отсутствие уклонов, высокая скорость изготовления, исключение операции механической обработки мало того, что дают основания считать данное направление перспективным, но и указывает на экономическую эффективность использования данного способа литья.

 Механические испытания

Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).

К основным механическим свойствам относят:

  • прочность
  • пластичность
  • ударную вязкость
  • твердость

Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).

Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.

Ударная вязкость определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).

Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.

Виды и условия механических испытаний металлов

Для определения механических свойств выполняют следующие виды испытаний:

  • испытания на растяжение;
  • испытания на статический изгиб;
  • испытания на ударный изгиб;
  • измерение твердости.

К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и характер приложения нагрузки к образцам.

Температура проведения испытаний:

  • нормальная (+20°С);
  • низкая (ниже +20°С, температура 0...-60°С);
  • высокая (выше+20°С, температура +100...+1200°С).

Характер приложения нагрузки:

  • нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной - статические испытания;-
  • нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная - динамические испытания;
  • нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) - испытания на выносливость.

Образцы для механических испытаний:

Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.

Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.

Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.

Механические свойства, определяемые при статических испытаниях:

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:

  • предел текучести (σт);
  • предел прочности или временное сопротивление (σв);
  • относительное удлинение (δ);
  • относительное сужение (ψ).

Предел текучести – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.

Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.

При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке.

При максимальной нагрузке в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.

Механические испытания на ударный изгиб

Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.

Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:

  • образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);
  • образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);
  • образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).

Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.

После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.

Определение твердости металлов

Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:

  • твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB);
  • твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
  • твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).

Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.

Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.

Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро )и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).

Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.

Испытания на статический изгиб

Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.

Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2•t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.

Различают три вида изгиба:

  • загиб до определенного угла;-
  • загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
  • загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).

Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.

Диагностика покрытия

Техническое диагностирование является инструментом поддержания установленного уровня надежности оборудования, обеспечения требований промбезопасности и эффективности использования объектов металлургической промышленности.

Качество металлоконструкций без нарушения пригодности к использованию по назначению проверяется различными физическими методами и средствами неразрушающего контроля (НК) металлов и металлоизделий.

Согласно ГОСТ 18353—73 методы неразрушающего контроля классифицируются на следующие виды:

  • Визуальный измерительный метод дефектоскопии

Внешним осмотром (ВИК) проверяют качество сварных соединений: дефекты швов в виде трещин, подрезов, пор, свищей, прожогов, наплывов, непроваров в нижней части швов.

  • Акустические методы

Позволяют измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения. При технической диагностике металлургического оборудования данный метод применяется достаточно часто для контроля толщины листовых металлоконструкций технических устройств, проверки  качества сварных швов.

  • Магнитные методы

С помощью магнитно-порошкового метода надежно выявляют поверхностные трещины, микротрещины, волосовины, флокены и другие дефекты. Магнитно-графический метод наибольшее применение получил для контроля сварных соединений. Он позволяет выявлять трещины, непровары, шлаковые и газовые включения и другие дефекты в стыковых сварных швах. При технической диагностике металлургического оборудования данный метод применяется часто при контроле цапф наклоняющихся печей и литейных ковшей.

  • Оптические  методы

Оптические методы основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом. При технической диагностике металлургического оборудования этот метод применяется очень редко. Может применяться совместно с визуально измерительным контролем.

  • Методы контроля проникающими веществами

При технической диагностике металлургического оборудования применяется самый распространенный метод капиллярного контроля – цветной. Он позволяет обнаруживать дефекты производственно-технологического и эксплуатационного происхождения: трещины шлифовочные, термические, усталостные, волосовины, закаты и др.

  • Радиационные методы

Основаны на взаимодействии проникающих излучений (рентгеновское, потока нейтронов, γ- и β-лучей) с контролируемым объектом. Их применяют для контроля качества сварных и паяных швов, литья, качества сборочных работ, состояния закрытых полостей агрегатов и т. д. При технической диагностике металлургического оборудования применяется  редко.

  • Радиоволновые методы

При технической диагностике металлургического оборудования применяются редко. Эти методы еще не нашли должного применения в промышленности, хотя и являются весьма перспективными. Так, с их помощью можно обнаруживать непроклеи, расслоения (площадью от 10 мм2 и более), воздушные включения, трещины (от 10 мкм и более), неоднородности по плотности, напряжения, измерять геометрические размеры и т. п.

  • Тепловые методы

Применяют для измерения температур, получения информации о тепловом режиме объекта, определения и анализа температурных полей, дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, трещины и т.п.), выявления дефектов пайки многослойных соединений из металлов и неметаллов, склейки металл — металл, металл — неметалл и т. п. При технической диагностике оборудования в металлургической промышленности активно применяется тепловизионный метод.

Тепловизионный контроль металлургического оборудования является эффективным методом обнаружения таких дефектов, как разрушение футеровки и прогорание печей при критических температурах.

Тепловизионная диагностика устройств и оборудования в металлургической промышленности позволяет:

  • выявлять участки с повышенной температурой;
  • определять температуру в любом участке оборудования;
  • сформировать температурные профили;
  • сравнивать различные участки оборудования;
  • решать задачу энергоэффективности эксплуатации оборудования.

Что в свою очередь способствует предотвращению аварий и высокозатратного ремонта оборудования.

  • Электрические методы

Применяют для выявления раковин и других дефектов в отливках, расслоений в металлических листах, различных дефектов в сварных и паяных швах, трещин в металлических изделиях, растрескиваний в эмалевых покрытиях и органическом стекле и т. д.

  • Электромагнитный (вихревых токов) метод

Применяется для обнаружения поверхностных дефектов в магнитных и немагнитных деталях и полуфабрикатах. Метод позволяет выявлять нарушения сплошности, в основном трещин, на различных по конфигурации деталях, в том числе имеющих покрытия.

Приведенный краткий обзор методов НК позволяет сделать вывод, что для контроля металлов и металлоизделий имеется достаточный арсенал методов и средств неразрушающего контроля. Следует отметить, что методы НК не являются универсальными. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов.

Металлография

Металлография является классическим методом исследования и контроля металлических материалов, подготовкой и изучением строения структуры шлифа обычно с помощью микроскопии. Структуру выявляют с помощью травления, либо среза, шлифования и полирования образца.

Металлографические исследования важны во многих областях промышленности:

  • Металлургия
  • Автомобилестроение
  • Атомная промышленность
  • Энергетика
  • Аэрокосмическая промышленность

Пробоподготовка является одним из первых этапов для проведения металлографии и крайне важна. Качественное проведение пробоподготовки в итоге окажет положительный эффект на конечные результаты. От качества оборудования для пробоподготовки зависит очень многое, например, повторяемость измерений свойств материалов от пробы к пробе.

Пробоподготовка — это совокупность действий над изучаемым образцом, для перевода его в форму, наиболее подходящую для дальнейшего исследования. Основная задача пробоподготовки — подготовка вещества, материалов, компонентов анализа для определённого вида анализа. Пробоподготовка помогает повысить точность получаемых результатов, расширить исследуемый диапазон значений, повысить безопасность исследования, ускорить тест, улучшить воспроизводимость и снизить погрешность результатов.

Этапы материалографической подготовки образцов:

  • Вырезка образца
  • Получение плоской поверхности (например при помощи токарного и фрезерного станка)
  • Шлифование
  • Полирование
  • Изучение поверхности микрошлифа до травления
  • Травление

Затем наступает этап анализа полученного образца:

  • Анализ изображения (микроскопия) — для распознавания структуры материала
  • Измерение твёрдости (твердометрия) — определение физических свойств материала

Также возможны другие методы получения образца для исследования. Например, получение реплики — отпечатка поверхности.