Якість литого виробу, його властивості, в першу чергу, залежать від структури, яка утворюється  при переході металу з рідкого в твердий стан. Серед основних чинників впливу на її формування треба виділити наступні: хімічний склад, початкова температура рідкого металу, час перебування в перегрітому та рідко-твердому (в інтервалі температур ліквідус-солідус) станах, інтенсивність тепловідводу через бічну поверхню, швидкості тверднення та охолодження.

Методами математичного і комп’ютерного моделювання проведено аналіз впливу початкової температури ливарного сплаву АК5М2 на умови формування виливка діаметром 30 мм в серединному перерізі, який отримували в сталевому кокілі товщиною 0,2 мм. Температуру перегріву (DТ) над ліквідусом (Т_L = 619 °С) змінювали від 31 °С до 281 °С. Теплофізичні характеристики матеріалів, використані при обчисленнях, наведено в табл. 1, розміри і загальний вигляд кокілю – на рис. 1.

При моделюванні перенос тепла в системі виливок-кокіль описано рівнянням Фур’є. При постановці задачі для забезпечення спрямованого характеру тверднення циліндричного виливка прийнято припущення щодо ідентичності умов теплообміну по всій поверхні. Враховували залежність теплофізичних характеристик виливка і кокілю від температури. В початковий момент часу задавали температури кокілю і рідкого металу (Т_L + DТ). Для вирішення сформульованої задачі використано чисельний метод кінцевих різниць.

Таблиця 1 ‒ Теплофізичні характеристики матеріалів

а                                                                                   б

Рис. 1. Розміри (а) та загальний вигляд (б) кокілю

Встановлено (табл. 2), що  після зняття перегріву з усього об’єму рідкого металу час знаходження виливка в двофазному стані (Δτ₁), а також інтервал часу від початку формування твердої кірочки до повного тверднення (Δτ₂) є інваріантними відносно значень температур перегріву в досліджуваному діапазоні і становлять 162,37 с та 2,42 с  відповідно. При збільшенні температури розливання від 650 ^оС до 900 ^оС час зняття температури перегріву зі всього об’єму виливка збільшується з 5,758 с до 36,75 с, що призводить до зростання часу перебування областей виливка в рідкому стані (рис. 2, кр. 1 та 3). Загальна тривалість тверднення виливка змінюється з 170,18 с до 201,12 с (див. табл. 2).

Таблиця 2 – Час зняття теплоти перегріву розплаву і повного тверднення виливка зі сплаву АК5М2 при зміні перегріву відносно температури ліквідус

Рис 2 . Зміна температури в центрі  (- - -) та на бічній поверхні  (--) виливка залежно від температури заливки: 1 – 650 °С; 2 – 750 °С; 3 – 900 °С

З використанням методу регресійного аналізу оцінено вплив температури перегріву розплаву (DТ) на час зняття теплоти перегріву (τ_пер., с) та тривалість тверднення виливка (τ_твер., с). Одержано рівняння другого порядку, за якими розраховано вказані залежності:

– час зняття теплоти перегріву:

, R² =99,93;                     (1)

–      час повного твердіння виливка:

, R² =99,945,                (2)

де ΔТ – величина перегріву над ліквідусом, що змінювали від 31 °С до 281 °С;

R² – коефіцієнт детермінації (відсоток експериментальних даних, який співпадає з моделлю).

Зниження температури в центрі та на поверхні виливка в процесі охолодження описується залежністю близькою до лінійної (див. рис. 2).  Через невелику масу металу, що твердне, їх величини суттєво не відрізняються. Тривалість охолодження визначається ступенем перегріву.

Ураховуючи лінійний характер зниження температури розплаву до температури ліквідус, зумовлений постійною площею охолодження, проведено розрахунки з визначення зміни швидкості охолодження рідкого металу від температури його перегріву до температури ліквідус. Встановлено, що цей процес можна описати рівнянням другого порядку:

v = 5,04897 + 0,0123ˑΔT – 1,1357ˑ10^-5ˑ(ΔT)².                                                                                     (3)

Зміна швидкості охолодження в двофазній зоні також характеризується лінійною залежністю:

v = -0,0004567 ˑΔT+1,2824.                                             (4)

Визначено, що швидкість охолодження рідкого металу при знятті теплоти перегріву становить біля 4 °С/с, далі швидкість охолодження на фронті ліквідус змінюється за експоненціальним законом і при знятті перегріву центрального об’єму виливка складає ~0,4 °С/с (рис. 3). Подальше формування виливка відбувається в двофазному стані, де швидкість охолодження змінюється від                      ~0,9 °С/с в момент утворення твердої кірочки на поверхні виливка до                                12-20 °С/с в момент повного тверднення виливка (рис. 4).

а

б

Рис. 3. Кінетика просування ізотерми ліквідус (1), зміна швидкості її просування (2) та швидкості охолодження на фронті ліквідус (3) при температурі заливки розплаву 650 °С (а) та 900 °С (б)

а

б

Рис. 4. Кінетика просування ізотерми солідус (1), швидкості тверднення (2) та швидкості охолодження при температурі заливки розплаву 650 °С (а) та 900 °С (б)

Аналізуючи зміну параметрів тверднення (швидкості тверднення (см/с) та швидкості охолодження (°С/с), див. рис. 4) по радіусу виливка можна виділити три області, які призводять до зміни структурних зон виливка, що твердне: I » 0,6 см від поверхні виливка (згідно з прямолінійною ділянкою зростання швидкості тверднення); II – перехідна область розміром близько 0,5 см (параболічна ділянка підвищення швидкості тверднення); III » 0,4 см центральна частина виливка (ділянка значного збільшення швидкості охолодження). В табл. 3 наведено дані щодо кожної з вказаних ділянок для локальних швидкостей охолодження та тверднення на фронті солідус.

Таблиця 3 — Оцінка структурних зон виливка із сплаву АК5М2

Проведення експериментальних досліджень підтвердило наявність визначених структурних зон по радіусу виливка зі сплаву АК5М2, які відрізняються розміром, складом і морфологією структурних складових.