Simulation of crystallization of the surface layer of track castings in the region of holes

Abstract

В дослідженнях по поверхневому легуванні виливків був накопичений матеріал, що вказував на обмеження глибини легування поверхневого шару металу. Дане обмеження пов’язувалось з швидкістю переміщення кристалізаційного фронту. Знаходження закону руху фронту кристалізації у поверхневому шарі металу виливків дає інформацію про шляхи терморегуляції поверхневого шару виливків під час тверднення з метою формування в металі заданих властивостей. Аналітичним та чисельним методами моделюється процес кристалізації поверхневого шару металу у формі. Розглядаються спрощена та розгорнута модель з осьовою симетрією. Поставлена задача про фазовий перехід була розв’язана методом скінчених різниць з використанням неявної схеми для складання системи різницевих рівнянь. На прикладі конкретної системи – вушок виливків траків гусениць, які виливались з високо марганцевої зносостійкої сталі 110 Г13Л (сталі Гадфільда) було визначено закон переміщення фронту кристалізації у поверхневому шарі металу. Визначені швидкості охолодження поверхневих шарів металу виливків в процесі їх кристалізації. Одержані швидкості охолодження поверхневих шарів металу виливків в процесі затвердіння дозволяють оцінити величину механічних напружень і темпи зміни коефіцієнтів дифузії компонентів при поверхневому легуванні металу. In the course of study of cast surface alloying we accumulated material indicating limitation of the depth of metal surface alloying. Such limitation was connected with the rate of displacement of the crystallization front. Discovery of the law of displacement of crystallization front in the cast metal surface gives information about ways of thermal regulation of the cast surface layer during its hardening for the purpose of formation of the desired properties in the metal.The process of crystallization of metal surface in a mold box is simulated with the analytical and numerical methods. A simplified and expanded model with axial symmetry is considered. The law of displacement of crystallization front in the metal surface has been obtained.The designated problem about phase transition was solved by the method of finite differences with application of implicit scheme for composition of a scheme of different equations. By the example of a specific system – casts of lugs of caterpillar trucks that were cast from high-manganese wear-resisting steel 110Г13Л (Hadfield steel) the law of displacement of crystallization front in the metal surface was determined. The rates of cooling of cast metal surfaces during the crystallization process were determined. The obtained rates of cooling of cast metal surfaces during the hardening process will make it possible to estimate the scope of mechanical stresses and rate of change of component diffusion coefficients during surface alloying of metal.