Математическое моделирование процессов движения дисперсных частиц в потоке жидкого металла и прогнозирование их локализации при центробежном литье

Abstract

Современные тенденции развития машиностроения подразумевают использование редких и дорогостоящих материалов во многих его отраслях. Постепенное истощение природных запасов, вызванное масштабным технологическим прорывом в ХХ веке, требует рационального использования оставшихся ресурсов и применения ресурсосберегающих технологий. Изготовление изделия полностью из дорогостоящего или нетехнологичного материала является нецелесообразным ввиду того, что площадь рабочей поверхности относительно площади всей детали зачастую не превышает 20–30 %. Соответственно, объем материала, выполняющего функцию носителя рабочей поверхности, рациональнее всего изготавливать из более дешевых и технологичных конструкционных материалов, отвечающих предъявленным требованиям по выдержке прилагаемой нагрузки. Решение данной проблемы заключается в необходимости создания деталей машин, представляющих собой по своей молекулярной структуре единую систему с отсутствием каких-либо четких границ раздела фаз и градиентным равномерным распределением укрепляющих частиц в теле металла. Математическое моделирование технологических процессов во всех отраслях промышленности необходимо для повышения эффективности производства с точки зрения снижения издержек на устранение результатов неудачных экспериментов, аварийных ситуаций и оптимизации технологических процессов. Вводимая мелкодисперсная керамика в виде карбидов титана, вольфрама, кремния и прочих элементов, придающих рабочим поверхностям стальной отливки уникальные характеристики в части сопротивления термическим и физическим нагрузкам, повышает тем самым их твердость, износостойкость и сопротивляемость повышенным температурам при эксплуатации, в то время как более вязкая и упругая железная сердцевина отливки при наличии в ней градиента упрочняющих частиц обеспечивает стойкость отливки к ударным и знакопеременным нагрузкам. Выполнен обзор существующих математических моделей процесса движения твердых дисперсных частиц в потоке жидкости. Рассмотрены системы, выступающие в качестве аналогов системы взаимодействия «сталь – карбид вольфрама – карбид титана». Nowadays trends of engineering development involve using of rare and expensive materials. The erosion of natural reserves caused by large-scale technological breakthroughs in the XX century, requires the rational use of the remaining resources and using of resource-saving technologies. The product manufacturing entirely from expensive or low-tech material is impractical due to the fact that the area of the working surface relative to the area of the entire machine part often does not exceed 20–30 %. The volume of material performing the function of a work surface carrier is most rationally made from cheaper and more technologically advanced structural materials that meet the requirements for maintaining the applied load. The solution to this problem is creating machine parts, which have a single system with the absence of any clear phase boundaries and a uniform gradient distribution of reinforcing particles in the metal body. Mathematical modeling of technological processes is one of the most needed procedure to increase production efficiency for reducing costs for eliminating the unsuccessful experiments results, emergency situations and optimization of technological processes. Introduced micro dispersed ceramics of titanium, tungsten, silicon carbides and other elements, which give unique characteristics for the working surfaces by steel casting in terms of resistance to thermal and physical loads, thereby increasing hardness, wear resistance and resistance to elevated temperatures during operation, while more viscous and the elastic iron body for ensuring the resistance to shock and alternating loads. A review of existing mathematical models of the solid dispersed particles motion process in a fluid stream is performed. The systems acting as analogues of the interaction system “steel – tungsten carbide – titanium carbide” are considered.