Optimización de geometría cerámica en compuestos Hierro Fundido Alto Cromo/Alumina Endurecida con Circonia mediante modelado numérico a escala de partícula

Resumen

Para reducir el estrés térmico en compuestos de matriz de hierro fundido alto cromo (HCCI) reforzados con partículas cerámicas de alumina endurecida con circonia (ZTA), se realiza simulación de elementos finitos para optimizar la configuración geométrica del preformado cerámico. El modelo previo simplifica la estructura global del preformado de partículas cerámicas y añade condiciones de contorno para simular las partículas, lo que causa error incontrolable en resultados. En este trabajo, se usan modelos de grano equivalente para describir el preformado real, haciendo resultados de simulación más cercanos a resultados experimentales reales. Se simula el proceso de solidificación del material compuesto, realizando la infiltración entre hierro fundido y partículas cerámicas. Se obtienen distribución de estrés térmico en solidificación y distribución de estrés de compresión. Los resultados muestran que agregar agujeros redondos de 10 mm en el preformado mejora el rendimiento del compuesto, ayudando a prevenir grietas y aumentando la plasticidad del material.

Introducción

Con el continuo avance de la industrialización, materiales resistentes al desgaste tradicionales únicos se han vuelto difíciles de satisfacer requisitos de rendimiento de piezas resistentes al desgaste en metalurgia, energía eléctrica y materiales de construcción. Compuestos de matriz metálica reforzados con partículas cerámicas, como compuestos de matriz HCCI reforzados con partículas cerámicas ZTA (denominados compuestos HCCI/ZTA_P en adelante), son uno de los materiales resistentes al desgaste más populares, combinando perfectamente la alta dureza de cerámica ZTA con la excelente tenacidad de HCCI y aprovechando la relación complementaria entre ambos, dando excelente resistencia al desgaste a compuestos de matriz metálica.

Los compuestos HCCI/ZTA_P aún tienen tendencia a agrietarse, lo que puede afectar apariencia y estabilidad de producción. El agrietamiento de materiales compuestos está relacionado con plasticidad y condición de estrés. Excelente plasticidad y menor estrés térmico reducen posibilidad de agrietamiento. Si la diferencia de coeficiente de expansión térmica entre partículas cerámicas y metal es demasiado grande, el estrés térmico en compuestos aumentará. Cuando el estrés térmico es alto, grietas pueden iniciarse dentro del compuesto, especialmente en la interfaz entre partículas cerámicas y metal. La extensión y propagación continua de grietas puede llevar eventualmente a fractura del material compuesto o incluso desprendimiento de toda la capa. Los materiales compuestos HCCI/ZTA_P también tienen estos problemas. Cuando el metal fundido infiltra en partículas agregadas, la temperatura disminuye, resultando en mala capacidad de combinación del metal con partículas cerámicas. Por tanto, para mejorar aún más el rendimiento de compuestos HCCI/ZTA_P, es importante estudiar y reducir su tendencia al agrietamiento.

En compuestos HCCI/ZTA_P, la capa compuesta se diseña como cara de trabajo y el resto de matriz es metal, lo que permite alta resistencia al desgaste y plasticidad simultáneamente. La capa compuesta se prepara por método de infiltración. Una característica notable de materiales compuestos es su diseño. Según demanda real, partículas cerámicas se preparan en preformado con estructura y tamaño especial, y luego el preformado se combina estrechamente con metal fundido para preparar compuesto ZTA_P/HCCI.

Para reducir estrés térmico, elegimos preformado de partículas cerámicas hexagonal. En preformado hexagonal, la distancia máxima que el metal fundido penetra es la misma sin importar dirección, mejorando uniformidad de penetración del metal y reduciendo concentración de estrés en preformado. Aunque preformado hexagonal reduce tendencia a agrietarse, el estrés térmico en proceso de moldeo aún existe. Mejorar estructura de preformado de partículas cerámicas puede reducir efectivamente concentración de estrés.

En optimización de estructura de preformado compuesto, método de elementos finitos reduce experimentos repetidos. En estudios previos, debido a complejidad de dibujo y cálculo de partículas cerámicas, el preformado se simplifica usualmente como un todo. Investigación profunda encontró que modelo simplificado tiene defectos y no puede usarse en rango más amplio. El establecimiento de modelo de partícula equivalente puede combinar mejor modelo con situación real y reducir error causado por modelo. El software de análisis de elementos finitos COMSOL Multiphysics se usa para modelar campos de estrés en proceso de solidificación y compresión de material compuesto HCCI/ZTA_P. COMSOL Multiphysics es software de simulación numérica avanzado a gran escala.

En el artículo, usamos software de elementos finitos para simular estrés de materiales compuestos bajo diferentes condiciones. La versión de COMSOL Multiphysics usada es 4.5a. Este estudio analiza sistemáticamente influencia del modelo geométrico en software de elementos finitos sobre resultados de cálculo, beneficiando diseño y desarrollo de preformado poroso. Simulación y experimento se comparan, y modelo se optimiza continuamente.

Métodos

Uno de los principales problemas en producción de compuestos es concentración de estrés, que afecta directamente resistencia al desgaste y plasticidad. Mejorar estructura de preformado de partículas cerámicas puede reducir efectivamente concentración de estrés. El propósito de este estudio es investigar influencia de estructura de preformado en distribución de estrés y mejorar rendimiento de materiales compuestos.

Establecimiento y optimización del modelo geométrico

En proceso de solidificación, temperatura de molde y metal líquido es diferente y metal líquido se solidifica rápidamente, por lo que transferencia de calor entre cada posición en proceso de colada es inestable, y ecuación de transferencia de calor se escribe como: ρ C_P ∂T/∂x = ∂/∂x(λ ∂T/∂x) + ∂/∂y(λ ∂T/∂y) + ∂/∂z(λ ∂T/∂z) + ρ Q (1), donde ρ es densidad; C_P capacidad calorífica; λ conductividad térmica; T temperatura transitoria; Q calor; x, y, z coordenadas relativas de subsistema.

Dado que temperatura de cada punto es diferente en solidificación, hay estrés interno variable en colada. Si la colada se considera cuerpo elástico lineal, cuando estrés interno es menor que límite de elasticidad, con proceso de deformación elástica, podemos usar ecuación de ley de Hooke para describirla (ecuación 2). Luego, estrés interno supera límite de elasticidad y colada tiene más deformación. Deformación total se compone de deformación elástica y plástica, σ_ij = σ_ij^e + σ_ij^p. Esta ecuación se trata como modelo de endurecimiento lineal elástico-plástico. Deformación elástica y plástica son lineales, y ecuación constitutiva se escribe como (ecuación 3).

La vida útil de piezas de hierro fundido alto cromo es más corta debido a mala resistencia al desgaste. Materiales compuestos tienen muchas ventajas sobre HCCI único. En proceso de fabricación de compuestos HCCI/ZTA_P, partículas cerámicas ZTA se preparan previamente en preformado poroso. El preformado hace que partículas ZTA y HCCI se combinen más estrechamente, y partículas cerámicas no se caen fácilmente bajo impacto. Para mejorar aún más rendimiento de compuestos HCCI/ZTA_P, es necesario optimizar estructura de preformados.

Durante proceso de colada, metal fundido puede llenar agujeros circulares y aumentar proporción de metal. En aplicación de compuestos HCCI/ZTA_P, se encuentra que posición de agregación de partículas es más propensa a grieta, por lo que se añade agujero circular en esta posición.

La forma de partículas cerámicas ZTA es polígono arbitrario, y hay muchas partículas en preformado. Si se dibujan todas, la carga de trabajo es grande. En simulaciones previas de compuestos cerámico-matriz metálica, la mayoría de preformados de partículas cerámicas se consideraron como un todo. Como muestra Fig. 1, el artículo establece modelos en macroescala y microescala, respectivamente. El establecimiento de modelo razonable requiere verificación mutua repetida con experimentos. En modelo de optimización, resultados calculados concuerdan bien con resultados experimentales. Resultados de simulación incluyen estrés térmico, campo de temperatura, campo de transición de fase durante solidificación y tensión-deformación de colada bajo carga. Se hacen ajustes razonables y efectivos al modelo de elementos finitos establecido para que modelo optimizado pueda usarse en rango más amplio.

En establecimiento de modelo geométrico usando software de elementos finitos, para reducir tiempo de cálculo y carga de modelado, a menudo se usa modelo geométrico simplificado. Como muestra Fig. 2, hay huecos entre partículas porque preformado poroso hexagonal tridimensional se simplifica a modelo bidimensional, y solo se selecciona una capa de partículas para proyectar modelo 2D. Así, apilamiento de partículas en espacio 3D evita efectivamente influencia en modelo geométrico 2D y simplifica razonablemente modelo y mejora eficiencia de cálculo.

En este artículo, se seleccionan partículas cerámicas ZTA como fase de refuerzo. ZTA es cerámica estructural multifásica preparada añadiendo circonia a alúmina y sinterizando, donde fracción másica de circonia es 18% y alúmina 82%. Hierro fundido alto cromo es matriz de material compuesto, contiene más de 12% cromo, y es excelente material resistente al desgaste.

Los parámetros de material tienen gran influencia en resultado de cálculo de elementos finitos. Parámetros requeridos para simulación en este artículo se obtienen por experimentos y literatura. Parámetros de material de partículas ZTA y HCCI se muestran en Tabla 1.

Experimentos

Para probar plasticidad y resistencia al desgaste de material compuesto HCCI/ZTA_P, se realizó prueba sistemática para determinar influencia de estructura de preformado. Máquina de ensayo universal SHT4305 se usó para medir propiedades de compresión de compuestos HCCI/ZTA_P. Tamaño de muestra de compresión es 10 × 10 × 25 mm, carga aplicada 30 toneladas, velocidad de compresión 0.5 mm/min.

La prueba de resistencia al desgaste de compuestos HCCI/ZTA_P es necesaria. Excelente resistencia a la abrasión es criterio más importante para probar rendimiento de materiales compuestos resistentes al desgaste. Compuestos HCCI/ZTA_P se usan principalmente en procesamiento mineral, fabricación de cemento y papel, y la mayoría de condiciones son desgaste abrasivo de tres cuerpos. Para simular rendimiento en servicio bajo condiciones reales lo más posible, se probaron compuestos HCCI/ZTA_P usando probador de desgaste abrasivo de tres cuerpos MMH-5. Material de pista es acero herramienta M2, dureza 820-860 Hv, diámetro externo 380 mm, ancho 20 mm. Tipo y tamaño de abrasivos se seleccionan según condiciones. En este artículo, se usa arena de cuarzo como abrasivo, dureza 1000-1200 Hv, carga de prueba 40 N, velocidad de rotación de muestra 30 r/min.

Un nanoindentador se usa para realizar prueba de módulo de Young de 100 puntos en microrregión seleccionada de 100 × 100 μm². Modelo del nanoindentador es iMicro.

La resistencia al desgaste se puede medir con reducción de masa, volumen, etc. La pérdida de volumen medida por cilindro graduado con pequeños cambios puede causar errores en lecturas humanas. Por tanto, bajo mismas condiciones de desgaste, se usa pérdida de masa Δm para evaluar rendimiento de desgaste. Fórmula: Δm = m₁ - m₂ (4), donde m₁ y m₂ representan masa de muestras antes y después de desgaste.

Resultados y discusión

Simulación basada en modelo simplificado global

En simulación de estrés térmico en proceso de solidificación de compuestos HCCI/ZTA_P, se selecciona distribución de estrés térmico a 10 s para todos los resultados, porque el estrés térmico cambia significativamente antes y después de 10 s. Comparado con escala a la derecha de Fig. 3, color rojo indica mayor estrés y azul menor. En Fig. 3a, concentración de estrés apareció en borde del preformado, especialmente en posición media, lado superior e inferior aparecieron rojos. Comparando con escala derecha de Fig. 3a, muestra que el estrés es enorme aquí. Color azul aparece donde partículas se agrupan, es decir, intersección de paredes de agujeros hexagonales, indicando estrés pequeño. En modelo geométrico Fig. 3c, se añaden agujeros circulares a agregados de partículas del preformado. Distribución de estrés en Fig. 3c es similar a Fig. 3a, excepto que hay concentración de estrés más obvia alrededor de agujeros circulares. Distribución de estrés alrededor de agujero circular del preformado en Fig. 4 es similar a Fig. 3.

Los resultados finales necesitan ser intuitivos, así que se post-procesaron y se dibujó gráfico de comparación transversal de estrés. Primero se dibuja transversal 2D en modelo geométrico, porque parte principal de observación es alrededor de agujero circular, es decir, donde partículas se agrupan, así que transversal 2D pasa por agujero circular. Ordenada del gráfico de estrés es valor de estrés en línea de sección, y abscisa es coordenada x del modelo, como muestra Fig. 5. En modelo simplificado, coordenadas de agujero circular son (12, 14), (27, 14). Fig. 5c es gráfico lineal de estrés de solidificación. En Fig. 5c, preformado con agujeros circulares tiene aumento significativo de estrés en abscisas 12 y 27, comparado con preformado sin agujeros. Fig. 5d es gráfico de comparación de estrés de compresión. Tendencia general de curva es misma que Fig. 5c, y estrés en ubicación de agujero circular aumentará significativamente.

Simulación basada en modelo de grano equivalente

Fig. 6 muestra distribución de estrés térmico de modelo de compuestos HCCI/ZTA_P basado en partículas reales, similar a Fig. 3. Sin embargo, en Fig. 6, partículas cerámicas ZTA ya no se simplifican como preformado global, sino establecidas como partículas individuales, y se observa que la mayoría de partículas alrededor aparecen color rojo. La forma de partículas ZTA no es uniforme, y el estrés es mayor que valor circundante, especialmente en punta aguda de partículas. Distribuciones de estrés térmico en Figs. 3b y 6b son obviamente diferentes. Agujero circular del preformado en Fig. 6b aparece color azul, indicando estrés pequeño aquí. Los resultados de cálculo de concentración de estrés alrededor de agujero circular son opuestos. Grado de simplificación y métodos de dibujo de modelos geométricos conducen a diferentes resultados de cálculo.

El modelo geométrico usado para simular estrés de compresión en Fig. 7 es similar a Fig. 6. En Fig. 7, comparando con escala derecha, el estrés se concentra en parte superior del modelo y preformado, especialmente bordes a ambos lados del preformado cerámico, que son amarillo-verdosos. En parte de agregación de partículas del preformado, esta zona se muestra en color verde en Fig. 7a, indicando estrés pequeño. En Fig. 7b, se añaden agujeros circulares en agregados del preformado. Color de zona de agujeros circulares es verde y amarillo, indicando que no hay concentración de estrés obvia.

En modelo basado en partículas reales, coordenadas de agujero circular son (12, 14) (27, 14). Fig. 8 es diagrama de comparación de estrés de solidificación, comparando efecto de presencia o ausencia de agujeros circulares en estrés. El estrés del preformado con agujeros circulares mostró reducción significativa en abscisas 12 y 27, y su posición básicamente coincidió con posición de agujeros circulares. El estrés de coordenadas restantes del preformado con agujeros circulares tiene pequeño aumento. En Fig. 8a, b, las dos curvas son básicamente coincidentes, excepto en preformado con agujeros circulares; el estrés cerca de coordenadas de agujero circular cae significativamente.

Validaciones experimentales

Se ve en Fig. 9, en prueba de desgaste, la pérdida de masa de compuestos usando preformado optimizado y compuestos con preformado original no es muy diferente, indicando que resistencia al desgaste no se sacrifica significativamente y también puede mejorar plasticidad general de compuestos HCCI/ZTA_P.

El preformado poroso se optimizó añadiendo pequeños agujeros cilíndricos en zonas de agregación de partículas, lo que cambió fracción de volumen de partículas cerámicas en compuestos HCCI/ZTA_P. El contenido de partículas ZTA en material compuesto es factor importante afectando sus propiedades mecánicas. Como muestra Fig. 9, resistencia a compresión y deformación a compresión de muestra con preformados con agujeros circulares aumentan significativamente comparado con muestra con preformado inicial, indicando que pequeños agujeros circulares en zonas de agregación de partículas ZTA son conducibles a mejorar resistencia y plasticidad de compuestos HCCI/ZTA_P. La adición de pequeños agujeros cilíndricos en zonas de aglomeración de preformado poroso aumentará contenido de matriz metálica, aumentando así deformación a compresión de compuestos HCCI/ZTA_P bajo estrés de compresión y también afectando su resistencia a compresión. Cuando el estrés alcanza valor pico, se considera que el daño ya ocurrió en la muestra. Con aumento continuo de deformación, daño interno del material también se acumula, resistencia a deformación disminuye gradualmente, y finalmente ocurre falla por cizallamiento.

Los microanálisis de dureza de todas las muestras se muestran en Fig. 10. Como muestra Fig. 10a, b, área de prueba se selecciona alrededor de partículas redondeadas y partículas de esquinas agudas, respectivamente, para corresponder mejor a resultados de simulación. Fig. 10c, d comparado con vista parcial ampliada de estrés. En simulación, concentración de estrés tiende a ocurrir alrededor de esquinas agudas de partículas. En resultados de prueba, módulo cerca de partículas de esquinas agudas es mayor que matriz metálica cerca de esquinas redondeadas, verificando aún más razonabilidad de modelo basado en partícula real.

Un agujero circular se añade a zonas de agregación de partículas de preformados, lo que tiene tres funciones. Primera: reducir fracción de volumen de partículas cerámicas en compuesto HCCI/ZTA_P y reducir estrés residual; segunda: reducir aglomeración de partículas cerámicas del preformado; tercera: aumentar fracción de volumen de matriz metálica con mejor plasticidad para obstaculizar propagación de grietas. La plasticidad de compuestos HCCI/ZTA_P disminuye con aumento de estrés residual. Fracción de volumen de partículas cerámicas disminuye, y estrés residual se vuelve relativamente pequeño. La adición de agujeros circulares en preformado de partículas ZTA puede reducir grietas porque inestabilidad de grietas tiende a extenderse en línea recta. Cuando se generan grietas en zona compuesta de compuestos HCCI/ZTA_P, grietas se extienden fácilmente a lo largo de pared de agujero hexagonal en preformado para generar propagación. El agujero circular aumenta contenido de matriz HCCI en unión de pared de agujero hexagonal, obstaculiza propagación de grietas, y así juega papel en endurecimiento de estructura.

Conclusión

La gran diferencia en coeficiente de expansión térmica entre HCCI y ZTA_P causa grietas en material compuesto. Procesos de solidificación y compresión de materiales compuestos HCCI/ZTA_P se simulan usando software de elementos finitos, y valores numéricos y distribuciones de estrés analizados basados en modelo simplificado global y modelo de grano equivalente para preformado. Según resultados de cálculo, se optimiza estructura de preformado. Analizando resultados de simulación y experimentales, se concluye que adición de agujeros circulares a preformado poroso hexagonal conducirá a disminución de estrés térmico y estrés de compresión durante solidificación. Tras optimización y ajuste del modelo, resultados de simulación tienden a ser consistentes con resultados experimentales. Los métodos en este artículo pueden proporcionar referencia importante para simulación y optimización de parámetros de procesamiento en sistemas de colada de diversos compuestos de matriz metálica.