Композиційні матеріали (КМ) відіграють ключову роль у розвитку сучасного машинобудування, авіації, енергетики та інших галузей, що потребують поєднання високої міцності, термостійкості та невисокої густини. Значне різноманіття КМ і зростаюча потреба в них вимагають їхньої чіткої класифікації, що показано на схемі (рис. 1), адаптованій на основі загальноприйнятих принципів, викладених у [1-3] з урахуванням сучасних тенденцій у матеріалознавстві.

Особливу увагу привертають композити з металевою матрицею та неметалевими наповнювачами, зокрема піщаними, які забезпечують структурну жорсткість і термічну стабільність. Одним із перспективних напрямів є виготовлення КМ методом лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ). Такий підхід дозволяє реалізувати складну внутрішню геометрію виробу, інтегрувати наповнювачі без додаткової оснастки (як показано нижче) та знизити витрати на виробництво. Як приклад виготовлення КМ методом лиття, розглянемо розроблений нами спосіб формування та лиття металевого каркасно-комірчастого композиту з інтегрованими піщаними стрижнями, які виконують роль внутрішнього наповнювача. Проведемо аналіз фізико-технологічних передумов та порівняння з аналогічними ливарними методами для обґрунтування цього способу.

Серед наших розробок відомий спосіб виготовлення виливків із чавуну з кулястим графітом литтям у вакуумовану піщану форму [4], в якому аргументовано обмеження товщини стінок до 16 мм завдяки інтенсифікації тепловідводу дією вакууму, що сприяє утворенню міцної дрібнозернистої кристалічної структури металу. При недостатній міцності таких тонких стінок пропонується застосування ребер жорсткості, хоча з конструктивних міркувань це часто неприйнятно.

Рис. 1. Загальна класифікація композиційних матеріалів

У монографії [5] зазначено, що тривалість затвердіння виливка обернено пропорційна квадрату його питомої поверхні. Описано способи виготовлення піщаних форм із геометричним орнаментом, що збільшує площу поверхні та сприяє утворенню міцної дрібнокристалічної кірки виливка. Проте застосування таких технологій ускладнює процес формування та потребує складної оснастки, що обмежує їх промислове використання. У більшості випадків товщина стінок литих деталей перевищує оптимальні значення і становить 15–50 мм [5].

Спосіб виготовлення просторового металевого каркасно-комірчастого матеріалу [6] передбачає використання біонічної конфігурації, але має обмежене застосування – як внутрішній холодильник або арматура. При його використанні збирання моделей з різностінних елементів потребує значних витрат і ручної праці.

За ЛГМ-процесом при виготовленні виливків з відкритими комірками складної геометрії нерідко важко забезпечити достатньо щільне заповнення сухим піском, що може призводити до браку литва. А для закритих комірок КМ необхідне застосування стрижнів із піщаної суміші зі зв’язувальним компонентом, оскільки сухий пісок не утримується непорушно в замкненому об’ємі ливарної моделі при її газифікації. Традиційно такі стрижні виготовляють у стрижневих ящиках [7], що потребує складної оснастки, високої точності та значних витрат. Це обмежує застосування таких технологій для каркасних композиційних виливків.

Найближчим аналогом розробленого способу є технологія виготовлення литого матеріалу стільникової структури з крізними порами [8]. Модель формується з елементів пінополістиролу (ППС), які спікаються в прес-формах або вирізаються, що ускладнює отримання тонкостінних деталей. Крім того, такі матеріали не дозволяють реалізувати закриті пори, заповнені неметалевим матеріалом для зменшення маси конструкції та її армування в якості КМ. Закриті пори доцільно формувати в зонах надлишкової товщини виливка, яка нерідко утворюється з огляду можливості формування в піщаній суміші та (або) за умовами протяжки моделі. Це дозволяє зменшити масу виробу без втрати міцності. Виконання таких пор піщаними стрижнями сприяє утворенню більш міцного металу в тонких стінках, як рекомендовано в роботах [4, 5].

На основі проведеного аналізу, основна мета розробки нового способу лиття полягала у досягненні трьох ключових результатів: зменшенні витрат на виготовлення оснащення для лиття каркасно-комірчастого матеріалу, скороченні обсягу ручної праці при виготовленні моделі з комірками, що формуються піщаними стрижнями, а також отриманні метало-піщаного КМ.

Особливість переліку операцій цього способу на основі ЛГМ-процесу для отримання металевого КМ полягала у використанні полімерної моделі як комбінованої формувальної та стрижневої оснастки. Крім традиційного використання моделі з ППС, яку виготовляли з порожнинами, що відповідають коміркам майбутнього виливка, перед розміщенням моделі у формі, її порожнини заповнюють стрижнями із піщаної суміші зі зв’язувальним компонентом, які виготовляють безпосередньо в порожнинах моделі, використовуючи її як стрижневу оснастку. При цьому відпадає потреба у стрижневій оснастці, функцію якої виконує модель.

В іншому варіанті виготовлення ливарної полімерної моделі у вигляді двох половинок-оболонок здійснюється інноваційно 3D-друком або термоформуванням з термопластичного листа. У цьому випадку при збиранні моделі з двох оболонок простір між ними (крім піщаних стрижнів) частково або повністю заповнюються вставками з ППС, що дозволяє регулювати масу, газотвірність та геометрію моделі.

Розроблений нами спосіб розкриває додатковий потенціал ЛГМ-процесу шляхом використання полімерної моделі двояко: не лише як засобу формоутворення, а також і як стрижневої оснастки для формування піщаних стрижнів та носія цих стрижнів у робочій порожнині ливарної форми. Залежно від ступеня обливання розплавом металу, стрижні можуть як вибиватися традиційним способом, так і залишатися невибитими, утворюючи з металом єдиний КМ. У випадку без вибивання, піщані стрижні з густиною 1,6–2,0 г/см³ інтегруються в металеву матрицю (наприклад, з залізовуглецевих сплавів із густиною понад 7,0 г/см³), що дозволяє зменшити масу КМ з закритими порами при збереженні його структурної цілісності та механічної міцності.

При випробуванні способу використано піщано-рідкоскляну суміш за СО₂-процесом, як недорогу та поширену для виготовлення форм і стрижнів [7, 9]. Отриманий металевий каркасно-комірчастий виріб містив піщані стрижні, механічно затиснуті металом завдяки його усадці при охолодженні.

Варіанти способу ілюструє рис. 2. На рис. 2 а показано фрагмент полімерної моделі (у перерізі), що складається з: двох оболонок 1 (верхньої та нижньої), піщаного стрижня 2, що опирається на дві вставки 3 з ППС (розташовані знизу і зверху), фіксуючих елементів - гвіздків 4, отвору 5, повітряного простору 6. На рис. 2 б показано у перерізі фрагмент виливка 7 (відповідає фрагменту моделі), у якому стрижень 2 залишився невибитим.

а                                                          б

1 – полімерна оболонка (верхня); 2 – стрижень; 3 – вставка з ППС; 4 – гвіздки; 5 – отвір; 6 – вільний простір; 7 – виливок

Рис. 2. Фрагменти моделі (а) та відповідної частини виливка (б)

У першому варіанті реалізації модель з ППС для литого каркасно-комірчастого матеріалу представляла собою такий «контейнер», в комірки нижньої половинку якої поміщали дозовані кількості пластичної стрижневої піщано-рідкоскляної суміші (5 % рідкого натрієвого скла). Цю суміш ущільнювали і підформовували шляхом накривання верхньою половинкою моделі.

Після формування стрижнів в половинках моделі стрижневу суміш по щілинах їх стику продували вуглекислим газом СО₂, що призводило до її тверднення. Стрижні 2 за формою були подібні до зображених на рис. 2. Вставки (прокладки) 3 у випадку з половинками моделі з ППС достатньої товщини                       (5-10 мм) не застосовували. Перед тужавленням стрижнів їх додатково фіксували в стінках моделі за допомогою тонких гвіздків 4. Зібрану модель зі стрижнями по периметру покривали стрічкою типу «скотч». В обох варіантах застосовували протипригарне покриття зовнішньої поверхні моделі, яке ретельно висушували.

Перед розміщенням моделі в піщаній формі в одній з оболонок 1 і вставках 3 висвердлювали канали 5 навпроти стрижнів 2 для того, щоб гази могли виходити із стрижнів 2 при обливанні їх металом. Ці канали при формуванні моделі в сухому піску з віброущільненням заповнювались піском, що контактував зі стрижнями 2. Це дозволяло газам виходити у вакуумований пісок, вакуум з якого часткова проникав в пори стрижнів і сприяв видалення з них газів, запобігаючи попаданню їх в метал виливка. Подальші операції отримання виливків не відрізнялись від типових операцій для ЛГМ-процесу. Товщина стінок отриманого литого матеріалу навколо стрижнів відповідала товщині стінок тих ділянок моделі, що охоплювали стрижні, а на ділянках між стрижнями – дорівнює сумі товщин двох половинок моделі у стику. На виливкові 7 (рис. 2, б) канал, що раніше був заповнений піском, також утворювався.

В другому варіанті виготовляли модель з двох полімерних тонкостінних  оболонок 1 (рис. 2, а) аналогічно процесу, описаному вище. Спочатку без вставок 3 ці оболонки змикали і формували в їх порожнинах стрижні 2 за СО₂-процесом. Після часткового тверднення суміші, під стрижні і над ними розміщували вставки з полістиролу, половинки моделей змикали, фіксували гвіздками 4 і продували зібрану модель вуглекислим газом крізь простір 6 для остаточного тверднення стрижнів. Після фарбування і сушіння покриття виконували канали 5, формували модель в піску і заливали отриману форму аналогічно першому прикладу, отримавши в обох випадках виливок 7, зі стрижнями 2.

Для другого прикладу полімерні оболонки 1 моделі виготовляли 3D-друком з матеріалу PLA, аналогічно способу [10]. Оскільки друкований матеріал має більшу питому вагу і газотвірність, ніж звичний для ЛГМ-процесу ППС, то об’ємну вагу всієї моделі в цілому зменшували шляхом зменшення товщини стінок оболонки 1, а також регулюванням об’єму простору 6 за рахунок вибору товщини вставок 3, що є новою особливістю цього способу ЛГМ за друкованими чи комбінованими моделями. По суті, піщаний стрижень 2 разом з вставками 3 виконує роль розпірки для «наповнення повітрям» моделі і регулювання її газотвірності при термодеструкції, що відкриває додаткові можливості ЛГМ-процесу за рахунок використання друкованих моделей. Перевагою є те, що при цьому друкуються лише дві оболонки моделі, тоді як відомі аналоги моделей комірчастих литих виробів містять значно більшу кількість деталей для подальшого збирання. Крім того, ЛГМ-процес для  комірчастих литих виробів за друкованими моделями ще не розроблено.

Водночас, сучасні, навіть бюджетні (настільні), 3D-принтери дозволяють друкувати оболонки товщиною від 0,1 мм і вище для моделей будь-яких конкретних структур литого металевого каркасно-комірчастого матеріалу. Це дає змогу гнучкого варіювання товщини стінки оболонкової моделі для забезпечення необхідних розмірів, конструкції та умов експлуатації кінцевого литого матеріалу.

Також для виготовлення оболонок описано спосіб термоформування виробів із термопластичного полімерного листа, наприклад, товщиною від 0,2 до 2,0 мм. Він включає нагрівання листа до температури, відповідної типу полімеру, з подальшим формуванням у прес-формі під дією вакууму або тиску. Для поширених видів полімерів ця температура знаходиться в інтервалі 85-170 °C. За цим методом масово виготовляють лотки для яєць, блістери для цукерок – прозорі пластикові вставки з осередками, які утримують кожну цукерку окремо, ложементи для фіксацій виробів в упаковці та касети для багатоосередкових вкладок. Термоформування вигідне для моделей серійних виробів з КМ.

Вакуумування піску ливарної форми при ЛГМ призводить до того, що при нагріванні розплавом металу оболонки моделі в ливарній формі міцно присмоктуються до поверхні піску (який оформлює обриси робочої порожнини форми) і газифікуються в контакті з ним. За потреби, для більш надійного фіксування крупних стрижнів, гвіздки 4 можна висунути на 2-5 мм з поверхні моделі, щоб вони заглиблювались у пісок форми. На виливку виступи гвіздків легко видаляються механічним способом. Також для збільшення жорсткості моделей можливе застосування в просторі 6 додаткових вставок з легковагого ППС, аналогічних вставкам 3.

Описаний спосіб дозволяє виготовлення литого КМ без вибивання стрижнів з виливків. Але також доступні варіанти повного або часткового вибивання всіх чи частини стрижнів, для яких можливо використання легковибивальних стрижневих сумішей разом з передбаченими конструкцією моделі отворами в литому металі. Це характеризує технологічну гнучкість способу, коли матеріал, що не містить в собі стрижнів є не КМ, а каркасно-комірчастим цільнометалевим.

Реалізація описаного способу за рахунок зменшення витрат при виготовленні стрижнів без стрижневої оснастки, а також скорочення ручної праці при виготовленні моделей з комірками методами 3D-друку та термоформування розширюють застосування ЛГМ-процесу як за друкованими моделями, так і для отримання метало-піщаного композиту. Переваги способу включають можливість зменшення маси металовиробів без втрати несучої здатності разом із збільшенням питомої поверхні стінок виливка і зменшенням їх товщини, що прискорює затвердіння металу з формуванням дрібнозернистої структури високої міцності.

Армування металевого матеріалу неметалевими елементами дозволить надати виробу додаткових функціональних властивостей, зокрема підвищення опору проникненню - збільшення протидії можливому імпульсному проникаючому руйнуванню за рахунок зміни механічних характеристик матеріалу в напрямку дії силового вектора руйнування, що характерно для бронеперешкод.

Таким чином, запропонований спосіб виливання як метало-піщаного композиту, так і каркасно-комірчастого матеріалу забезпечує ресурсоефективне виробництво, зменшення маси виробів без втрати міцності, а також можливість інтеграції додаткових функціональних властивостей шляхом армування. Технологія придатна для широкого застосування в галузях, де важливі оптимізація масогабаритних характеристик, структурна міцність та економічність лиття. Наведено класифікацію композиційних матеріалів, що дозволяє позиціонувати розробку в межах сучасної системи матеріалознавства.

Література

1. Callister W.D., Rethwisch D.G. Materials Science and Engineering: An Introduction. 9th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2014. 960 p.

2. Hull D., Clyne T.W. An Introduction to Composite Materials. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1996. 352 p.

3. ASM International. ASM Handbook. Volume 21: Composites. Materials Park, OH: ASM International, 2001. 812 p.

4. Патент 126031 Україна, МПК B22D 7/00, B22D 23/00. Виливок з чавуну з кулястим графітом. Опубл. 11.06.2018, Бюл. № 1.

5. Цибрик А.Н., Аверченков М.И., Цибрик В.А. Основы структурно-геометрического упрочнения деталей. Київ: Наукова думка, 1979. 178 с.

6. Патент 90494 Україна, МПК B22D 7/00, B22D 23/00, B22D 25/0025. Просторовий металевий виливок. Опубл. 11.05.2010, Бюл. № 9.

7. Лютий Р.В., Гурія І.М. Формувальні матеріали: підручник для студ. спец. 136 «Металургія». Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 257 с.

8. Патент 96915 Україна, МПК B22C 7/02, B22C 9/04. Литий матеріал стільникової структури з крізними порами. Опубл. 26.12.2011, Бюл. № 24.

9. Патент 128924 U Україна, МПК B21C 5/00, B21D 19/00. Спосіб одержання зносостійких біметалевих плоских виливків. Опубл. 10.10.2018, Бюл. № 19.

10. Патент 157522 Україна, МПК B22C 7/02, B22C 9/04. Спосіб лиття металу за 3D-друкованими моделями, що газифікуються у вакуумованих формах з сипкого піску. Опубл. 30.10.2024, Бюл. № 44.