Остання редакція: 2026-06-04
Тези доповіді
Сучасний стан ливарного виробництва потребує впровадження технологічних методів, які дають змогу виготовляти виливки з мінімальними припусками на подальше механічне оброблення, що є ключовим фактором для створення нового класу довговічної та надійної техніки [1] на базі екологічно безпечних та ресурсозберігаючих технологій [2]. Світовий досвід свідчить, що ефективним інструментом для досягнення високих розмірної точності та ступеню зміцнення виливків є використання фізико-хімічних методів впливу шляхом впровадження прогресивних методів одержання моно- та багатошарових армованих виливків [1–9], серед яких найбільший потенціал мають усі різновиди процесу лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ) [1, 9, 10].
ЛГМ-процес є єдиною технологією, унікальною рисою якої є використання разової пінополімерної моделі (піномоделі, ПМ), яка залишається у ливарній формі (ЛФ) під час заливання металу, що визначає її переваги перед традиційними способами лиття [1, 5, 10]. Оскільки найбільш поширеним процесом виготовлення таких ПМ є їх спікання з гранульованого модельного матеріалу – пінополістиролу (ППС) після розміщення його в порожнині прес-форми [10, 11], це створює можливість введення дисперсних присадок в об'єм моделі разом з цими гранулами ППС при заповненні ними прес-форми. Застосування ПМ як носія дисперсних присадок дає змогк виконувати інокулювання матричного розплаву за допомогою цих присадок безпосередньо в порожнині ЛФ, водночас забезпечуючи раціональну утилізацію пилоподібних відходів феросплавної галузі [1]. Додатковою перевагою використання дисперсно-наповненої піномоделі (ДНПМ) є значне зниження витрат інокулятора, оскільки легувальні елементи не витрачаються на елементи ливникової системи, а концентруються безпосередньо в тілі виливка.
Метою дослідження було виготовлення зразків сталей і чавунів за допомогою ДНПМ із подальшим аналізом ефективності цього процесу. Критерієм ефективності процесів модифікування, мікролегування й легування матричного розплаву в «порожнині» ЛФ за ЛГМ-процесом виступали показники засвоєння інокулятора - ступінь переходу легувальних елементів у розплав [1, 2, 5]. Для цього визначалися концентрації кремнію, міді, хрому, ванадію та титану з подальшим обчисленням коефіцієнтів засвоєння вказаних легувальних елементів (ЛЕ) та елементів-модифікаторів (ЕМ) матричним розплавом за встановленою математичною залежністю [12]. Коефіцієнти засвоєння ЕМ та ЛЕ рідким металом були розраховані за допомогою формули:
, (1)
де [E]1, [E]0 – концентрації ЛЕ або ЕМ у матричному розплаві після та до процесу його інокулювання, % (мас. частка);
СЕГМ– вміст ЕМ або ЛЕ (від маси зразка) у ДНПМ, % (мас. частка) [12].
Методика підготовки сировини, виготовлення ДНПМ та контрольних ПМ, планування серії факторних експериментів та способи математичної обробки результатів детально описані в попередніх наукових працях [1, 5, 7, 9].
В ході експериментів, крім графітизувального модифікування чавунів марок СЧ300 та СЧ250 феросиліцієм ФС75, було здійснено легування стабілізованим мідним порошком марки ПМС-К, дисперсним ферохромом марки ФХ650А, комплексним сфероідизувальним модифікатором марки ФСМг7, а також мікролегування розплаву зносостійкої хромистої сталі марки 70ХЛ дисперсними ферованадієм марки ФВд40У0,75 і феротитаном марки ФТи70С1 [1]. Це дало змогу отримати піддослідні зразки виливків з широким спектром властивостей: від феритно-перлітного чавуну СЧ200, жаростійкого хромистого чавуну марки ЧХ1 до високоміцного чавуну марки ВЧ500-7 і зносостійкої складнолегованої сталі 75ХФТЛ. Крім того, за цією ж технологією було одержано двовимірний литий композитний матеріал системи [СЧ300 – Ст3 – ЧХ3], результати дослідження якого будуть висвітлені в окремій публікації.
Концентрації Si, Cu, Cr, V й Ti в ливарних Fe-C-сплавах (сталях і чавунах) та коефіцієнти їх засвоєння матричним розплавом наведено у табл. 1, а показники засвоєння ЛЕ та ЕМ рідким металом – у вигляді стовпчастих гістограм (рис. 1).
Таблиця 1. Показники засвоєння інокуляторів матричним розплавом
ФС75
ПМС-К
ФСМг7
ФХ650А
ФВд40У0,75
ФТи70С1
[Si]м
k[Si]
[Cu]л
k[Cu]
[Mg]м
k[Mg]
[Cr]л
k[Cr]
[V]л
k[V]
[Ti]л
k[Ti]
2,140
0,519
2,495
0,292
–
–
0,835
0,207
0,075
0,815
0,115
0,329
Примітка: вміст дисперсного інокулятора в ПМ становить: ФС75 – 1,000 % (мас. частка); ПМС-К, ФСМг7, ФХ650А – 7,000 % (об. частка); ФВд40У0,75 – 0,250 % (мас. частка); ФТи70С1 – 0,350 % (мас. частка)
а б
1 – кремній; 2 – мідь; 3 – хром; 4 – ванадій; 5 – титан
Рисунок 1. Показники засвоєння елементів матричним розплавом із ДНПМ [1]:
а – концентрації елементів-модифікаторів та легувальних елементів;
б – коефіцієнти засвоєння легувальних елементів та елементів-модифікаторів
Аналіз отриманих даних дозволив встановити, що ступінь переходу елементів із моделі в метал визначається не лише початковим вмістом добавок, а й геометричними параметрами виливка, місцем підведення живильника до нього та термокінетичними умовами формування виливка, передусім температурно-часовим режимом заливання. Ці закономірності лягли в основу висновків щодо оптимізації параметрів розглянутого варіанту технології, яку можна класифікувати як один із ефективних методів внутрішньоформового інокулювання металу [1, 13].
Література:
1. Небожак І. А. Інокулювання ливарних сплавів з використанням дисперсно-наповненої моделі, що газифікується: дис. … канд. техн. наук: 05.16.04 / НАН України, ФТІМС. Київ, 2024. – 303 с.
2. Небожак І. А., Дзевін Є. М., Дерев’янко О. В., Горбачов І. М. Границя короткочасної міцності двомірного ЛКМ системи [CЧ300 – Ст3 – ЧХ3], одержаного у «порожнині» ливарної форми за ЛГМ-процесом. Нові матеріали і технології в машинобудуванні – 2025: тези доп. XVII Міжнар. наук.-техн. конф. (25–26 вер. 2025 р., м. Київ) / під ред. Р.В. Лютого. Київ: КПІ ім. І. Сікорського, 2025. – С. 379–384.
3. Dulska A., Studnicki A., Szajnar J. Reinforcing Cast Iron With Composite Insert // Arch. Metall. Mater. – 2017. – Vol. 62, No. 1. – P. 355–357.
4. Калюжний П. Б., Слюсарев В. А., Калашник Д. О. Армування виливків за технологією лиття за моделями, що газифікуються // Металознавство та обробка металів. – 2017. – № 4. – С. 48–53.
5. Небожак І. А., Шинський О. Й., Шалевська І. А., Нарівський А. В. Дисперсійне зміцнення ливарних алюмінієвих і мідних сплавів інтерметалідом FeCr: монографія. Вінниця: Друк. вид-во «Твори», 2025. – 256 с.
6. Kobayashi T., Maruyama T. Thermal Decomposition Behavior Of Expandable Pattern Including Blended Metal Or Alloy Powder In Evaporative Pattern Casting Process Of Cast Iron // Materials Transactions. – 2003. – Vol. 44, No. 11. – P. 2396–2403.
7. Nebozhak I. A., Novytskyi V. G., Shinsky O. Y., Gavrilyuk V. P. Wear Rate Of Aluminum Alloys Reinforced By Means Of Dispersed Intermetallic Compound Fe–Cr Under Dry Friction. Proceedings Of WTC2005 World Tribology Congress III (Sept. 12–16, 2005, Washington, D.C., USA). – Washington: WTC2005-63062, 2005. – P. 1–2.
8. Kobayashi T., Maruyama T. Thermal Decomposition Behavior Of Expandable Pattern Including Blended Metal Or Metal Oxide Powder In Evaporative Pattern Casting Of Al–Si System Alloy // Mat. Transactions. – 2003. – Vol. 44, No. 11. – P. 2404-2409.
9. Jiang W., Fan Z. Novel technologies for the lost foam casting process // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2018. – Vol. 13, No. 1. – P. 37–47.
10. Шуляк В. С. Литьё по газифицируемым моделям. СПб.: НПО «Профессионал», 2007. – 408 с.
11. Павлов В.А. Пенополистирол. Москва: Химия, 1973. – 240 с.
12. Вишнякова Л. П., Суменкова В. В. Взаимодействие металла и газифицируемой модели с металлическими имплантантами // Пути возрождения литейного производства в Украине в начале нового тысячелетия: труды междунар. науч. -тех. конгресса. Киев: НАН України, ФТІМС, 2001. – С. 69–70.
13. Zakharchenko E. V., Shinsky O. I., Baglyuk G. A., Klimenko S. I., Kurovsky V. Ya., Sirenko E. A. and Goncharov A. L. Ladle and in-mold modification methods for obtaining castings from cast irons with various graphite morphology // Nauka innov. –2019. – No.15(1). – P. 53-62. https://doi.org/10.15407/scin15.01.053.