Остання редакція: 2026-06-04
Тези доповіді
Обмеженість сировинних ресурсів легувальних та базових металів в Україні диктує необхідність розробки наукових і технологічних основ комплексного покращення фізико-механічних, спеціальних та експлуатаційних характеристик ли-тих виробів масового призначення. Це досягається технологічними методами, зо-крема шляхом створення нових видів композиційних, біметалевих і багатошарових виробів із диференційованими та спеціальними властивостями (ВДСВ) [1]. Паралельно із цим, у машинобудівному та інших секторах економіки дедалі більше зростає запит на вироби зі сталей і сплавів, механічні та спеціальні властивості яких (трибо-, електротехнічні, електромагнітні, теплофізичні, фізико-хіміч-ні тощо) мають бути неоднорідними по поверхні чи в об’ємі [2]. Така потреба пе-ршочергово зумовлена специфічними умовами експлуатації деталей, прагненням знизити собівартість їх виробництва та іншими економічними чинниками. Проте, виготовлення ВДСВ відомими на сьогоднішній день (традиційними) методами, такими як [2–6]: механічне з’єднання, зварювання, порошкова металургія, самопоширюваний високотемпературний синтез, спаювання, наплавлення, осаджування, напилення, екструзія, термічна, хіміко-термічна та лазерна обробка тощо, зазвичай, є процесом довготривалим та неекономічним.
Ливарне виробництво ВДСВ дозволяє ефективно уникнути недоліків, притаманних вказаним методам [2]. Найбільш перспективним підходом для виготовлення таких виробів із мінімальними припусками на механічну обробку визнано ЛГМ-процес (лиття за моделями, що газифікуються). Його головна технологічна особливість полягає у використанні моделі, яка не видаляється із ливарної форми (ЛФ) перед її заповненням розплавом металу. Саме цей чинник зумовлює ключові переваги даного методу в порівнянні з іншими способами лиття, забезпечуючи високу розмірну точність, мінімальні припуски на механічну обробку та ефективність виливання металоконструкцій [3].
Крім того, модель, що газифікується (ГМ), можна отримувати у порожнині прес-форми із гранульованого модельного матеріалу, зазвичай, пінополістиролу [7]. Це створює унікальну можливість вводити дисперсні присадки безпосередньо до складу ГМ, що дозволяє одночасно вирішувати 2 (дві) важливі задачі, а са-ме [2]: ефективне інокулювання матричного розплаву безпосередньо в «порожнині» ЛФ та корисну утилізацію пилоподібних відходів феросплавного виробництва. Слід виділити, окремо, суттєву економію інокулятора, оскільки при використанні дисперсно-наповненої піномоделі (ДНПМ) легувальні елементи (ЛЕ) чи елементи-модифікатори (ЕМ) взаємодіють із рідким металом лише в об’ємі виливка без марних витрат на елементи ливнико-живильної системи (ЛЖС).
З огляду на наведені вище передумови, головною метою даної науково-дослідної роботи (НДР) стало визначення ефективності процесу інокулювання металічного розплаву безпосередньо в порожнині ЛФ при отриманні жаростійкого хромистого чавуну марки ЧХ1 згідно ДСТУ 8851:2019 за технологією ЛГМ. Оскільки одним із ключових критеріїв оцінки ефективності такого легування за допомогою ДНПМ є ступінь засвоєння легувального елемента (ЛЕ) матричним розплавом [2, 3], то у ході досліджень було проведено кількісне визначення концентрації хрому в об’ємі піддослідного виливка. На основі отриманих експериментальних даних здійснено розрахунок коефіцієнта засвоєння хрому розплавом чавуну вихідного складу, що дозволило комплексно оцінити результативність запропонованого технологічного рішення.
Легування розплаву вихідного чавуну проводилося з використанням дисперсного ферохрому марки ФХ650А згідно ДСТУ ISO 4552-1:2010, який був попередньо імплантований безпосередньо в «тіло» ГМ. Процес підготовки зазначеної лігатури, її детальна характеристика, а також специфікації всіх допоміжних матеріалів, використаних у межах даної НДР, ґрунтовно викладені у попередніх дослідженнях [8]. Аналогічним чином методика виготовлення ДНПМ та ГМ контрольного виливка разом із алгоритмами планування та постановки серії однофакторних експериментів детально висвітлені у зазначеній науковій праці. Це забезпечило методологічну єдність досліджень та високу відтворюваність отриманих результатів легування у «порожнині» ЛФ.
Детальна методика визначення концентрації хрому в об’ємі піддослідного виливка представлена у науковій праці [8]. Для кількісної оцінки ефективності процесу інокулювання чавунного розплаву використовується математичне співвідношення (1), яке дозволяє розрахувати коефіцієнт засвоєння цього ЛЕ рідким металом. Даний розрахунковий підхід базується на зіставленні фактичного вмісту хрому в отриманому жаростійкому чавуні марки ЧХ1 із кількістю дисперсного ферохрому марки ФХ650А, який було введено до складу ГМ. Використання такої залежності забезпечує точність аналізу технологічних параметрів ЛГМ-процесу при формуванні заданих властивостей конструкційного матеріалу. Функціональне співвідношення, згадане раніше, наведене далі за текстом:
, (1)
де [Cr]ЧХ1 – концентрація хрому в жаростійкому легованому чавуні марки ЧХ1 по завершенню процесу легування матричного розплаву дисперсним ферохромом марки ФХ650А, % (мас. частка).
Аналіз експериментальних даних [8] свідчить про те, що вміст даного ЛЕ у складі конструкційного матеріалу збільшується по мірі віддалення фігуративної точки від місця підведення рідкого металу до «порожнини» ЛФ. Графічна інтерпретація (рис. 1, а) результатів експерименту [8] показала, що на концентрацію хрому впливають довжина й висота литого зразка. Це проявляється, насамперед, у тому, що вміст такого ЛЕ як хром у контрольній площині піддослідного виливка змінюється в інтервалі від 0,465 % (мас. частка) до 1,130 % (мас. частка).
Оскільки, концентрація хрому в жаростійкому хромистому чавуні марки ЧХ1 та коефіцієнт засвоєння цього ЛЕ рідким металом пов’язані між собою залежністю (1), то поверхня відгуку (рис. 1, б), яка відображає розподіл коефіцієнта засвоєння хрому матричним розплавом у контрольній площині литого зразка аналогічна за формою поверхні (див. рис. 1, а), що відображає зміну концентраційного поля зазначеного ЛЕ у контрольній площині піддослідного виливка.
а
б
в
Рисунок 1. Комплексна характеристика легування сірого чавуну в «порожнині» ливарної форми за ЛГМ-процесом:
а – просторовий розподіл концентрації хрому в контрольній площині литого зразка; б – зміна коефіцієнта засвоєння хрому матричним розплавом; в – вплив концентрації хрому в об’ємі піддослідного виливка на коефіцієнт його засвоєння рідким металом
Коефіцієнт засвоєння зазначеного ЛЕ чавуном вихідного складу варіюється в межах від 0,076 до 0,311. Щодо функціонального співвідношення показників засвоєння хрому рідким металом між собою (рис. 1, в), то на інтервалі концентрацій цього ЛЕ в жаростійкому хромистому чавуні марки ЧХ1 від 0,465 % (мас. частка) до 1,130 % (мас. частка) коефіцієнт засвоєння цього ЛЕ матричним розплавом зростає від 0,076 до 0,311, відповідно. Такий характер зміни показників засвоєння хрому рідким металом підтверджує ефективність використання ДНПМ на практиці для досягнення цільового рівня легування вихідного сірого чавуну в заданих точках литої заготовки.
Математична обробка числового масиву експериментальних даних полягала в апроксимації функціональних залежностей, заданих у табличній формі [8]. Такий підхід дозволив вивести, у результаті, низку емпіричних рівнянь (2…4), які аналітично описують закономірності розподілу ЛЕ й, таким чином, доводять ефективність його засвоєння матричним розплавом. Ці рівняння, у вигляді поліномів 2 (другого) порядку, показані нижче:
, (2)
, (3)
, (4)
де HВ й aВ – висота й довжина литого зразка, відповідно, ×10-3 м.
Величина достовірності апроксимації співвідношень фізичних величин, що були задані в табличній формі [8], підтверджується високими статистичними показниками, які наближено становлять від 90 % до 100 %. Коефіцієнт детермінації виведених функціональних залежностей (2–4), при цьому, набуває достатнього значення, тобто R2 = 0,9…1,0.
Результати проведених досліджень дозволили сформулювати низку ключових висновків щодо ефективності запропонованої технології. Насамперед, було встановлено, що на показники засвоєння хрому матричним розплавом визначальний вплив мають геометричні розміри піддослідного виливка, а також просторове розташування місця підведення рідкого металу до «порожнини» ЛФ, тобто координат живильника. Окрім того, одержаний по ходу експериментів жаростійкий хромистий чавун марки ЧХ1, вилитий шляхом легування розплаву сірого чавуну вихідного складу ферохромом марки ФХ650А за допомогою ДНПМ, можна рекомендувати як повноцінний жаростійкий матеріал для потреб теплотехніки, зокрема для виготовлення деталей машин і механізмів, що працюють у повітряному середовищі за температур до 773 К.
Література:
1. Найдек В.Л. Создание новых технологий и материалов на основе фундаментальных научных исследований. Литейное производство, 1991. – № 3. – С. 2–4.
2. 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.
3. Небожак І.А., Шинський О.Й., Шалевська І.А., Нарівський А.В. Дисперсійне зміцнення ливарних алюмінієвих і мідних сплавів інтерметалідом FeCr: монографія. Вінниця: Друкарня-видавництво «Твори», 2025. 256 с. ISBN 978-617-552-933-1.
4. Derev’yanko O.V., Nebozhak I.A., Istomina T.I. Manufacturing Of Composite Material Of Abrasives Composition – Metal Binder Using SPS-Technology. Литво. Металургія. 2023: тези доп. XIX Міжнар. наук.-практ. відеоконф. (10–12 жовт. 2023 р., м.м. Харків–Київ) / Під заг. ред. докт. техн. наук, проф. Пономаренко О.І. Харків: НТУ «ХПІ», 2023. С. 14–16. ISBN 978-966-488-169-9. DOI: https://doi.org/ 10.15407/foundrymetallurgy-2023.
5. Derev’yanko O.V., Nebozhak I.A. Sherwood’s Criterion Is An Indicator For The Efficiency Of Interaction Processes Between Composite Mixture Components Under Electro-Thermal Action. Литво. Металургія. 2024: тези доп. XX Міжнар. наук.-практ. конф. (28–30 трав. 2024 р., м.м. Харків–Київ) / Під заг. ред. докт. техн. наук, проф. Пономаренко О.І. Харків: НТУ «ХПІ», 2024. С. 80–83. ISBN 978-617-05-0490-6. DOI: https://doi.org/10.15407/foundry-metallurgy-2024.
6. Дерев’янко О.В., Присташ М.С., Небожак І.А. Залежність властивостей матеріалу на основі Fe – Ti – C – B від параметрів ІПС. Вісник ХНАДУ. 2025. Вип. 111. С. 43–49. DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2025.111.0.43.
7. Шуляк В.С. Литьё по газифицируемым моделям. Санкт-Петербург: НПО «Профессионал», 2007. – 408 с.
8. Nebozhak I.A. Features of alloying cast iron with dispersed ferrochrome of the brand ФХ650А, implanted in the «body» of a gasifying model. Metal and Casting of Ukraine. Передано до друку.