Ливарне виробництво має значний доробок у сфері створення композитних і біметалевих виливків, що складаються з двох і більше різнорідних сплавів. Зокрема, армування надає металовиробу комбінованих, покращених службових показників, забезпечуючи, наприклад, високу міцність у центральній частині при збереженні зносостійкості зовнішнього шару. Досвід ФТІМС НАНУ у застосуванні методу лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ), демонструє широкі можливості отримання армованих металовиробів різної структури і призначення (рис. 1).

1 – сірий чавун-сталь (кулі); 2 – сталь-сталь (стрижні); 3 – ВЧ-сталь (кулі);

4 – бронза-сталь (смуга); 5 – ВЧ-ВЧ (кулі); 6 – Al-Cr (дисперсна фаза);

7 – сталь-сталь (смуга)-зносостійкий чавун; 8 – бронза-сталь (смуга) [1]

Рисунок 1. Структура армованих литих конструкцій та виливків з диференційованими властивостями із чавунів, сталей, Cu- та Al-сплавів

Об’єктом дослідження є процеси отримання армованих та біметалевих виливків у піщаних формах при газифікації полімерних моделей. Предметом дослідження є методи просторової фіксації армувальних елементів у ливарній формі та їх вплив на якість і експлуатаційні характеристики готових металовиробів.

Армування виливків має тривалу історію розвитку, що відображено, зокрема, у таких працях [2, 3]. Проте аналіз практичних способів його реалізації вказує на ряд технологічних труднощів при використанні традиційних порожнистих форм. Зокрема, відомий метод виготовлення армованих виробів шляхом розміщення сталевої арматури в порожнині форми з наступним заливанням чавуном [4] характеризується вузькою номенклатурою застосовуваних сплавів. Окрім обмежень щодо матеріалів, дана технологія потребує інтенсифікації процесу за допомогою постійного електричного струму, що підводиться до електродів у формі, та арматури. Це ускладнює конструкцію ливарної форми, вимагає залучення додаткового енергоємного обладнання та спеціальної оснастки, що підвищує собівартість продукції.

Інший підхід, спрямований на отримання армованого сталевого інструменту в порожнистих формах [5], базується на прецизійному перегріві матричного розплаву до розрахункових температур. Необхідність суворого дотримання вузького температурного інтервалу не лише обмежує універсальність способу, а й призводить до передчасного спрацювання футеровки плавильних агрегатів і розливних ковшів. Таким чином, енергетичні витрати та технологічні ускладнення при використанні зазначених методів нівелюють переваги від отримання армованих структур у традиційних піщаних формах.

Узагальнюючи недоліки армування в традиційних порожнистих формах [2, 4, 5], слід виділити критичну проблему механічної фіксації арматури в порожнинах, особливо коли більша частина виливка знаходиться у верхній півформі. Необхідність використання допоміжних елементів (металевих стрижнів, скоб або гачків) для кріплення арматури до стінок форми створює ризики локального руйнування піщаної поверхні. Це може призвести до утворення поверхневих дефектів виливка та виникнення піщаних включень у металі матриці. Крім того, динамічні навантаження при транспортуванні форм на конвеєрі або при збиранні та вистоюванні перед заливанням нерідко спричиняють перекоси та зміщення арматури, особливо при використанні її масивних вкладишів. Ненадійність такого кріплення та загроза засмічення порожнини форми при осипанні піщаних крихт з її стінок критично знижують якість кінцевих виробів, ускладнюючи отримання стабільних геометричних та структурних показників армованого шару.

Широке впровадження методів армування при використанні порожнистих форм додатково обмежується необхідністю застосування формувальних сумішей із підвищеними міцнісними показниками для забезпечення несучої здатності форми при фіксації арматури, що водночас виключає можливість допущення надмірної крихкості піщаної суміші. Процес механічного кріплення арматури нерідко супроводжується ерозією поверхні форми, що вимагає ретельного очищення її робочої порожнини від піщаного осипу перед заливанням. Окрім того, традиційне кріплення до стінок суттєво обмежує геометричну складність армувальних структур, унеможливлюючи створення інтегрованих каркасів довільної просторової конфігурації.

На противагу цьому, технологія ЛГМ дозволяє використовувати ливарну полімерну модель як надійну монтажну основу, що однозначно фіксує в своєму об’ємі різнорідні елементи металевих або неметалевих деталей. Цей підхід, що є предметом нашого дослідження, забезпечує стабільне просторове розташування всього армувального комплексу, який у складі варіативної сукупності елементів розміщується у вакуумованій формі з сухого незв’язаного піску. Таке технологічне рішення повністю нівелює ризики зміщення компонентів каркаса або забруднення розплаву продуктами деструкції стінок форми, забезпечуючи високу відтворюваність заданої структури виливка.

Перейдемо до аналізу запатентованих методів армування, що базуються на технології ЛГМ. Зокрема, відома конструкція металевого виливка у вигляді просторового каркаса [6], призначена для використання як арматура для великогабаритних виливків або злитків, а також як заготовка для біметалевих і композитних виробів чи внутрішній холодильник при литті у виливниці. Попри складну біонічну конфігурацію, оптимізовану за допомогою математичного моделювання для мінімізації витрат металу, дане рішення має певні обмеження. Такий литий каркас не передбачає інтеграції з комбінованими армувальними елементами та не дозволяє створювати закриті порожнини чи пори, заповнені легкими неметалевими матеріалами. Це суттєво звужує потенціал для подальшого зниження маси виробу, додаткової економії металу та формування багатофункціональних зміцнювальних структур із диференційованими властивостями.

Відомий також спосіб виготовлення армованих деталей за технологією ЛГМ [7], де металеві елементи виконують функцію з’єднувальних компонентів для складання окремих частин моделі. Проте, таке використання арматури має виключно вузькотехнологічне спрямування і не враховує потенціал цілеспрямованого покращення експлуатаційних характеристик виливка, зокрема його маси, показників міцності або зниження загальної матеріаломісткості виробу. Зазначене рішення не передбачає формування функціонального силового скелета або полегшувального каркаса, що обмежує сферу його застосування, звужуючи роль армувальних елементів до інструменту оптимізації процесу складання моделей з частин.

Відомий також спосіб виготовлення армованого валка за технологією ЛГМ [8], за яким сталева вісь, що виступає різновидом металевої арматури, інтегрується в полімерну модель перед її формуванням у піску. Процес передбачає виливання зносостійкого бандажа, геометрія якого задається моделлю, навколо центральної осі. Основними недоліками даного рішення є вузька спеціалізація та низька універсальність щодо виливків іншої конфігурації. Крім того, технологія потребує розміщення між литим бандажем і віссю прошарку вогнетривкого матеріалу, просоченого рідким зв'язувальним компонентом, що має забезпечити можливість подальшого ремонту виробу. Така специфіка не лише ускладнює технологічний цикл, а й унеможливлює створення суцільнолитої армованої структури з міцним дифузійним або комбінованим зв’язком між шарами металу, що є критичним для багатьох високонавантажених деталей.

Відомий спосіб одержання виливків із диференційованими властивостями за технологією ЛГМ [9], що передбачає процеси армування та модифікування безпосередньо в порожнині ливарної форми. Проте, зазначене рішення має переважно декларативний характер, оскільки в технічному описі відсутня деталізація конструктивних особливостей арматури та специфікація її матеріалів. Крім того, не наведено поопераційну методику розміщення армувальних елементів у тілі моделі чи форми. Відсутність прикладів практичної реалізації та чіткої технологічної послідовності дій ускладнює відтворюваність даного способу, що обмежує його промислове впровадження для отримання металовиробів із заданою геометрією армування та використанням різноманітних армувальних матеріалів.

Відомий спосіб одержання виливків колінчастих валів за технологією ЛГМ [10], один із варіантів якого передбачає оснащення крайніх щік моделі колінчастого вала холодильними армувальними вставками. Дане рішення дозволяє ефективно оптимізувати спрямоване живлення виливка та вивести усадкову пористість у зону надливів, проте воно має виражений вузькоспеціалізований характер. Обмеження сфери застосування виключно конструкціями колінчастих валів не дозволяє поширити цей підхід на комплексне армування виробів довільної конфігурації, де метою є не лише локальне охолодження, а й системне зниження маси виробу за одночасного підвищення його загальної міцності.

Відомий також спосіб одержання армованих виливків за технологією ЛГМ [11], який передбачає встановлення металевих стрижнів, пластин або вогнетривких волокон безпосередньо в порожнину прес-форми перед задуванням гранул пінополістиролу для створення нероз'ємної армованої моделі. Проте, даний спосіб обмежений конструктивними можливостями прес-форм, що часто не дозволяє формувати складні об’ємні каркаси з внутрішніми порожнинами або, як перспективний варіант, інтегрувати трубчасті елементи для активного керування процесом кристалізації. Окрім того, зазначене рішення не передбачає використання пористих неметалевих структур та можливості реалізації комбінованого впливу (охолодження чи вакуумування) через внутрішні канали арматури. Це звужує потенціал оптимізації маси виробу та перешкоджає досягненню максимально можливих показників міцності за рахунок цілеспрямованого керування теплофізичними процесами всередині ливарної форми, що безпосередньо відноситься до предмету наших досліджень.

Також для армування виливків неметалевими матеріалами в роботі [12] описано застосування стрижнів з піщано-рідкоскляної суміші, яка під дією теплового впливу від розплавленого металу спікається, утворюючи стійкий метало-піщаний композит. Таке армування дозволяє надати виливкам специфічних функціональних властивостей. Зокрема, воно забезпечує підвищення опору проникненню за рахунок інтенсифікації протидії імпульсному руйнуванню. Цей ефект досягається завдяки спрямованій зміні механічних характеристик матеріалу вздовж силового вектора зовнішнього впливу, що є критично важливим для створення високоефективних бронеперешкод та захисних конструкцій.

Аналіз розглянутих способів свідчить, що потенціал ЛГМ-процесу з використанням разових моделей у напрямі армування наразі реалізований не повною мірою. Використання полімерної моделі як носія армувальних елементів або надійної монтажної основи дозволяє повністю відмовитися від складних операцій механічної фіксації арматури до стінок форми, що є критичним недоліком традиційного лиття. Важливою технологічною перевагою є здатність моделі утримувати в межах єдиного каркаса розрізнені елементи, навіть за відсутності безпосереднього контакту між ними. Матеріал моделі виконує функцію просторової опори, що забезпечує можливість довільного позиціонування різнорідних за конструкцією та матеріалом армувальних компонентів. Це дозволяє формувати складні об’ємні структури в межах габаритів тіла моделі.

Перспективним напрямом розвитку технології є розширення функціональної ролі арматури: перехід від пасивного зміцнення до активного керування процесами кристалізації та структуроутворення шляхом використання армувальних елементів як внутрішніх холодильників. Такий підхід гарантує стабільну якість та чітку диференціацію властивостей виливка. Крім того, створення комбінованих каркасів із поєднанням металевих і неметалевих елементів, а також заповнення внутрішніх порожнин арматури спеціальними наповнювачами, відкриває широкі можливості для регулювання показників міцності та маси виробу. Подолання обмежень існуючих методів дозволить мінімізувати ризики виникнення ливарних дефектів і адаптувати металовироби до екстремальних умов експлуатації.

Дослідження у напрямі комбінування армувальних елементів, зокрема із використанням фігурного (у поперечному перетині), перфорованого та трубчастого прокату, відкриває шлях до суттєвого підвищення експлуатаційних характеристик виливка. Формування внутрішнього армувально-каркасного силового скелета дозволяє досягти зниження маси виробу без втрати міцності, одночасно зменшуючи витрати рідкого металу на його виготовлення. Перспективним є створення порожнин із піщаним заповненням або без нього, а також варіативне застосування різновидів внутрішньої каркасної арматури в литій матриці. Це створює умови для керованої інтенсифікації тепловідведення з внутрішніх зон виробу під час кристалізації, що є ключовим фактором оптимізації мікроструктури металу матриці.

Водночас увагу слід приділити варіативності методів розміщення арматури в тілі моделей. Це може бути реалізовано як шляхом проектування технологічних порожнин безпосередньо при виготовленні моделі, так і методами термічного впливу: прошиванням нагрітими стрижнями або створенням каналів за допомогою інструменту типу термоножа. Такі підходи є технологічно спорідненими з низкою раніше запатентованих нами способів виконання вентиляційних каналів та сприятимуть точній інтеграції арматури у складну геометрію ливарної моделі.

Застосування адитивних технологій для виготовлення моделей відкриває принципово нові можливості для прецизійного армування. Друк моделей дозволяє на етапі 3D-проектування закладати складні внутрішні ніші, канали та посадкові місця для арматури будь-якої конфігурації. Це забезпечує математичну точність позиціонування армувальних каркасів, яку майже неможливо досягти традиційними методами формування моделей у прес-формах. Такий підхід дозволяє інтегрувати ніші для арматури одночасно з вентиляційними каналами в єдиному циклі друку. Цифровий дизайн у поєднанні з адитивними технологіями не лише спрощує складання комбінованих каркасів, а й дозволяє проектувати внутрішні структури та порожнини з геометрією, що прецизійно оптимізована під конкретні вектори навантажень майбутнього металовиробу. У такому контексті друкована модель трансформується в інтелектуальну матрицю, яка визначає не лише зовнішню форму, а й внутрішню архітектуру зміцнення. Це є логічним розвитком концепції: від використання моделі як «монтажної основи» до створення «розумної» металоконструкції в умовах сучасного цифрового виробництва.

Така трансформація науково-технологічних підходів відкриває нові горизонти для використання результатів досліджень у високотехнологічних галузях. Розглянемо основні напрями практичного застосування розроблених способів:

1. Енергетичне машинобудування. Використання трубчастих елементів каркаса як каналів для циркуляції охолоджувача в конструкціях теплообмінників та кристалізаторів забезпечує контрольоване затвердіння розплаву. Це дозволяє формувати задану структуру металу та диференціювати фізичні властивості (теплопровідність, корозійну та зносостійкість) у різних зонах виливка.

2. Транспортне машинобудування. Для виготовлення високонавантажених корпусних деталей (підрамників, кронштейнів, деталей транспортного візка) застосування інтегрованого силового каркаса дозволяє суттєво знизити масу виробів без втрати жорсткості та зносостійкості, що є критичним для підвищення енергоефективності, зокрема в вагонобудуванні та електромобільності.

3. Виробництво зміцненого інструменту та валків. Створення суцільнолитих структур із дифузійним зв’язком між зносостійким робочим шаром та армованою основою підвищує експлуатаційний ресурс обладнання, а використання неметалевих стрижнів із піщаної суміші як частини каркасу дозволяє знизити витрати на матеріали.

4. Аерокосмічна галузь та біонічний дизайн. Можливість реалізації складних об’ємних каркасів у друкованих моделях дозволяє виготовляти легковагі несучі елементи зі складною внутрішньою та зовнішньою геометрією, яку неможливо відтворити традиційними методами лиття.

5. Спеціальне лиття та захисні конструкції. Поєднання металевих матриць із неметалевими армувальними елементами та порожнинами дозволяє створювати нові типи композитів із високим опором імпульсному руйнуванню, що розширює можливості проектування засобів пасивного захисту.

Висновок. Запропонований підхід до армування виливків у процесі ЛГМ забезпечує комплексний позитивний вплив на якість литої конструкції. Використання моделі як монтажної основи гарантує стабільність геометричного позиціонування каркаса – металевого чи неметалевого, суцільного чи порожнинного. Залучення армувальних елементів як внутрішніх холодильників забезпечує спрямовану кристалізацію та сприяє оптимізації мікроструктури матричного металу, а також перехідних прошарків на межі з арматурою. Це дозволяє не лише знизити матеріаломісткість і попередити появу усадкових дефектів, а й створювати принципово нові типи багатофункціональних металовиробів із заданим комплексом властивостей.

Література:

1. Найдек В. Л. Вклад Физико-технологического института металлов и сплавов в инновационное развитие литейного производства Украины // Литейное производство. – 2009. – №11. – С. 6–13.

2. Смеляков Н.Н. Армированные отливки. – М.: Машгиз, 1958. – 166 с.

3. 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.

4. А. с. 346020 СРСР, МПК B22D 19/02, B22D 27/02. Спосіб виготовлення армованих виливків. Опубл. 17.08.1972, Бюл. № 23.

5. Патент 2186655 C1 РФ, МПК B22D 19/00. Способ получения армированных стальных отливок. Опубл. 10.08.2002.

6. Патент 90494 Україна, МПК В22D 7/00, В22D 23/00, В22D 25/0025. Просторовий металевий виливок. Опубл. 11.05.2010, Бюл. № 9.

7. Патент 28127 Україна, МПК B22C 9/04. Спосіб виготовлення армованих деталей. Опубл. 26.11.2007.

8. Патент 83742 Україна, МПК В22D 25/00, В22D 27/02. Спосіб виготовлення двошарового валка. Опубл. 11.08.2008, Бюл.№15.

9. Патент 45001 Україна, МПК B22D 27/00, B22C 9/00. Спосіб одержання виливків з диференційними властивостями. Опубл. 26.10.2009, Бюл. № 20.

10. Патент 46431 Україна, МПК В22C 9/00, B21K 1/00. Спосіб одержання виливків колінчастих валів.  Опубл. 25.12.2009, Бюл. № 24.

11. Патент 43695 Україна, МПК B22C 7/00, B22C 9/04. Спосіб одержання армованих виливків. Опубл. 25.08.2009, Бюл. 16.

12. Дорошенко В. С. Виготовлення метало-піщаного композиту методом лиття за моделями, що газифікуються // Нові матеріали і технології в машинобудуванні. – 2025. – № 7. – С. 27-36. https://doi.org/10.20535/2519-450X.7.2025.349068.