Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні
This work is devoted to regularities of sand-sodium-silicate mixture (SSSM) mold, structured in steam-microwave environment (steam-microwave solidification method – SMS-process), and copper melt with 9.4 % Al overheating influence revealing on castings structure and surface quality. In this investig...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/18 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465388962742272 |
|---|---|
| author | Солоненко, Людмила Реп’ях, Сергій Узлов, Костянтин Мазорчук, Володимир |
| author_facet | Солоненко, Людмила Реп’ях, Сергій Узлов, Костянтин Мазорчук, Володимир |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Людмила Солоненко",
"institution": "Український державний університет науки і технологій"
},
{
"author": "Сергій Реп’ях",
"institution": "Український державний університет науки та технологій"
},
{
"author": "Костянтин Узлов",
"institution": "Український державний університет науки та технологій"
},
{
"author": "Володимир Мазорчук",
"institution": "Український державний університет науки та технологій"
}
] |
| author_sort | Солоненко, Людмила |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T12:09:42Z |
| description | This work is devoted to regularities of sand-sodium-silicate mixture (SSSM) mold, structured in steam-microwave environment (steam-microwave solidification method – SMS-process), and copper melt with 9.4 % Al overheating influence revealing on castings structure and surface quality.
In this investigation standard and generally accepted research methods and techniques have been used. Purpose of this work – influence regularities detection of mono-block and combined dry mixtures made and structured by SMS-process molds as well as castings melt overheating on products structure and their surface quality. Present research tasks have been determination of sodium silicate solute content and sand-sodium-silicate conglomerates SSSM size, aluminum bronze melt overheating temperature influence on castings structure, surface quality, solidification rate, and SSSM composition optimization due to sodium silicate solute content and its sand-sodium-silicate conglomerates size.
It has been found that mixtures structured by SMS-process with 1.5 % sodium silicate solute and conglomerates sizes up to 0.315 mm, allow to produce copper and bronze castings without burns (sodium cuprate). At the same time, SSSM with conglomerates sizes up to 0.315 mm and more than 0.315 mm has been recommended to be used, respectively, as molding mixture for casting and as thermal insulation mixture for its gating system.
With melt overheating increasing from 80 to 130 °С melt solidification time in molds, structured by SMS-process, increases. In this case, with overheating increasing, melt crystallization duration increases most intensively with overheating heat removal time from the melt slight increasing. Volumetric solidification rate dependence on sodium silicate solute content in SSSM in range from 0.5 to 2.5 % has an extremal character with maximum content of 1.5 % sodium silicate solute.
Castings macrostructure with changes of sodium silicate solute content in SSSM practically does not change, but transforms from fine-crystalline to large-crystalline with melt during pouring overheating temperature increasing. Based on research results, recommendations for SSSM structured by SMS-process implementation in castings manufacturing have been developed. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
59ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
форми на структуру виливків і якість їх поверхні но-
сять фрагментарний характер.
Зокрема, дотепер такі дані відсутні для інновацій-
ного способу (Пат. UA № 122538, від 25.11.2020, Пат.
UA № 149146, від 20.10.2021) виготовлення комбіно-
ваних ливарних форм із сухих сумішей, структурова-
них у паро-мікрохвильовому середовищі (спосіб па-
ро-мікрохвильового затвердіння ПМЗ-процес).
Механічні, технологічні, експлуатаційні властивос-
ті, корозійна, ерозійна та кавітаційна стійкість, надій-
ність, довговічність, ремонтопридатність, зварюва-
ність сплавів є їх структурно чутливими характерис-
В
ступ. Поряд із модифікуванням розплаву, фізич-
ним впливом на розплав при його затвердінні,
підвищенням чистоти сплаву за домішками та не-
металевими включеннями тощо, зміна перегріву
розплаву при плавці і швидкості його затвердіння в
ливарній формі відносяться до найбільш ефективних
способів управління як структурою, так і, відповідно,
рівнем властивостей литого металу [1–12]. Тим не
менш, на сьогоднішній день, у зв'язку з великим роз-
маїттям ливарних сплавів, способів формоутворення
і структурування формувальних матеріалів, дані про
вплив перегріву розплаву і властивостей ливарної
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022, № 2 (329), 59-71
https://doi.org/10.15407/scin15.04.005
УДК 621.74
Л.І. Солоненко, канд. техн. наук., доц., докторант каф. ливарного виробництва, e-mail: solonenkoli14@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2092-8044
С.І. Реп’ях, д-р техн. наук, ст. дослідник, проф. каф. ливарного виробництва, e-mail: 123rs@ua.fm,
https://orcid.org/0000-0003-0203-4135
К.І. Узлов, д-р техн. наук, проф., проф. каф. матеріалознавства, е-mail: konst.uzlov@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-0744-9890
В.Ф. Мазорчук, канд. техн. наук, доц., доц. каф. ливарного виробництва, e-mail: mazorchukvf@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-8512-0727
Український державний університет науки і технологій (Дніпро, Україна)
Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої
бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні
Роботу присвячено виявленню закономірностей впливу ливарної форми, структурованої в паро-мікрохвильово-
му середовищі (спосіб паро-мікрохвильового затвердіння – ПМЗ-процес) з піщано-рідкоскляної суміші (ПРС), та
перегріву розплаву міді з 9,4 % Аl на структуру виливків та якість їх поверхні.
У роботі використано стандартні та загальноприйняті методи та методики досліджень. Мета роботи – виявлення
закономірностей впливу моноблочної та комбінованої ливарної форми, виготовленої з сухих сумішей, структуро-
ваних за ПМЗ-процесом, та перегріву розплаву виливків на структуру та якість їхньої поверхні. Завдання дослі-
джень – встановити вплив вмісту рідкого скла та розмірів піщано-рідкоскляних конгломератів ПРС, температури
перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків, якість їх поверхні, швидкість затвердіння, оптимі-
зувати склад ПРС за вмістом рідкого скла та розмірами її піщано-рідкоскляних конгломератів.
Встановлено, що суміші, які структуровані за ПМЗ-процесом з 1,5 % рідкого скла та розмірами конгломератів
до 0,315 мм, дозволяють отримувати мідні та бронзові виливки без пригару (купрату натрію). При цьому, ПРС з
розмірами конгломератів до 0,315 мм і більше 0,315 мм рекомендовано використовувати, відповідно, як форму-
вальну суміш для виливка та як теплоізоляційну суміш для його ливникової системи.
Зі збільшенням перегріву розплаву з 80 до 130 °С час затвердіння розплаву у ливарних формах, структурованих
за ПМЗ-процесом, збільшується. При цьому з підвищенням перегріву найбільш інтенсивно зростає тривалість
кристалізації розплаву при незначному збільшенні відведення часу теплоти перегріву від розплаву. Залежність
швидкості об'ємного затвердіння від вмісту у ПРС рідкого скла в межах від 0,5 до 2,5 % носить екстремальний
характер з максимумом при вмісті 1,5 % рідкого скла.
Макроструктура виливків зі зміною вмісту в ПРС рідкого скла практично не змінюється, але переходить з дрібно-
кристалічної у великокристалічну зі збільшенням температури перегріву розплаву при заливанні. За результата-
ми виконаних досліджень розроблено рекомендації щодо застосування ПРС, структурованих за ПМЗ-процесом,
для виробництва виливків.
Ключові слова: ливарна форма, структура, структурування, рідке скло, бронза, швидкість затвердіння, те-
плоізоляційна суміш.
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
60 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
казника теплоакумулюючої здатності ливарної форми
(b2) або зниження її початкової температури [2, 12]. З
цією метою у формувальній суміші, наприклад, квар-
цовий пісок замінюють цирконовим, що збільшує ве-
личину b2 або формувальну суміш заморожують, ви-
користовуючи воду в суміші як її сполучний матеріал.
Особливістю структурування піщано-рідкоскляних
сумішей (ПРС) за ПМЗ-процесом є можливість зміню-
вати величину b2 не тільки шляхом зміни їх хімічного,
але і фракційного складу піщано-рідкоскляних кон-
гломератів, які виникають під час процесу плакуван-
ня кварцового піску рідким склом.
Крім структури виливків, теплофізичні властивості
ливарної форми визначають і ефективність їх жив-
лення від надливів та живильників ливникової систе-
ми. Ефективність живлення виливка під час його за-
твердіння оцінюють величиною перепаду температу-
ри між розплавом у надливу та у виливку, величиною
співвідношення часу затвердіння розплаву у надливу
та у виливку, величиною усадкових дефектів у вилив-
ку, герметичністю виливка та рядом інших показників.
Тобто, для отримання найбільш щільного металу у
виливку слід забезпечити такі умови його охолоджен-
тиками, параметрами та властивостями. Виходячи з
цього, проблемі управління структурою литої заготів-
лі нині присвячено значну кількість досліджень [3–11].
До числа найбільш простих та ефективних спосо-
бів впливу на структуру литих сплавів відносяться пе-
регрів розплаву при плавці та зміна інтенсивності те-
пловідведення від виливка при його затвердінні. При
цьому вплив величини перегріву розплаву при плав-
ці на зміну структури виливка реалізується як через
механізм збереження спадковості шихти, так і через
збільшення у розплаві числа кластерів, здатних при
охолодженні стати центрами його кристалізації [11].
Вплив ливарної форми на структуру виливків та
якість їхньої поверхні реалізується переважно за
рахунок, відповідно, зміни інтенсивності тепловідве-
дення від виливків та міцності поверхневого шару
форми. В останньому випадку міцність поверхневого
шару форми визначає ступінь його руйнування при
протяжці ливарної форми (при витягуванні постійної
моделі виливка з ливарної форми або напівформи).
При традиційних способах структуроутворення
формувальних сумішей інтенсивність тепловідведен-
ня від виливка підвищують шляхом збільшення по-
Таблиця 1
Склади теплоізоляційних сумішей для ливарних форм
Номер патенту,
дата публікації
Вміст в суміші, %мас.
Сполучна речовина Компоненти-наповнювачі
RU № 2688351
(21.05.2019) алюмохромфосфат (6–10) трепел (6–10), ековата (4–8), пісок кварцовий
(50–56), борат гексаметилентетраміну (20–30)
RU № 2614481
(28.03.2017) алюмохромфосфат (7–12) трепел (5–10), ековата (15–20), маршаліт
(10–15), пісок кварцовий – решта
RU № 2455108
(10.07.2012) магнійалюмофосфат (7–10) трепел (8–12), торф низької міри розкладання
або кізельгур (5–60), пісок кварцовий – решта
RU № 2365561
(27.08.2009) фосфатна суспензія (15–65)
один з матеріалів: шамот, глинозем, корунд, ке-
рамзит, цегляний бій (35–85) + спучений перліт і/
або спучений вермикуліт
RU № 2356688
(27.05.2009) алюмохромфосфат (8–12) Трепел (5–10), відхід вагранкового виробництва
– решта
RU № 2296646
(10.04.2007) злакове сполучне (18–25) вата целюлозна (4–80), пісок кварцовий – решта
RU № 2093306
(20.10.1997) фосфатне сполучне (7–15)
тирса деревна (25–30), глина каолінова (15–20),
порошок алюмінієвий (10–15), пісок кварцовий –
решта
SU № 749564
(23.07.80) цемент фосфатний (15–25) + вода (24,5–32,5)
перліт спучений (17,5–37,5), плигорскіт (2,5–
17,5), речовина вуглецьвмісна (2,5–8,0), глина
вогнетривка (2,5–15)
SU № 679312
(15.08.1979) будь-який сполучний матеріал – залишок
перліт спучений (12,5–25,0), азбест (3–10), пісок
аглопоритовий на основі крем'янистих опалових
порід (1,5–12,5), тирса деревна, оброблені галу-
ном (2,5–10), глина (5–10)
SU № 565774
(25.07.1977) кислота ортофосфорна (8–11) боксит мелений (4–7), перліт спучений – решта
SU № 510315
(15.04.1976) рідке скло (10–35) тирса деревна (5–30), кокс мелений (5–30), натр
їдкий (0,5–1,5), пісок кварцовий – решта
SU № 501828
(05.02.76) рідке скло – залишок
перліт спучений (10–45), шунгізит (25–60) або
пемза шлакова (10–80), глина вогнетривка
(0,1–15)
61ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
ня, при яких розплав у виливку твердіє раніше, ніж у
надливі. На думку авторів роботи [13] оптимальних
умов формування виливка можна досягти при співвід-
ношенні швидкостей відведення теплоти від вилив-
ка та від надливу у форму, що дорівнює f = 2/1 або
f = 1,5/1. Тобто, відповідно до [13], швидкість затвер-
діння розплаву у виливку має бути більшою за швид-
кість затвердіння розплаву в надливі в 1,5–2,0 рази.
Такого співвідношення швидкостей досягають за
рахунок збільшення розмірів надливу, використан-
ня у виливках внутрішніх і зовнішніх холодильників,
дуговим, індукційним та іншими методами підігріву
розплаву в надливі під час затвердіння розплаву у
виливку і т. п. При цьому, дані способи реалізують у
ливарних формах моноблочного типу, де виливок та
його ливникова система оформлені (оточені) єдиною
формувальною сумішшю.
На відміну від моноблочних ливарних форм у ком-
бінованих ливарних формах елементи ливникової
системи, що живлять виливок, оформлені теплоізо-
ляційною сумішшю [13–15].
Теплоізоляційні суміші для ливарних форм у
структурованому стані є високопористими виробами
з низькою теплопровідністю, які істотно відрізняються
за складом і властивостями від формувальних сумі-
шей. Про це свідчить аналіз даних табл. 1 та табл. 2.
Постановка задачі. Істотними недоліками всіх
відомих ливарних теплоізоляційних сумішей є їх ба-
гатокомпонентність та вміст матеріалів нестабільно-
го хімічного складу. Ці обставини є основними при-
чинами нестабільності теплофізичних властивостей
(ефективності застосування) таких сумішей та зна-
чних витрат на їх виробництво. Виробництво тепло-
ізоляційних сумішей з металофосфатами та цемен-
том, крім цього, характеризуються низьким рівнем
санітарно-гігієнічної безпеки, а застосування таких
сумішей у складі ливарних форм створює ще й про-
блеми з їх вторинним використанням, регенерацією
піску та утилізацією відпрацьованої суміші.
У піщано-рідкоскляних сумішах, що структуровані
за ПМЗ-процесом, де використовують тільки натрієве
рідке скло, воду і пісок (кварцовий, цирконовий і т. п.)
ці недоліки відсутні. Тим не менш, дані про можли-
вості способу ПМЗ на сьогодні носять фрагментар-
ний характер, що є однією з причин, які стримують
використання його в ливарних цехах. У зв'язку з цим,
виявлення закономірностей впливу складу, способу
структурування суміші ливарної форми та перегріву
розплаву на структуру виливків та якість їх поверхні є
актуальним завданням.
Мета роботи і завдання досліджень. Мета ро-
боти – виявлення закономірностей впливу моноблоч-
Таблиця 2
Склад та властивості теплоізоляційних сумішей [13]
Матеріал
Масовий вміст в суміші, %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Тирса деревна 25 28 30,5
Порошок деревний 10 7 5,5
Глина каолінова 11 10 9 20 18 13,5
Пісок кварцовий 60 63 68 60 25 28 50 19,5
Порошок алюмінію 10 12 15,5
Ековата 16 15 13
Шлак вагранний 85 88
Тремтів 5 7 5 10
Торф 25 30
Вода 13 12 10 15 12 до пластичного стану суміші 15,5
Металофосфатні
сполучні матеріали* 10 10 7 10
Властивості суміші
Межа міцності при
розтягуванні, МПа:
– у сухому стані
– у сирому стані
0,35 0,32 0,30 0,41 0,40 0,37 0,20 0,21 0,53 0,28
0,043 0,042 0,041 0,044 0,043 0,035 0,042 0,035 0.048 0,044
Обсипальність, % 0,30 0,35 0,37 0,50 0,60 0,40 0,60 0,70 0,10 0,70
Коефіцієнт
теплопровідності при
1300 °С, Вт/(м·К)
0,15 0,17 0,18 0,25 0,27 0,33 0,27 0,26 0.28 0,26
Примітка: *алюмохромофосфат, магнійхромофосфат і т. п.
62 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
не виконували його вогнетривкого захисту для виміру
температури.
Схильність ПРС до виникнення пригару оцінювали
за результатами візуального огляду поверхні вилив-
ків з міді та мідних сплавів Ø32×100 мм. Ливарні фор-
ми для виливків з міді та мідних сплавів виготовляли
із ПРС з 5 % РС шляхом ударно-механічного ущіль-
нення ПРС та її наступного сушіння при 200 °С впро-
довж 2 годин, а також з кварцового піску, плакованого
1,5 % РС, просіяного через сито з коміркою 0,315 мм,
ущільненого вібрацією та структурованого за спосо-
бом ПМЗ.
Як відомо, розрахунок істинної лінійної швидко-
сті просування фронту кристалізації (затвердіння)
розплаву в ливарній формі можна здійснити тільки
для розплавів, затвердіння яких проходить зі стро-
го вираженою поверхнею фронту кристалізації (для
чистих металів та евтектичних сплавів). У разі наяв-
ності двофазної зони на фронті кристалізації або у
разі об'ємного характеру затвердіння розраховують
середню об'ємну швидкість кристалізації. Оскільки
середня об'ємна швидкість кристалізації (VС) дорів-
нює величині, зворотного часу повного затвердіння
виливка (tЗ) у його контрольному перерізі [16], то її
величину розраховували за формулою:
VC = R/tЗ, (2)
де R – радіус циліндричного виливка (R = 16 мм).
Оптимальний хімічний та фракційний склад ПРС
за величиною VС визначали на виливках, відлитих у
моноблочні ливарні форми (див. рис. 1а), що струк-
туровані за ПМЗ-процесом. Вибір проводили за ре-
зультатами реалізації методу симплекс-планування
експерименту за неповним третім планом Г. Шеффе
та побудовою ізоліній на симплексному трикутнику,
відповідно до його ключа, що представлено на рис. 2.
ної та комбінованої ливарної форми, виготовленої із
сухих сумішей шляхом структурування у паро-мікро-
хвильовому середовищі, та перегріву розплаву алюмі-
нієвої бронзи на структуру та якість поверхні виливків.
Завдання досліджень – встановити вплив вмісту
рідкого скла та розмірів кварцово-рідкоскляних кон-
гломератів ПРС, температури перегріву розплаву
алюмінієвої бронзи на структуру виливків, якість їх
поверхні, швидкість затвердіння; визначити у складі
ПРС вміст рідкого скла та розміри кварцово-рідко-
скляних конгломератів, що забезпечують виливкам
найбільшу та найменшу швидкість затвердіння.
Об’єкт і методика досліджень. Об’єкт дослі-
джень – виливки, що отримані у піщано-рідкоскляних
формах, які структуровані за ПМЗ-процесом та зви-
чайною конвективною сушкою на повітрі.
В роботі використовували кварцовий пісок марки
1К2О202, воду, натрієве рідке скло (РС) з питомою
щільністю 1,44 г/см3 і силікатним модулем 2,9. Струк-
турування сумішей за ПМЗ-процесом впродовж 4
хвилин проводили в картонних стаканах з водяним
зарядом масою 1 г, використовуючи мікрохвильову
піч з частотою випромінювання 2,45 ГГц і потужніс-
тю магнетрона 700 Вт. Структурування ПРС ливарних
форм тепловим сушінням проводили при 200 ± 3 °С
впродовж 2 годин.
Макроструктуру зразків оцінювали візуально, мі-
кроструктуру досліджували на оптичному мікроскопі
при збільшенні ×100. Для дослідження макрострук-
тури зразки обробляли впродовж 1 хвилини в 50 %
розчині азотної кислоти в дистильованій воді при кім-
натній температурі.
Виплавку алюмінієвої бронзи (Cu+9,4 % Al) прово-
дили в індукційній печі з графітовим тиглем, викорис-
товуючи мідь марки М2 та алюміній технічної чистоти.
Щільність зразків виготовленої бронзи визначали ме-
тодом гідростатичного зважування. Масу визначали
шляхом зважування на електронних вагах з точністю
0,01 г. Для виготовлення моноблочних та комбінова-
них ливарних форм за схемою на рис. 1, використо-
вували моделі виливків та надливів з поліпропілену
та гіпсу марки Г22.
Коефіцієнт термічного лінійного розширення зраз-
ків гіпсу Г22 та поліпропілену визначали на їх зраз-
ках (200–210)×20×20 мм за допомогою електронного
штангенциркуля з точністю 0,001 мм шляхом визна-
чення зміни довжини зразків до та після нагрівання
від t1 = 20 ± 1 °С до t2 = 130 ± 5 °С за формулою:
a = (l2 – l1)/(t2 – t1), (1)
де l1, l2 – довжина зразка до і після нагрівання, відпо-
відно, м.
Відповідно до рис. 1, циліндричні виливки виготов-
ляли шляхом заливання розплаву у моноблочні та
комбіновані форми. Час затвердіння виливків визна-
чали за результатами їх термографування хромель-
алюмелевою термопарою з діаметром електродів
0,2 мм у комплекті з електронним потенціометром.
Гарячий спай термопари діаметром 0,30–0,32 мм
формували в результаті зварювання електродів та
Схеми моноблочної (а) та комбінованої (б) ливар-
них форм: 1 – робоча порожнина форми; 2 – надлив відкри-
того типу; 3 – ливарна форма з конгломератів кварцового
піску розмірами менше 0,315 мм; 4 – гарячий спай термо-
пари; 5 – нижня частина ливарної форми з конгломератів
кварцового піску розмірами менше 0,315 мм; 6 – верхня
частина ливарної форми з конгломератів кварцового піску
розмірами 0,315–0,630 мм
Рис. 1.
63ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Розрахунок об'ємної швидкості затвердіння цилін-
дричних виливків проводили за формулою (2).
Оскільки реалізація плану Г. Шеффе передбачає
побудову моделі неповного куба у потрійній системі:
Y = b1·х1 + b2·х2 + b3·х3 + b12·х1·х2 + b13·х1·х3 + b23·х2·х3 +
+ b123·х1·х2·х3, (3)
де Y – швидкість затвердіння; b – коефіцієнт регресії;
х – кількість матеріалу у суміші, то коефіцієнти регре-
сії у формулі (3) розраховували за формулами:
b1 = ξ1, bij = 4·ξij – 2·ξi – 2·ξj,
b123 = 27·ξ123 – 12·(ξ12 + ξ13 + ξ23) + 3·(ξ1 + ξ2 + ξ3),
де ξi, ξj, ξ123 – результати дослідів (VС) у точках симп-
лексних трикутників.
Результати досліджень. Для порівняльної оцін-
ки впливу способу структурування ПРС на якість по-
верхні виливків у ливарних формах, які виготовлені
відповідно до рис. 1а, були відлиті циліндричні вилив-
ки з міді, як найбільш хімічно активного матеріалу по
відношенню до РС.
У дослідженнях використовували ливарні форми
з ПРС з 5 % РС, які після ущільнення сушили при
200 °С протягом 2 годин, та форми, виготовлені за
ПМЗ-процесом, з кварцового піску, плакованого 1,5 %
РС. Заливання розплаву міді проводили з перегріван-
ням 105–110 °С. Вид поверхні виливків після їх ви-
бивання та очищення металевою щіткою представле-
ний на рис. 3.
З аналізу виду поверхонь мідних виливків на
рис. 3 випливає, що на відміну від виливка отрима-
ного в ПРС, яку структурували тепловим сушінням,
виливок, який отримано в ПРС, яку структурували за
ПМЗ-процесом, після обробки металевою щіткою не
має пригару. Тобто, на поверхні виливка, залитого
у форму, яка була висушена за загальноприйнятою
технологією, є термохімічний пригар, який являє со-
бою шар формувальної суміші чорного кольору тов-
щиною до ~1,5 мм, що пригоріла до виливка.
Виходячи з того, що випробувані ПРС у структуро-
ваному стані газопроникні, а температура заливання
розплаву міді у форми становила ~1210 °С, то ймовір-
ною причиною виникнення такого виду пригару стало
окислення міді на межі контакту її розплаву з формою:
2Cu + O2 →
t 2СuO, (4)
і поява купрату натрію в результаті взаємодії оксиду
міді (II) з оксидом натрію зі складу силікату натрію
ПРС:
Cu + Na2O →t Na2СuO2, (5)
з подальшим розчином купрату натрію в частині си-
лікату натрію в даному шарі ПРС. Як результат, охо-
лоджені до температури навколишнього середовища
міжзеренні манжети сполучного матеріалу в шарі
пригару, очевидно, є сплавом наступного хімічного
складу:
xNa2CuO2 · yCuO · (mSiO2 · nNa2O),
який не лише надав шару пригару чорний колір, а й
високу міцність та силу адгезії до поверхні мідного ви-
ливка.
Для порівняльної оцінки впливу способу структу-
рування ПРС та розмірів піщано-рідкоскляних кон-
гломератів кварцового піску, плакованого РС, на час
і швидкість об'ємного затвердіння виливків провели
Симплексний трикутник (а) та його ключ (б)Рис. 2.
а б
Вид поверхні мідного виливка, відлитого у ливарну
форму з ПРС після теплового сушіння (а) та у ливарну фор-
му, виготовлену за ПМЗ-процесом (б)
Рис. 3.
64 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
термографування циліндричних виливків, що були
залиті в моноблочні форми (див. рис. 1а).
У дослідженнях використовували ливарні форми
таких типів:
• тип А – свіжоприготовлена суміш кварцового
піску з 5 % РС, ущільнена ударно-механічним спо-
собом, структурована тепловим сушінням на повітрі
при 200 °С протягом 2 годин;
• тип В – суміш конгломератів кварцових частинок
з розмірами від 0,315 до 0,63 мм, плакованих 1,5 %
РС, ущільнена вібрацією, структурована за способом
ПМЗ;
• тип С – суміш конгломератів кварцових части-
нок з розмірами менше 0,315 мм, плакованих 1,5 %
РС, ущільнена вібрацією, структурована за способом
ПМЗ;
• тип D – суміш конгломератів кварцових части-
нок з розмірами менше 0,315 мм, плакованих 0,5 %
РС, ущільнена вібрацією, структурована за способом
ПМЗ;
• тип Е – суміш конгломератів кварцових частинок
з розмірами менше 0,315 мм, плакованих 2,5 % РС,
ущільнена вібрацією, структурована за способом ПМЗ.
Отримані результати термографування виливків
надано на рис. 4 та наведено в табл. 3.
Структури виливків з бронзи БрА9, яка була зали-
та у ливарні форми різного типу з різним перегрівом,
представлені на рис. 5 і рис. 6.
За результатами досліджень встановлено, що для
даних умов швидкість об'ємного затвердіння вилив-
ків з алюмінієвої бронзи, яку забезпечують ливарні
форми з ПРС, що структуровані тепловим сушінням,
складає 0,296 мм/с (див. табл. 3). В даний час брон-
зові виливки в ливарних цехах виготовляють і в ли-
варних формах з ПРС з 5 % РС, структура та механіч-
ні властивості яких відповідають рівню вимог, що ви-
суваються до них. Виходячи з цього, для подальших
досліджень граничним значенням була прийнята міні-
мально-припустима швидкість об'ємного затвердіння
досліджуваних виливків з алюмінієвої бронзи на рівні
0,3 мм/с.
З аналізу макроструктур на рис. 5 випливає, що
розмір макрозерен у виливках із алюмінієвої бронзи
залежить виключно від величини перегріву її розпла-
ву при плавці і зі зниженням перегріву зменшується.
В той же час, розмір конгломератів ливарної форми
практично не впливає на розмір мікрозерен, про що
свідчить аналіз мікроструктур рис. 6. З викладеного
випливає, що теплофізичні особливості різноконгло-
мератних сумішей доцільно використовувати виключ-
Термограми затвердіння та охолодження циліндричних виливків (Ø32×100 мм) із алюмінієвої бронзи, що була
перегріта при заливці у ливарні форми на 130 °С (а) та на 80 °С (б): 1 – ливарна форма типу А; 2 – ливарна форма типу В;
3, 5 – ливарна форма типу C; 4 – ливарна форма типу D; 6 – ливарна форма типу Е
Рис. 4.
Таблиця 3
Результати термографування затвердіння циліндричних виливків (Ø32×100 мм) з алюмінієвої бронзи
Тип ливарної
форми
Перегрів розпла-
ву, ºС
Час, с
VC, мм/свідводу теплоти
перегріву кристалізації затвердіння
А
130
20 34 54 0,296
В 28 62 90 0,178
С 20 27 47 0,340
D
80
18 34 52 0,308
С 16 18 34 0,471
Е 17 23 40 0,400
65ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
но з метою покращення умов живлення виливків при
затвердінні та зменшення витрат рідкого металу на їх
надливи.
Особливістю виливків, виготовлених у ливарній
формі типу Е, є значні за розміром об'єми локальної
усадкової пористості, хаотично розташовані по висоті
та радіусу виливка і видимі неозброєним оком без хі-
мічного травлення зразків. Хаотично розташовані по
тілу усадкові раковини розміром до 5 мм також спо-
стерігаються і в окремих виливках, виготовлених з ви-
користанням ливарних форм типу А.
Дані табл. 3 свідчать, що розплав алюмінієвої
бронзи в ливарній формі типу С твердне швидше, ніж
у ливарних формах інших типів. У зв'язку з цим для
виготовлення ливарних форм та стрижнів за ПМЗ-
процесом слід використовувати кварцовий пісок, пла-
кований 1,5 % РС і просіяний через сито зі стороною
осередку 0,315 мм. У той же час залишок такого піску
на ситі з осередком 0,315 мм можна використовувати
як теплоізоляційну суміш.
Можливість використання ПРС з крупних конгло-
мератів, структурованих за ПМЗ-процесом, в якості
теплоізоляційної суміші оцінювали за результатами
аналізу темплетів циліндричних виливків. При цьому,
в одному випадку для виготовлення виливків вико-
ристовували моноблочну ливарну форму типу С (див.
рис. 1а), в іншому випадку – комбіновану форму, де
для виливка використовували ливарну форму типу С,
а для надливу – типу В (див. рис. 1б).
Темплети циліндричних виливків зі своїми надли-
вами представлені на рис. 7а, б, а на рис. 7в – графік
розподілу усадкової пористості за висотою виливків
від їхнього торця (дільниця № 5 на рис. 7) до місця
встановлення надливу (дільниця № 1 на рис. 7).
Макроструктура (×1,5) виливків із бронзи БрА9, перегрітої на 130 °С та залитої в ливарні форми типу А (а), В (б),
С (в), перегрітої на 80 °С та залитої в ливарні форми типу D (г), С (д), Е (е)
Рис. 5.
Мікроструктура (×100) виливків із бронзи БрА9, перегрітої на 130 °С та залитої в ливарні форми типу В (а) та типу
С (б)
Рис. 6.
66 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
Темплети циліндричних виливків з надливами, відлитих в моноблочну (а) і комбіновану (б) ливарні форми, та
графік розподілу усадкової пористості вздовж циліндричних виливків (в): 1 – виливок отримано в моноблочній ливарній
формі; 2 – виливок отримано в комбінованій ливарній формі
Рис. 7.
Таблиця 4
Коди сумішей плакованого кварцового піску
Код конгломератів
суміші
Розміри конгломератів, мм Вміст РС, яке було витрачено на плакуван-
ня кварцового піску, %
< 0,315 ≥ 0,315 ... < 0,63 0,5 2,5
F + +
M + +
N + +
Таблиця 5
Реалізована план-матриця експерименту
Код суміші
Відносна маса в суміші
Час затвердіння, с VС, мм/с
за формулою (2)F M N
Х1 1 147 0,109
Х2 1 89 0,179
Х3 1 60 0,267
Х4 0,5 0,5 78 0,206
Х5 0,5 0,5 119 0,134
Х6 0,5 0,5 47 0,340
Х7 0,33 0,33 0,33 71 0,226
Таблиця 6
Коефіцієнти кореляції
Параметр
Коефіцієнти кореляції
b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123
VС 0,109 0,179 0,267 0,248 -0,216 0,468 -0,393
67ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
Симплексний трикутник з ізолініями швидкості об'ємного затвердіння виливків (а), область складів сумішей (не
зафарбована), що забезпечують швидкість затвердіння виливків більше 0,3 мм/с (б), області складів сумішей, які можуть
бути рекомендовані для виготовлення виливків та їх ливникових систем в комбінованих ливарних формах (в): 1 – об-
ласть складів сумішей, придатних для виливків; 2 – області складів сумішей, придатних для теплоізольованих надливів з
f = 1,5...2,0; 3 – області складів сумішей, придатних для теплоізольованих надливів з f ≥ 2,0
Рис. 8.
Зовнішній вигляд поверхні виливків, одержаних у ливарних формах типу D (а, г), типу С (б, д), типу Е (в, е) при
використанні моделі виливків з поліпропілену (а, б, в) та з гіпсу (г, д, е)
Рис. 9.
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
68 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
З аналізу рис. 7 випливає, що використання ПРС,
структурованих за ПМЗ-процесом з конгломератів
різних розмірів, дозволяє виготовляти комбіновані
ливарні форми з утепленими надливами. Це, відпо-
відно до експериментальних даних, не тільки дозво-
ляє зменшити масу надливу на 17–22 %, але і об'єм
усадкової пористості (з 1,3 до 0,7 %), і характер її роз-
поділення у виливках (див. рис. 7в).
З метою розширення уявлень щодо можливостей
ПРС, які структуровані за ПМЗ-процесом, провели
оптимізацію їх хімічного та фракційного складів за
планом Г. Шеффе. Коди сумішей з плакованого квар-
цового піску наведено в табл. 4, реалізована план-
матриця експерименту – в табл. 5, коефіцієнти коре-
ляції – в табл. 6.
За результатами досліджень та розрахунків, за
формулою (3) побудовано симплексний трикутник з
ізолініями швидкості об'ємного затвердіння виливків,
на якому виділено область складів сумішей, що за-
безпечують швидкість затвердіння виливків більше
0,3 мм/с та області складів сумішей, які можуть бути
рекомендовані для виготовлення виливків та їх лив-
никових систем в комбінованих ливарних формах,
що надано на рис. 8.
З аналізу рис. 8 випливає, що потрібну швидкість
об'ємного затвердіння (≥ 0,3 мм/с) виливкам забез-
печують ПРС, які виготовлені з кварцового піску, пла-
кованого РС від 1 до 2 % за масою, та мають фракцію
піщано-рідкоскляних конгломератів менше 0,315 мм
(див. рис. 8б). При цьому, суміші, склад яких зна-
ходиться у жовтій та червоній області (див рис. 8в),
можуть бути використано як теплоізоляційні у зв'язку
з тим, що співвідношення швидкостей об'ємного за-
твердіння, що лежать в синій та жовтій зоні, складає
f = 1,5...2,0, а в синій та червоній зоні – f ≥ 2,0.
Якість поверхні виливків оцінювали візуально. Для
цих досліджень використовували виливки з алюміні-
євої бронзи, розплав якої заливали в ливарні фор-
ми типів D, С і Е з перегрівом 80 °С. Відмінністю між
отриманими виливками було і те, що для структуру-
вання плакованих пісків за ПМЗ-процесом моделі ци-
ліндричних виливків були виготовлені з поліпропілену
або гіпсу Г22 і не мали ливарних ухилів. Зовнішній
вигляд поверхні отриманих виливків зі збільшенням
×1,5 представлений на рис. 9.
З аналізу зображень на рис. 9 випливає, що зі
збільшенням кількості РС, яке було використане на
плакування кварцового піску, якість поверхні вилив-
ків покращується. При цьому, поверхневих дефектів
на виливках, які виготовили з використанням гіпсової
моделі, значно менше ніж у виливків, для яких вико-
ристовували поліпропіленові моделі. Такі закономір-
ності пояснюються тим, що зі збільшенням долі РС
в ПРС її міцність, у тому числі і поверхнева, зростає
і, відповідно, обсипальність знижується. Тому під час
протягування моделі поверхня такої структурованої
суміші руйнується значно менше.
Щодо впливу матеріалу моделі, то тут значною мі-
рою на обсипальність поверхні ливарної форми при її
протягуванні впливає величина коефіцієнту лінійного
розширення (КЛР) матеріалу моделі. За результата-
ми досліджень встановлено, що поліпропілен та гіпс
Г22, які були використані для виготовлення моделей
виливків, в інтервалі від 20 до 130 °С мали КЛР, відпо-
відно, 17,2·10-5 і 2,4·10-5 °С-1. Тобто, маючи однакову
температуру нагрівання поліпропіленова модель на
відміну від гіпсової моделі більш розширювалася, за-
вдяки чому і чинила більший тиск на робочу поверх-
ню ливарної форми, що відповідно позначилося на
більшій величині руйнування цієї поверхні.
Обговорення результатів і перспективи до-
сліджень. З отриманих результатів досліджень ви-
пливає, що з числа досліджуваних в роботі факторів
найбільш ефективним способом керування структу-
рою використаної алюмінієвої бронзи (Cu+9,4%Al) є
перегрів її розплаву під час плавки. При цьому, на ма-
кроструктуру виливків практично не впливає ні спосіб
виготовлення, ні склад ливарної форми з ПРС. Таку
закономірність можна пояснити тим, що ці параметри
ПРС не змінюють величину теплоакумулюючої здат-
ності ливарної форми в тих межах, які б могли зна-
чною мірою вплинути на зміну макроструктури литої
алюмінієвої бронзи.
Тим не менш, саме ці фактори є вирішальними не
тільки для швидкості затвердіння розплаву та умов
живлення виливка розплавом із надлива, а й відпо-
відальні за якість поверхні виливків. За результата-
ми виконаної оптимізації та отриманих даних можна
однозначно казати, що структурування ПРС за ПМЗ-
процесом дозволяє виготовляти як моноблочні, так і
ефективні комбіновані форми без використання до-
даткових матеріалів, обмежуючись лише розсіюван-
ням плакованого піску на фракції, розміри конгломера-
тів яких менше та більше 0,315 мм. Ця обставина свід-
чить про певну технологічну «гнучкість» ПМЗ-процесу,
що непритаманна іншим способам структурування су-
мішей, та свідчить про перспективність та недослідже-
ність багатьох можливостей даної технології.
Висновки
1. Для поліпшення умов живлення виливків реко-
мендується ливникові ходи і порожнини виконувати
в суміші піщано-рідкоскляних конгломератів з розмі-
рами від 0,315 до 0,63 мм, а сам виливок – в суміші
конгломератів з розмірами менше 0,315 мм.
2. Якість поверхонь ливарної форми, виготовленої
за способом ПМЗ, і, відповідно, якість поверхні ви-
ливків підвищується зі збільшенням в суміші кількос-
ті рідкого скла (від 0,5 до 2,5 %), використаного для
плакування кварцового піску, та зі зниженням коефіці-
єнта термічного лінійного розширення матеріалів по-
стійних моделей виливків.
3. Для виготовлення ливарних форм за способом
ПМЗ, що зазнають протяжки, кількість рідкого скла,
використаного для плакування кварцового піску, має
становити 1,5 %.
4. Зниження температури перегріву розплаву міді з
9,4 % Al зі 130 до 80 °С призводить до подрібнення ма-
крозерна у виливках. Підвищення кількості рідкого скла,
використаного для плакування кварцового скла, від 0,5
до 2,5 % практично не змінює розмір зерен у виливках.
69ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
5. Застосування способу ПМЗ для виготовлення
піщано-рідкоскляних ливарних форм і стрижнів до-
зволяє ефективно керувати не тільки теплофізични-
ми властивостями ливарних форм, але і якістю ви-
ливків, що виготовляються в них.
6. Суміші піщано-рідкоскляних конгломератів з
розмірами від 0,315 до 0,63 мм, по відношенню до су-
мішей з конгломератів з розмірами менше 0,315 мм,
які структуровані за ПМЗ-процесом, є теплоізоляцій-
ними.
1. Ясюков В.В., Лысенко Т.В., Козишкурт Е.Н., Солоненко Л.И. Процессы кристаллизации и затвердевания отливок в
разовых литейных формах. Металл и литье Украины. 2018. № 11–12. С. 54–61.
2. Мамишев В.А., Шинский О.И., Соколовская Л.А. Пути ускорения процессов затвердевания и кристаллизации в пес-
чаных формах. Материалы ХІІ Международной научно-практической конференции «Литье. Металлургия-2016».
Запорожье, 2016. С. 159–161.
3. Деев В.Б., Пономарева К.В., Куценко А.И., Приходько О.Г., Сметанюк С.В. Влияние условий плавки алюминиевых
сплавов на свойства и качество отливок, полученных по газифицируемым моделям. Известия вузов. Цветная метал-
лургия. 2017. № 4. С. 39–45. DOI: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-4-39-45
4. Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Обработка расплавов магнитно-импульс-
ными полями с целью управления структурой и свойствами промышленных силуминов. Известия вузов. Цветная
металлургия. 2016. № 2. С. 34–42. DOI: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-2-34-42
5. Ivanov Y.F., Alsaraeva K.V., Gromov V.E., Popova N.A., Konovalov S.V. Fatigue life of silumin treated with a high intensity
pulsed electron beam. J. Surf. Invest. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2015. Vol. 9. No. 5. P. 1056–1059.
6. Prusov E.S., Panfilov A.A. Properties of cast aluminum based composite alloys reinforced by endogenous and exogenous
phases. Russ. Metall. 2011. № 7. P. 670–674.
7. Деев В.Б., Пономарева К.В., Приходько О.Г., Сметанюк С.В. Влияние температуры перегрева и заливки расплава на
качество отливок из алюминиевых сплавов при литье по газифицируемым моделям. Известия вузов. Цветная ме-
таллургия. 2017. № 3. С. 65–71. DOI: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-3-65-71
8. Баум Б.А. Влияние температурной обработки расплава на характеристики механических свойств металла. Свойства
сплавов в отливках: труды XVII совещания по теории литейных процессов. Москва: Наука, 1975. C. 165–172.
9. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. Москва: Металлургия, 1973. 208 с.
10. Баум Б.А. О взаимосвязи жидкого и твердого металлических состояний. Расплавы. 1988. Т. 2. С. 18–32.
11. Никитин В.И., Никитин К.В. Наследственность в литых сплавах, 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение-1,
2005. 476 с.
12. Приходько О.Г., Деев В.Б., Прусов Е.С., Куценко А.И. Влияние теплофизических характеристик сплава и материала
литейной формы на скорость затвердевания отливок. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.
2020. Т. 63. № 5. С. 327–334. DOI: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-5-327-334
13. Илларионов И.Е., Стрельников И.А. Теплоизоляционные металлофосфатные смеси и методы их применения в литей-
ном производстве. Литейное производство. 2017. № 1 (20). С. 27–29.
14. Назаратин В.В. Металлургия. Новые теплоизоляционные смеси. Машиностроение. 2008. № 5. С. 45–49.
15. Чернышов Е.А., Евлампиев А.А., Уваров Б.И., Королев А.В. Применение теплоизоляционных оболочек для прибылей
фасонных отливок. Труды седьмого съезда литейщиков России. Том 1. Новосибирск: Изд. Москва, 2005. С. 146–149.
16. Напалков В.И., Фролов В.Ф., Баранов В.Н. Плавление и литье алюминиевых сплавов: монография. Красноярск: Сиб.
федер. ун-т, 2020. 716 с.
ЛІТЕРАТУРА
Надійшла 17.01.2022
1. Yasiukov, V.V., Lysenko, T.V., Kozishkurt, E.N., Solonenko, L.I. (2018). Processes of crystallization and solidification of castings
in single-casting molds. Metal and Casting of Ukraine, no. 11–12, pp. 54–61 [in Russian].
2. Mamishev, V.A., Shinsky, O.I., Sokolovskaya, L.A. (2016). Ways to accelerate the processes of solidification and crystallization
in sandy forms. Materials of the XII International Scientific and Practical Conference “Casting. Metallurgy-2016 ". Zaporizhzhia,
рр. 159–161 [in Russian].
REFERENCES
70 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
3. Deev, V.B., Ponomareva, K.V., Kutsenko, A.I., Prikhodko, O.G., Smetanyuk, S.V. (2017). Influence of melting conditions of
aluminum alloys on the properties and quality of castings obtained by lost foam casting. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya
(Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy), no. 4, pp. 39–45, doi: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-4-39-45 [in Russian].
4. Nikitin, K.V., Nikitin, V.I., Timoshkin, I.Yu., Glushchenkov, V.A., Chernikov, D.G. (2016). Treatment of melts by pulsed magnetic
fields to control the structure and properties of industrial silumins. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Izvestiya. Non-
Ferrous Metallurgy), no. 2, pp. 34–42, doi: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-2-34-42 [in Russian].
5. Ivanov, Y.F., Alsaraeva, K.V., Gromov, V.E., Popova, N.A., Konovalov, S.V. (2015). Fatigue life of silumin treated with a high
intensity pulsed electron beam. J. Surf. Invest. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, vol. 9, no. 5, pр. 1056–1059.
6. Prusov, E.S., Panfilov, A.A. (2011). Properties of cast aluminum based composite alloys reinforced by endogenous and
exogenous phases. Russ. Metall., no. 7, pр. 670–674.
7. Deev, V.B., Ponomareva, K.V., Prikhodko, O.G., Smetanyuk, S.V. (2017). The effect of overheating temperature and melt
pouring temperature on the aluminum alloy casting quality in lost foam casting. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya
(Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy), no. 3, pp. 65–71, doi: https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-3-65-71 [in Russian].
8. Baum, B.A. (1975). Influence of temperature treatment of the melt on the characteristics of the mechanical properties of the
metal. Properties of alloys in castings: proceedings of the XVII meeting on the theory of casting processes. Moscow: Nauka,
pp. 165–172 [in Russian].
9. Sadovsky, V.D. (1973). Structural inheritance in steel. Moscow: Metallurgiya, 208 p. [in Russian].
10. Baum, B.A. (1988). On the relationship between liquid and solid metallic states. Melts, vol. 2, pp. 18–32 [in Russian].
11. Nikitin, V.I., Nikitin, K.V. (2005). Heredity in cast alloys, 2nd ed., Rev. and add. Moscow: Mashinostroenie-1, 476 p. [in Russian].
12. Prikhod’ko, O.G., Deev, V.B., Prusov, E.S., Kutsenko, A.I. (2020). Influence of thermophysical characteristics of alloy and
mold material on castings solidification rate. Izvestiya. Ferrous Metallurgy, vol. 63, no. 5, pp. 327–334, doi: https://doi.
org/10.17073/0368-0797-2020-5-327-334 [in Russian].
13. Illarionov, I.E., Strelnikov, I.A. (2017). Heat-insulating metal-phosphate mixtures and methods of their application in foundry.
Foundry, no. 1, pp. 27–29 [in Russian].
14. Nazaratin, V.V. (2008). Metallurgy. New thermal insulation mixtures. Mechanical engineering, no. 5, pp. 45–49 [in Russian].
15. Chernyshov, E.A., Evlampiev, A.A., Uvarov, B.I., Korolev, A.V. (2005).The use of heat-insulating shells for profiled castings.
Proceedings of the Seventh Congress of Russian Foundry Workers, vol. 1. Novosibirsk: Ed. Moscow, pp. 146–149 [in Russian].
16. Napalkov, V.I., Frolov, V.F., Baranov, V.N. (2020). Melting and casting of aluminum alloys: monograph. Krasnoyarsk: Sib. feder.
un-t, 716 p. [in Russian].
Received 17.01.2022
Summary
This work is devoted to regularities of sand-sodium-silicate mixture (SSSM) mold, structured in steam-microwave environ-
ment (steam-microwave solidification method – SMS-process), and copper melt with 9.4 % Al overheating influence revealing
on castings structure and surface quality.
In this investigation standard and generally accepted research methods and techniques have been used. Purpose of this work
– influence regularities detection of mono-block and combined dry mixtures made and structured by SMS-process molds as
L.I. Solonenko, PhD (Engin.), Associate Professor, Doctoral Student at
the Department of Casting Production, e-mail: solonenkoli14@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2092-8044
S.I. Repyakh, Dr. Sci. (Engin.), Senior Researcher, Professor at the
Department of Casting Production, e-mail: 123rs@ua.fm,
https://orcid.org/0000-0003-0203-4135
К.І. Uzlov, Dr. Sci. (Engin.), Professor, Professor at the Department of
Material Science, е-mail: konst.uzlov@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-0744-9890
V.F. Mazorchuk, PhD (Engin.), Associate Professor, Associate Professor
at the Department of Casting Production, e-mail: mazorchukvf@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-8512-0727
Ukrainian State University of Science and Technologies (Dnipro, Ukraine)
Influence of mold and aluminum bronze melt overheating on castings structure and their
surface quality
71ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
well as castings melt overheating on products structure and their surface quality. Present research tasks have been determi-
nation of sodium silicate solute content and sand-sodium-silicate conglomerates SSSM size, aluminum bronze melt overheat-
ing temperature influence on castings structure, surface quality, solidification rate, and SSSM composition optimization due
to sodium silicate solute content and its sand-sodium-silicate conglomerates size.
It has been found that mixtures structured by SMS-process with 1.5 % sodium silicate solute and conglomerates sizes up
to 0.315 mm, allow to produce copper and bronze castings without burns (sodium cuprate). At the same time, SSSM with
conglomerates sizes up to 0.315 mm and more than 0.315 mm has been recommended to be used, respectively, as molding
mixture for casting and as thermal insulation mixture for its gating system.
With melt overheating increasing from 80 to 130 °С melt solidification time in molds, structured by SMS-process, increases. In
this case, with overheating increasing, melt crystallization duration increases most intensively with overheating heat removal
time from the melt slight increasing. Volumetric solidification rate dependence on sodium silicate solute content in SSSM in
range from 0.5 to 2.5 % has an extremal character with maximum content of 1.5 % sodium silicate solute.
Castings macrostructure with changes of sodium silicate solute content in SSSM practically does not change, but transforms
from fine-crystalline to large-crystalline with melt during pouring overheating temperature increasing. Based on research
results, recommendations for SSSM structured by SMS-process implementation in castings manufacturing have been devel-
oped.
Mold, structure, structuring, sodium silicate solute, bronze, solidification rate, insulation mix-
ture.Keywords
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-18 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:15Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/67/510f741bf4f3b6f73f47a1051bc2c467.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-182026-07-22T12:09:42Z Influence of mold and aluminum bronze melt overheating on castings structure and their surface quality Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні Солоненко, Людмила Реп’ях, Сергій Узлов, Костянтин Мазорчук, Володимир mold structure structuring sodium silicate solute bronze solidification rate insulation mixture ливарна форма структура структурування рідке скло бронза швидкість затвердіння теплоізоляційна суміш This work is devoted to regularities of sand-sodium-silicate mixture (SSSM) mold, structured in steam-microwave environment (steam-microwave solidification method – SMS-process), and copper melt with 9.4 % Al overheating influence revealing on castings structure and surface quality. In this investigation standard and generally accepted research methods and techniques have been used. Purpose of this work – influence regularities detection of mono-block and combined dry mixtures made and structured by SMS-process molds as well as castings melt overheating on products structure and their surface quality. Present research tasks have been determination of sodium silicate solute content and sand-sodium-silicate conglomerates SSSM size, aluminum bronze melt overheating temperature influence on castings structure, surface quality, solidification rate, and SSSM composition optimization due to sodium silicate solute content and its sand-sodium-silicate conglomerates size. It has been found that mixtures structured by SMS-process with 1.5 % sodium silicate solute and conglomerates sizes up to 0.315 mm, allow to produce copper and bronze castings without burns (sodium cuprate). At the same time, SSSM with conglomerates sizes up to 0.315 mm and more than 0.315 mm has been recommended to be used, respectively, as molding mixture for casting and as thermal insulation mixture for its gating system. With melt overheating increasing from 80 to 130 °С melt solidification time in molds, structured by SMS-process, increases. In this case, with overheating increasing, melt crystallization duration increases most intensively with overheating heat removal time from the melt slight increasing. Volumetric solidification rate dependence on sodium silicate solute content in SSSM in range from 0.5 to 2.5 % has an extremal character with maximum content of 1.5 % sodium silicate solute. Castings macrostructure with changes of sodium silicate solute content in SSSM practically does not change, but transforms from fine-crystalline to large-crystalline with melt during pouring overheating temperature increasing. Based on research results, recommendations for SSSM structured by SMS-process implementation in castings manufacturing have been developed. Роботу присвячено виявленню закономірностей впливу ливарної форми, структурованої в паро-мікрохвильовому середовищі (спосіб паро-мікрохвильового затвердіння – ПМЗ-процес) з піщано-рідкоскляної суміші (ПРС), та перегріву розплаву міді з 9,4 % Аl на структуру виливків та якість їх поверхні. У роботі використано стандартні та загальноприйняті методи та методики досліджень. Мета роботи – виявлення закономірностей впливу моноблочної та комбінованої ливарної форми, виготовленої з сухих сумішей, структурованих за ПМЗ-процесом, та перегріву розплаву виливків на структуру та якість їхньої поверхні. Завдання досліджень – встановити вплив вмісту рідкого скла та розмірів піщано-рідкоскляних конгломератів ПРС, температури перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків, якість їх поверхні, швидкість затвердіння, оптимізувати склад ПРС за вмістом рідкого скла та розмірами її піщано-рідкоскляних конгломератів. Встановлено, що суміші, які структуровані за ПМЗ-процесом з 1,5 % рідкого скла та розмірами конгломератів до 0,315 мм, дозволяють отримувати мідні та бронзові виливки без пригару (купрату натрію). При цьому, ПРС з розмірами конгломератів до 0,315 мм і більше 0,315 мм рекомендовано використовувати, відповідно, як формувальну суміш для виливка та як теплоізоляційну суміш для його ливникової системи. Зі збільшенням перегріву розплаву з 80 до 130 °С час затвердіння розплаву у ливарних формах, структурованих за ПМЗ-процесом, збільшується. При цьому з підвищенням перегріву найбільш інтенсивно зростає тривалість кристалізації розплаву при незначному збільшенні відведення часу теплоти перегріву від розплаву. Залежність швидкості об'ємного затвердіння від вмісту у ПРС рідкого скла в межах від 0,5 до 2,5 % носить екстремальний характер з максимумом при вмісті 1,5 % рідкого скла. Макроструктура виливків зі зміною вмісту в ПРС рідкого скла практично не змінюється, але переходить з дрібнокристалічної у великокристалічну зі збільшенням температури перегріву розплаву при заливанні. За результатами виконаних досліджень розроблено рекомендації щодо застосування ПРС, структурованих за ПМЗ-процесом, для виробництва виливків. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-05-20 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/18 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 30 No. 2 (2022): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 30 № 2 (2022): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/18/18 Авторське право (c) 2023 Людмила Солоненко, Сергій Реп’ях, Костянтин Узлов, Володимир Мазорчук https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | ливарна форма структура структурування рідке скло бронза швидкість затвердіння теплоізоляційна суміш Солоненко, Людмила Реп’ях, Сергій Узлов, Костянтин Мазорчук, Володимир Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title | Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title_alt | Influence of mold and aluminum bronze melt overheating on castings structure and their surface quality |
| title_full | Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title_fullStr | Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title_full_unstemmed | Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title_short | Вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| title_sort | вплив ливарної форми і перегріву розплаву алюмінієвої бронзи на структуру виливків і якість їх поверхні |
| topic | ливарна форма структура структурування рідке скло бронза швидкість затвердіння теплоізоляційна суміш |
| topic_facet | mold structure structuring sodium silicate solute bronze solidification rate insulation mixture ливарна форма структура структурування рідке скло бронза швидкість затвердіння теплоізоляційна суміш |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/18 |
| work_keys_str_mv | AT solonenkolûdmila influenceofmoldandaluminumbronzemeltoverheatingoncastingsstructureandtheirsurfacequality AT repâhsergíj influenceofmoldandaluminumbronzemeltoverheatingoncastingsstructureandtheirsurfacequality AT uzlovkostântin influenceofmoldandaluminumbronzemeltoverheatingoncastingsstructureandtheirsurfacequality AT mazorčukvolodimir influenceofmoldandaluminumbronzemeltoverheatingoncastingsstructureandtheirsurfacequality AT solonenkolûdmila vplivlivarnoíformiíperegrívurozplavualûmíníêvoíbronzinastrukturuvilivkívíâkístʹíhpoverhní AT repâhsergíj vplivlivarnoíformiíperegrívurozplavualûmíníêvoíbronzinastrukturuvilivkívíâkístʹíhpoverhní AT uzlovkostântin vplivlivarnoíformiíperegrívurozplavualûmíníêvoíbronzinastrukturuvilivkívíâkístʹíhpoverhní AT mazorčukvolodimir vplivlivarnoíformiíperegrívurozplavualûmíníêvoíbronzinastrukturuvilivkívíâkístʹíhpoverhní |