Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання
The article investigates the effect of sodium silicate content on the penetrability of liquid glass sand fillers integrated into cast iron and steel shells obtained by lost foam casting (LFC). Samples with a sodium silicate content of 4 to 16 g per 100 g of quartz sand were produced for testing usin...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/326 |
| 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_ | 1869381615552036864 |
|---|---|
| author | Дьяченко, М.М. Калюжний, П.Б. Шалевська, І.А. Гнилоскуренко, С.В. Овсянников, В.О. |
| author_facet | Дьяченко, М.М. Калюжний, П.Б. Шалевська, І.А. Гнилоскуренко, С.В. Овсянников, В.О. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "М.М. Дьяченко",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)"
},
{
"author": "П.Б. Калюжний",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)"
},
{
"author": "І.А. Шалевська",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)"
},
{
"author": "С.В. Гнилоскуренко",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)"
},
{
"author": "В.О. Овсянников",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)"
}
] |
| author_sort | Дьяченко, М.М. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-29T12:17:17Z |
| description | The article investigates the effect of sodium silicate content on the penetrability of liquid glass sand fillers integrated into cast iron and steel shells obtained by lost foam casting (LFC). Samples with a sodium silicate content of 4 to 16 g per 100 g of quartz sand were produced for testing using a laboratory drop hammer according to a method adapted for evaluating the knock-out properties of molding sands. It was found that the penetration work increases with increasing sodium silicate con- tent. For cast iron shells, a significant increase in resistance to penetration begins at a sodium silicate content of 9.1 %, while for steel shells – from 12.3 %. The transition layer between the metal and the filler in cast iron samples is 2–4 times thicker (1.5–4.0 mm) than in steel samples (0.5–1.6 mm), which is explained by the better fluidity of cast iron and higher adhesion of the silicate phase to cast iron. At the same time, the microstructure and microhardness of the transition layer do not depend on the sodium silicate content. For the "cast iron – liquid glass filler" system, a sodium silicate content of 12–14 g per 100 g of sand is recommended, and for the "steel – liquid glass filler" system – 14–16 g. The obtained results allow using the liquid glass filler as an effective substitute for part of the metal in cast modules of protective and load-bearing structures. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2026.02.008 |
| first_indexed | 2026-06-30T01:00:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
8 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА І ПРОЦЕСИ ЛИТТЯ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
TECHNOLOGIES AND PROCESSES OF CASTING METALS AND ALLOYS
_____________________________________________________________________________________
Стаття опублікована на умовах відкритого доступу за ліцензією CC BY license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026, № 2 (345), 8-17
https://doi.org/10.15407/steelcast2026.02.008
УДК 621.74.046:621.74.041
М.М. Дьяченко, аспірант, e-mail: maximail@ukr.net, https://orcid.org/0009-0002-4957-9407
П.Б. Калюжний, канд. техн. наук, заст. директора, e-mail: kpb.ptima@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-1111-4826
І.А. Шалевська, д-р техн. наук, доц., заст. директора, е-mail: innashalevska@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-8410-7045
С.В. Гнилоскуренко, канд. техн. наук, ст. дослідник, зав. відділу, e-mail: slava.vgn@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-0201-7191
В.О. Овсянников, головний технолог, e-mail: otdel.vch@gmail.com
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України (Київ, Україна)
Визначення впливу вмісту рідкого скла в
наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
на показники його стійкості до пробивання
У статті досліджено вплив вмісту рідкого скла на пробиваємість рідкоскляних піщаних наповнювачів, інтегро-
ваних у чавунні та сталеві оболонки, отримані методом лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ). Були ви-
готовлені зразки з вмістом рідкого скла від 4 до 16 г на 100 г кварцового піску для проведення випробування
з використанням лабораторного копра за методикою, адаптованою для оцінки вибивності ливарних сумішей.
Встановлено, що робота пробивання зростає зі збільшенням вмісту рідкого скла. Для чавунних оболонок істотне
зростання стійкості до пробивання починається при вмісті рідкого скла 9,1 %, а для сталевих — від 12,3 %. Пере-
хідний шар між металом і наповнювачем у чавунних зразках є в 2—4 рази товщим (1,5—4,0 мм), ніж у сталевих
(0,5—1,6 мм), що пояснюється кращою рідкоплинністю чавуну та вищою адгезією силікатної фази до чавуну. Вод-
ночас мікроструктура та мікротвердість перехідного шару не залежать від вмісту рідкого скла. Рекомендовано
застосовувати для системи «чавун — рідкоскляний наповнювач» вміст рідкого скла 12—14 г на 100 г піску, а для
системи «сталь — рідкоскляний наповнювач» — 14–16 г. Отримані результати дозволяють використовувати рідко-
скляний наповнювач як ефективну заміну частини металу в литих модулях захисних та несучих конструкцій.
Ключові слова: литі композиційні матеріали; лиття за моделями, що газифікуються; чавунне та сталеве лиття;
рідкоскляна суміш; пробиваємість; перехідний шар; функціональний наповнювач; залишкова міцність.
Вступ. Натепер в Україні надважливою за-
дачею є захист енергетичних та громадсь-
ких об’єктів від різного типу пошкоджень
і ураження. Зазвичай для захисту таких
об’єктів використовуються бетонні споруди [1] або
мішки із насипним піском. У ФТІМС НАН України за-
пропоновано розробки, які передбачають заміщення
таких бетонних споруд на модульні металеві
конструкції, пустотілі [2, 3] або з наповнювачами [4,
5]. Удосконалення таких модульних конструкцій та
зменшення маси не втратили актуальності з точки
зору досягнення високої міцності при зменшенні ваги.
Розроблені у ФТІМС НАН України модулі із не-
металевим наповнювачем для будівництва за-
хисних споруд, являють собою литу оболонку із
функціональним неметалевим наповнювачем, що
розміщений усередині виливка, для зміцнення та
підвищення стійкості до пробивної та кумулятивної
9ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
дії [3].
Як неметалевий наповнювач для таких конструкцій
може використовуватися піщана рідкоскляна суміш,
яка після теплового впливу металу при литті обо-
лонок, зберігає високу залишкову міцність. З теорії
ливарної форми відомо, що рідкоскляні суміші мають
погану вибивність, що у випадку захисних конструкцій
розглядається як перевага. Причиною цього є ви-
сока залишкова міцність, тобто механічна міцність
рідкоскляних сумішей після термічного впливу в
процесі лиття. На відміну від традиційних ливарних
стрижнів, де висока залишкова міцність є недоліком,
у захисних литих модулях, які працюють в умовах
можливих ударів та проникнень, міцність наповнюва-
ча визначає його ефективність як бар’єра, здатного
поглинати енергію руйнування.
На межі метал-наповнювач важливе формуван-
ня перехідного шару за рахунок просочення мета-
лу в наповнювач [5] теплової та хімічної взаємодії,
що сприяє підвищенню міцності всієї конструкції. У
процесі теплової взаємодії рідке скло, яке входить
до складу наповнювача, зазнає дегідратації та пе-
реходить у склоподібну силікатну фазу. За рахунок
поєднання властивостей компонентів, металу та
піску, перехідний шар може слугувати як демпфер-
ний прошарок, що знижує передачу механічного на-
вантаження від оболонки до наповнювача.
Відомо, що міцність рідкоскляної суміші зале-
жить від вмісту рідкого скла, однак властивості
інтегрованого наповнювача в металі після лиття
можуть істотно змінюватися через дію різних ли-
варних чинників. Для дослідження властивостей
таких рідкоскляних сумішей після лиття може бути
використана методика, яка наведена у роботі [6],
зокрема щодо оцінки пробиваємості наповнювачів,
як властивості, що характеризує здатність немета-
левого наповнювача протидіяти проникненню в ньо-
го сторонніх тіл. Тому метою цієї роботи було виз-
начення впливу вмісту рідкого скла на пробивання
рідкоскляних наповнювачів у чавунних та сталевих
литих модулях.
2. Матеріали та методика досліджень. Для
досліджень за технологією лиття за моделями, що
газифікуються (ЛГМ), виготовляли чавунні та сталеві
зразки, внутрішню порожнину яких заповнювали
рідкоскляною сумішшю. Її отримували змішуванням
кварцового піску річкового (2К1О2025) та натрієвого
рідкого скла з модулем 2,9, яке використовували як
зв’язувальний компонент.
Вибір натрієвого рідкого скла як зв’язувального
компонента пов’язаний із його поширеністю в ли-
варному виробництві, а також із механізмом його
тверднення. Під час пров’ялювання рідкоскляної
суміші, яке може відбуватися за природних умов (при
кімнатній температурі) або штучно (при продувці ву-
глекислим газом), із суміші видаляється волога, та
утворюється міцний зв’язок між зернами кварцового
піску та рідким склом [7].
Виготовлені чавунні та сталеві зразки мали такі
розміри: висота — 50 мм, внутрішній діаметр —
50 мм, товщина стінки — 8 мм. Таку товщину обрано
для наближення теплових умов формування виливків
захисних модулів.
Вміст рідкого скла у рідкоскляній суміші змінювали
від 4 до 16 г на 100 г кварцового піску з кроком 2 г.
Масова частка рідкого скла у суміші, розрахована
як відношення маси рідкого скла до загальної маси
суміші, наведена в табл. 1.
Таблиця 1
Склади досліджуваних рідкоскляних сумішей
Позначення
чавунних зразків
Позначення
сталевих зразків
Маса піску, г Маса рідкого скла, г Масова частка
рідкого скла, %
1-1 1-2 100 4 3,8
2-1 2-2 100 6 5,7
3-1 3-2 100 8 7,4
4-1 4-2 100 10 9,1
5-1 5-2 100 12 10,7
6-1 6-2 100 14 12,3
7-1 7-2 100 16 13,8
Для одержання зразків, дослідну суміш
ущільнювали у пінополістиролових циліндрах трьо-
ма ударами на стандартному лабораторному копрі
(рис. 1). Після цього суміш 40 с продували вуглекис-
лим газом і пров’ялювали впродовж 24 годин. Потім
до пінополістиролових зразків приклеювали ливни-
кову систему і пензлем наносили на їхню поверхню
протипригарну фарбу, уникаючи її потрапляння на
поверхню стрижньової суміші. Після висихання про-
типригарного покриття модельні блоки формували у
контейнерах сухим кварцовим піском.
Заливання зразків виконували чавуном СЧ200 за
температури 1425 ºС та сталлю 35Л за температури
1610 ºС. Після охолодження зразків до кімнатної тем-
ператури їх відрізали від стояків.
Пробиваємість наповнювачів визначали за мето-
дикою, подібно до методу визначення вибивності [8],
оцінюючи роботу, необхідну для занурення бойка на
певну глибину. Для цього використовували стандар-
тний лабораторний копер, на нижньому кінці верти-
кального штоку якого кріпився бойок (діаметр 8 мм,
довжина 20 мм) із загостреним кінцем [6].
10 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
М.М. Дьяченко, П.Б. Калюжний, І.А. Шалевська та ін.
Для випробування на пробивання зразок встанов-
лювали на лабораторний копер, під зразок клали ме-
талеве кільце-підставку з отвором діаметром 50 мм.
Це забезпечувало вільне пробивання наповнювача із
нижньої частини зразка в міру занурення бойка. Ви-
пробування тривало до повного занурення бойка у
наповнювач (рис. 2). Роботу пробивання визначали
за формулою:
A = n·m·g·h,
де n — кількість ударів, необхідна для повного зану-
рення бойка у зразок; m — маса вантажу, кг; g — при-
скорення вільного падіння, м/с2; h — висота падіння
вантажу, м.
Маса вантажу копра складала 6,35 кг, висота його
падіння — 0,05 м. Тобто робота одного удару копра
складала приблизно 3,1 Дж.
Для кожного складу наповнювача випробовували
три зразки, після чого розраховували середнє зна-
чення роботи по зануренню бойка. Далі чавунні та Пінополістиролові циліндри з наповнювачем (суміш квар-
цового піску і рідкого скла)
Рис. 1.
Зразок на початку та наприкінці випробуваньРис. 2.
сталеві зразки розрізали вздовж вертикальної осі та
проводили вимірювання товщини перехідного шару з
використанням мікроскопа МПБ-3.
Також, для вивчення структурних змін у металі
безпосередньо біля межі контакту з наповнювачем,
був проведений мікроструктурний аналіз чавунних
зразків. Зокрема, оцінювали форму, розподіл та
кількість графітових включень, а також наявність це-
ментиту та перліту, оскільки ці параметри впливають
на механічні властивості металу, та всієї системи
«метал–наповнювач». Дослідження мікроструктури
проводили на виготовлених шліфах за допомогою
11ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
оптичного мікроскопа Leica при збільшеннях ×50 та
×100. Травлення виконували 4 % розчином HNO3 у
спирті для виявлення структури металевої основи.
Для оцінки впливу вмісту рідкого скла на твердість
чавунної матриці в зоні контакту з наповнювачем
було проведено вимірювання мікротвердості на
приладі ПМТ-3, навантаження 100 г. Вимірювання
виконували в трьох характерних зонах: на відстані
0,5 мм від краю зразка, посередині стінки оболонки
та в перехідному шарі.
3. Результати та обговорення
3.1. Випробування на пробивання. Результати
розрахунку середніх значень (за трьома випробуван-
нями) роботи пробивання чавунних і сталевих зразків
залежно від вмісту рідкого скла в наповнювачі пред-
ставлено на рис. 3.
Робота занурення бойка у рідкоскляний наповнювач у литих чавунних (а) і сталевих (б) оболонках залежно від вмісту рідкого
скла
Рис. 3.
12 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
М.М. Дьяченко, П.Б. Калюжний, І.А. Шалевська та ін.
Результати пробивання чавунних зразків показу-
ють, що при вмісті 4—8 г рідкого скла у наповнювачі,
робота пробивання є незначною, близько 80 Дж.
Починаючи з 10 г, вона зростає майже утричі, у
діапазоні 12—14 г спостерігається подальше дво-
кратне збільшення, а при 16 г збільшується до зна-
чення 698 Дж. Варто додати, що після повного за-
нурення бойка у зразках 1-1, 2-1, 3-1, 4-1 (з вмістом
4—10 г рідкого скла) при повному зануренні бойка
копра, з нижньої сторони випадала частина напо-
внювача у вигляді конуса. Для чавунних зразків 5-1,
6-1, 7-1 (з вмістом 12, 14 та 16 г рідкого скла на 100 г
піску) вибити наповнювач з оболонки не вдавалося,
що свідчить про його високу залишкову міцність.
Результати пробивання сталевих зразків показу-
ють, що при вмісті 4—10 г рідкого скла у наповнювачі,
робота пробивання також є невисокою. При 12 г
рідкого скла у наповнювачі, вона починає зростати,
при 14 г рідкого скла у наповнювачі робота проби-
вання збільшується у чотири рази, а при 16 г рідкого
скла у наповнювачі, зростає ще вдвічі порівняно із
попереднім зразком, досягаючи значення 1209 Дж.
При цьому, після повного занурення бойка у сталевих
зразках 1-2, 2-2, 3-2, 4-2, 5-2 (з вмістом 4–12 г рідкого
скла на 100 г піску), при повному зануренні бойка ко-
пра, з нижньої сторони випадала частина наповнюва-
ча у вигляді конуса. Зі зразків 6-2, 7-2 (з вмістом 14 та
16 г рідкого скла на 100 г піску) вибити наповнювач з
металевої оболонки не вдавалося.
Для чавунних та сталевих зразків зі збільшенням
вмісту рідкого скла в наповнювачі спостерігається
зростання роботи пробивання, однак характер цього
зростання відрізняється. Суттєве зростання стійкості
до пробивання спостерігається у чавунних зразках
при вмісті рідкого скла 12—14 г на 100 г кварцового
піску, а для сталевих, при вмісті 14—16 г.
Різниця в роботі пробивання між чавунними та
сталевими зразками при однаковому вмісті рідкого
скла пов’язана з залежністю міцності рідкоскляних
сумішей від температури та відповідно різними те-
пловими умовами у наповнювачі.
При зміцненні рідкоскляних сумішей шляхом
впливу СО2 на рідке скло відбувається утворен-
ня гелю кремнієвої кислоти, який зв’язує зерна
суміші. При цьому вода стає частиною гелю. Також
при зміцненні відбувається часткове видалення во-
ди із суміші шляхом нагрівання або в’ялення, рідке
скло перетворюється на склоподібний силікат, який
сприяє формуванню високої міцності ущільненій
рідкоскляній суміші. Найбільша міцність на стискання
досягається при нагріванні до температури 200 ºC,
а з подальшим підвищенням температури міцність
зменшується. Проте при температурах нагрівання
1000—1200 ºC відбувається вторинне підвищення
міцності рідкоскляних сумішей. Це пояснюється тим,
що рідкоплавкі сполуки, що утворюються між Na2O і
SiO2, огортають зерна піску і при охолодженні пере-
ходять у тверде тіло, зв’язуючи зерна у тверду масу
[9].
Варто зазначити, що силікати натрію, які входять
до складу рідкоскляних сумішей, мають темпера-
туру плавлення близько 800 ºС [8]. Тому вторинне
підвищення міцності може розпочинатися вже при цій
температурі. За нашими експериментальними дани-
ми (для чавуну) та розрахунковою оцінкою (для сталі),
при заливанні чавуном наповнювач прогрівається до
температур 800—900 ºC, а при заливанні сталлю —
до 900—1000 ºC.
Іншою причиною відмінних властивостей між ча-
вунними і сталевими зразками є усадка металевої
оболонки, що відбувається в процесі кристалізації
металу. Внаслідок усадки оболонка зменшується,
що призводить до додаткового обтиснення розташо-
ваного всередині оболонки наповнювача. Оскільки
усадка сталі є більшою, ніж чавуну, сталева оболон-
ка створює більший радіальний тиск на наповнювач.
За низької міцності наповнювача (за низького вмісту
рідкого скла) утворені зв’язки між зернами піску мо-
жуть руйнуватися під дією усадкових напружень в
металевій оболонці, тоді як при достатньому вмісті
рідкого скла те саме стиснення додатково ущільнює
наповнювач та підвищує його міцність. Тому в ста-
левих зразках вплив усадки на залишкову міцність
проявляється при вмісті 4—12 г рідкого скла на 100 г
кварцового піску, а у чавунних лише до вмісту 8 г
рідкого скла, що і відображається на роботі проби-
вання.
3.2. Товщина перехідного шару. Для визначен-
ня чи впливає на показник стійкості до пробивання
наповнювача величина перехідного шару проводили
вимірювання його товщини. За допомогою оптично-
го мікроскопа МПБ-2, при збільшенні ×24, вивчали
розрізані зразки та вимірювали по всій висоті оболон-
ки мінімальну та максимальну товщину перехідного
шару (рис. 4). На рис. 5 представлено розрізані
чавунні та сталеві зразки.
Як видно з рис. 4, перехідний шар у чавунних зраз-
ках є в 2–4 рази товщим ніж у сталевих незалежно
від вмісту рідкого скла. При цьому чіткої залежності
товщини від вмісту рідкого скла не спостерігається
для жодного з типів сплавів. Для чавунних виливків
найтовщий перехідний шар зафіксовано у зразка 2-1
(до 4 мм), а найтонший — у зразка 7-1 (1,5—2,0 мм).
У сталевих виливках найтовщий шар був у зразка
1-2 (1,2—1,6 мм), а найтонший — у зразках 5-2 і 7-2
(0,5—0,7 мм).
Формування перехідного шару є складним
тепломасообмінним процесом. В дослідженні [10] за-
значено, що температура розм’якшення натрієвого
силікатного скла при збільшенні модуля від 2,07 до
3,87 підвищується з 590 до 665 ºС, а температура
розтікання — з 760 до 870 ºС. У цьому температур-
ному діапазоні відбувається видалення вологи із
суміші, що призводить до утворення порового про-
стору, в який під дією капілярних сил проникає рідкий
метал, забезпечуючи просочення [11], а також мож-
ливе спікання кварцових зерен, що створює міцний
зв’язок після охолодження [12, 13].
Чавун, завдяки кращій рідкоплинності та кра-
щому змочуванню кварцових зерен порівняно зі
сталлю, проникає глибше в поровий простір напо-
внювача, формуючи товстіший перехідний шар.
13ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
Товщина перехідного шару для чавунних та сталевих зразків залежно від вмісту рідкого скла у наповнювачіРис. 4
Розрізані чавунний (а) та сталевий зразки (б) для проведення вимірювання товщини перехідного шаруРис. 5
14 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
М.М. Дьяченко, П.Б. Калюжний, І.А. Шалевська та ін.
Це підтверджується тим, що навіть при нижчій
температурі заливання чавуну, товщина перехідного
шару в чавунних зразках є в 2—4 рази більшою, ніж
у сталевих. Крім того, в роботі [8] зазначено, що зі
збільшенням вмісту вуглецю з 2,2 % до 2,8 % робота
адгезії силікатного розплаву зростає стрибкоподібно,
тому для чавуну адгезія з наповнювачем є мак-
симальною, що сприяє формуванню товстого та
міцного перехідного шару, а для низьковуглецевої
сталі адгезія є значно нижчою, що обмежує товщину
перехідного шару.
Із отриманих результатів можна зробити висно-
вок, що товщина перехідного шару не є визначаль-
ним критерієм залишкової міцності. Навіть при тон-
шому перехідному шарі наповнювач з 13,8 % рідкого
скла у сталевих оболонках має вищу стійкість до
пробивання, ніж у чавунних, що обумовлено в пер-
шу чергу міцністю самої рідкоскляної суміші. З іншого
боку, наявність перехідного шару позитивно впливає
на з’єднання між металевою оболонкою та неметале-
вим наповнювачем. Перехідний шар може виконува-
ти роль демпферного прошарку, який частково буде
поглинати та розсіювати енергію удару і перешкод-
жати руйнуванню конструкції системи «метал–напо-
внювач» при динамічних навантаженнях.
3.3. Мікроструктурний аналіз в зоні контакту
чавуну з наповнювачем. Для оцінки можливого
впливу вмісту рідкого скла на формування структу-
ри перехідного шару, чавунні зразки з мінімальним
№ 1-1 та максимальним № 7-1 вмістом рідкого
скла, серед наявних зразків, вивчали на оптичному
мікроскопі при збільшеннях ×50 та ×100 (рис. 6).
Дослідження зразка № 1-1 в нетравленому стані
показало, що у структурі чавуну спостерігається
Мікроструктура перехідного шару у чавунних зразках 1-1 (а, б) і 7-1 (в, г) в нетравленому стані (а, в) і травленому стані (б, г) при
збільшенні ×50
Рис. 6
графіт у вигляді окремих пластинчастих колоній, з
нерівномірним розподілом та ділянками збіднення
графітом біля поверхні, що контактувала з наповню-
вачем. Після травлення чавунна матриця представ-
лена пластинчастим перлітом з невеликою кількістю
цементиту, при цьому на окремих ділянках біля
поверхні виявлено локальне збільшення вмісту це-
ментиту до 4 %. Утворення включень цементиту може
бути викликане локальним підвищенням швидкості
охолодження металу у поверхневому шарі оболонки.
Дослідження зразка № 7-1 в нетравленому
стані показало, що графітні включення мають пла-
стинчасту форму, їх розподіл більш рівномірний,
при цьому змін у кількості графіту біля поверхні не
спостерігається. Після травлення металічна основа
представлена пластинчастим перлітом з цементи-
том у меншій кількості, до 2 %, порівняно зі зразком
№ 1-1, що розташований переважно у вигляді окре-
мих включень при більш однорідній структурі, без ви-
ражених зон локального утворення цементиту.
Рівномірний розподіл графіту та зменшення
кількості цементиту в зоні контакту (зразок № 7-1) є
сприятливими факторами для підвищення в’язкості
та зниження крихкості чавунної матриці.
3.4. Мікротвердість чавунної матриці та
перехідного шару. Для порівняння властивостей
чавунної матриці в перехідному шарі та оболонці про-
вели визначення мікротвердості в зразках 1-1 та 7-1
на відстані 0,5 мм від краю (зі сторони перехідного
шару), посередині стінки оболонки та безпосеред-
ньо в зоні перехідного шару. Отримані значення
мікротвердості чавуну для всіх зон перебувають у
15ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
Таблиця 2
Мікротвердість у різних зонах чавунних зразків
Зона вимірювання Зразок 1-1 Зразок 7-1
Середні значення,
МПа
0,5 мм від краю 2390 1784
Середина стінки оболонки 2505 2314
Перехідний шар 2441 2763
діапазоні 1700—2800 МПа (табл. 2).
Проведені дослідження показують, що істотних
відмінностей у твердості металевої матриці чавуну
оболонки та перехідного шару не виявлено.
Висновки
У результаті проведення порівняльних досліджень
роботи пробивання та товщини перехідного шару
для чавунних і сталевих зразків з рідкоскляним напо-
внювачем при вмісті рідкого скла від 4 до 16 г на 100 г
піску можна зробити такі висновки:
1. Зі збільшенням вмісту рідкого скла в наповнювачі
спостерігається зростання роботи пробивання. Для
чавунних зразків істотне збільшення стійкості до про-
бивання наповнювача відбувається при вмісті рідкого
скла від 9,1 %, а для сталевих — від 12,3 %. Робота
пробивання наповнювачів при вмісті 10,7—13,8 %
рідкого скла у чавунних оболонках складає 539—
698 Дж, та при вмісті рідкого скла 12,3—13,8 % у ста-
левих оболонках — 574–1209 Дж.
2. Перехідний шар у чавунних зразках є товщим
(1,5—4,0 мм), ніж у сталевих зразках (0,5—1,6 мм),
незалежно від вмісту рідкого скла, що пояснюється
глибшим проникненням розплаву чавуну в пори на-
повнювача внаслідок кращої його рідкоплинності та
вищої адгезії силікатної фази до чавуну.
3. Мікроструктура та мікротвердість перехідного
шару й основного металу чавунних оболонок не
має суттєвих відмінностей та не залежить від вмісту
рідкого скла у наповнювачі.
4. Для системи «чавун–рідкоскляний наповню-
вач» рекомендованим є вміст рідкого скла 12—14 г
на 100 г піску (10,7—12,3 %), що забезпечує високу
роботу пробивання. Подальше збільшення до 16 г
(13,8 %) дає приріст міцності близько 8 %, що може
бути економічно недоцільним. Для системи «сталь–
рідкоскляний наповнювач» рекомендується вміст
рідкого скла 14—16 г на 100 г піску (12,3—13,8 %).
ЛІТЕРАТУРА
1. Бабич Є.М., Кочкарьов Д.И., Філіпчук С.В., Караван Б.В. Конструктивні рішення та розрахунки елементів захисних спо-
руд цивільного захисту з залізобетонними арочними покриттями. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та
споруди. 2021. № 39. С. 162—176. https://doi.org/10.31713/budres.v0i39.019
2. Калюжний П.Б., Шалевська І.А., Шинський О.Й. Розроблення ливарної технології одержання литого захисного модулю
за моделями, що газифікуються. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2023. № 4. С. 12—18.
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2023-4-2
3. Шинський О.Й., Шалевська І.А., Калюжний П.Б., Квасницька Ю.Г., Нейма О.В., Шалевський А.В. Особливості одержан-
ня литих модулів для побудови захисних споруд. Метал та лиття України. 2025. Т. 33. № 3–4 (342–343). С. 106—113.
https://doi.org/10.15407/steelcast2025.03-04.106
4. Shinsky O., Kvasnytska I., Shalevska I., Kaliuzhnyi P., Neima O. Devising a technology for manufacturing hollow cast steel
structures with composite and reinforced non-metallic functional filler. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies.
2024. Vol. 6, No. 12 (132). P. 6—14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.318553
5. Дьяченко М.М., Корнієць І.В. Дослідження процесів формування перехідного шару на межі сірий чавун–інтегрований
неметалевий наповнювач при одержанні легковагових виливків. Метал та лиття України. 2025. Т. 33. № 3–4 (342–
343). С. 119—130. https://doi.org/10.15407/steelcast2025.03-04.119
6. Калюжний П.Б., Дьяченко М.М. Оцінка пробиваємості рідкоскляних сумішей як наповнювача литих модулів. XVII
Міжнародна науково-технічна конференція «Нові матеріали і технології в машинобудуванні-2025»: матеріали конф.,
25—26 вересня 2025 р., Київ / за заг. ред. Р.В. Лютого. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025. С. 295—297.
7. Лясс А.М., Валисовский И.В. Об улучшении выбиваемости смесей с жидким стеклом. Литейное производство. 1961.
№ 9. С. 33—36.
16 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
М.М. Дьяченко, П.Б. Калюжний, І.А. Шалевська та ін.
1. Babych, Y. M., Kochkarev, D. I., Filipchuk, S. V., & Karavan, B. V. (2021). Constructional solutions and calculations of elements
of protective structures of civil protection with reinforced concrete arched coatings. Resource-saving materials, structures,
buildings and structures, (39), 162-176. https://doi.org/10.31713/budres.v0i39.019 [in Ukrainian].
2. Kaliuzhnyi, P. B., Shalevska, I. A., & Shinsky, O. Y. (2023). Development of a foundry technology for obtaining a cast protective
module by lost foam casting. New Materials and Technologies in Metallurgy and Mechanical Engineering, (4), 12-18. https://
doi.org/10.15588/1607-6885-2023-4-2 [in Ukrainian].
3. Shinsky, O. Y., Shalevska, I. A., Kaliuzhnyi, P. B., Kvasnytska, Yu. H., Neima, O. V., & Shalevskyi, A. V. (2025). Features of
obtaining cast modules for the construction of protective structures. Metal and Casting of Ukraine, 33(3-4)(342-343), 106-113.
https://doi.org/10.15407/steelcast2025.03-04.106 [in Ukrainian].
4. Shinsky, O., Kvasnytska, I., Shalevska, I., Kaliuzhnyi, P., & Neima, O. (2024). Devising a technology for manufacturing hollow
cast steel structures with composite and reinforced non-metallic functional filler. Eastern-European Journal of Enterprise
Technologies, 6(12), 6-14. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.318553
5. Diachenko, M. M., & Korniets, I. V. (2025). Investigation of the processes of transition layer formation at the interface of gray
cast iron – integrated non-metallic filler in the production of lightweight castings. Metal and Casting of Ukraine, 33(3-4)(342-
343), 119-130. https://doi.org/10.15407/steelcast2025.03-04.119 [in Ukrainian].
6. Kaliuzhnyi, P. B., & Diachenko, M. M. (2025). Otsinka probyvaiemosti ridkosklianykh sumishei yak napovniuvacha lytykh
moduliv [Evaluation of the penetration resistance of sodium silicate mixtures as a filler for cast modules]. In R. V. Liutyi (Ed.),
XVII International Scientific and Technical Conference "New Materials and Technologies in Mechanical Engineering-2025".
Kyiv: KPI named after Ihor Sikorskyi, pp. 295-297 [in Ukrainian].
7. Lyass, A. M., & Valisovskyi, I. V. (1961). Ob uluchshenii vyibivaemosti smesey s zhidkim steklom [On improving the knockout
properties of mixtures with liquid glass]. Foundry Production, (9), 33-36 [in Russian].
8. Medvedev, Ya. I., & Valisovsky, I. V. (1973). Tehnologicheskie ispyitaniya formovochnyih materialov [Technological testing of
molding materials]. Mashinostroenie [in Russian].
9. Holofaiev, A. M., Lahuta, V. I., & Khinchahov, G. V. (2001). Tekhnolohiia lyvarnoi formy: navch. posib. [Foundry mold technology.
Study guide]. SNU Publishing House [in Ukrainian].
10. Weldes, H. H., & Lange, K. R. (1969). Properties of Soluble Silicates. Industrial and Engineering Chemistry, 61(4), 29-44.
https://doi.org/10.1021/ie50712a008
11. Liutyi, R. V., & Huria, I. M. (2020). Formuvalni materialy: pidruchnyk dlia stud. spetsialnosti 136 “Metalurhiia”, osvit. prohramy
“Kompiuteryzovani protsesy lyttia” [Forming Materials: A Textbook for Students Majoring in 136 “Metallurgy,” Educational
Program “Computerized Casting Processes”]. KPI named after Ihor Sikorskyi [in Ukrainian].
12. Song, L., Liu, W., Xin, F., & Li, Y. (2021). Study of adhesion properties and mechanism of sodium silicate binder reinforced with
silicate fume. International Journal of Adhesion and Adhesives, 106, 102820. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2021.102820
13. Anwar, N., Jalava, K., & Orkas, J. (2023). Experimental study of inorganic foundry sand binders for mold and cast quality.
International Journal of Metalcasting, 17, 1697-1714. https://doi.org/10.1007/s40962-022-00897-4
Надійшла/Received 24.04.2026
Прийнята/Accepted 21.05.2026
Опублікована/Published 29.05.2026
REFERENCES
8. Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. Москва: Машиностроение,
1973. 312 с.
9. Голофаєв А.М., Лагута В.І., Хінчагов Г.В. Технологія ливарної форми: навч. посіб. М-во освіти і науки України, Східноукр.
нац. ун-т. Луганськ: Вид-во СНУ, 2001. 300 с.
10. Weldes H.H., Lange K.R. Properties of Soluble Silicates. Industrial and Engineering Chemistry. 1969. Vol. 61, Iss. 4.
P. 29—44. https://doi.org/10.1021/ie50712a008
11. Лютий Р.В., Гурія І.М. Формувальні матеріали: підручник для студ. спеціальності 136 «Металургія», освіт. програми
«Комп’ютеризовані процеси лиття» / КПІ ім. Ігоря Сікорського. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 257 с.
12. Song L., Liu W., Xin F., Li Y. Study of adhesion properties and mechanism of sodium silicate binder reinforced with
silicate fume. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2021. Vol. 106, article 102820. https://doi.org/10.1016/j.
ijadhadh.2021.102820
13. Anwar N., Jalava K., Orkas J. Experimental Study of Inorganic Foundry Sand Binders for Mold and Cast Quality. International
Journal of Metalcasting. 2023. Vol. 17. P. 1697—1714. https://doi.org/10.1007/s40962-022-00897-4
17ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 8-17
Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів
Summary
M.M. Diachenko, PhD student, e-mail: maximail@ukr.net,
https://orcid.org/0009-0002-4957-9407
P.B. Kaliuzhnyi, PhD (Engin.), Deputy Director,
e-mail: kpb.ptima@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-1111-4826
I.A. Shalevska, Dr. Sci. (Engin.), Associate Professor, Deputy Director,
e-mail: innashalevska@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-8410-7045
S.V. Gnyloskurenko, PhD (Engin.), Senior Researcher, Head of the
Department, e-mail: slava.vgn@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-0201-7191
V.O. Ovsiannikov, Chief Technologist, e-mail: otdel.vch@gmail.com
Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the National Academy
of Sciences of Ukraine (Kyiv, Ukraine)
Determining the Influence of Sodium Silicate Content in the Filler of Cast Iron and Steel Cast
Modules on Penetration Resistance Indicators
The article investigates the effect of sodium silicate content on the penetrability of liquid glass sand fillers integrated
into cast iron and steel shells obtained by lost foam casting (LFC). Samples with a sodium silicate content of 4 to 16 g per 100 g
of quartz sand were produced for testing using a laboratory drop hammer according to a method adapted for evaluating the
knock-out properties of molding sands. It was found that the penetration work increases with increasing sodium silicate con-
tent. For cast iron shells, a significant increase in resistance to penetration begins at a sodium silicate content of 9.1 %, while
for steel shells – from 12.3 %. The transition layer between the metal and the filler in cast iron samples is 2–4 times thicker
(1.5–4.0 mm) than in steel samples (0.5–1.6 mm), which is explained by the better fluidity of cast iron and higher adhesion of
the silicate phase to cast iron. At the same time, the microstructure and microhardness of the transition layer do not depend
on the sodium silicate content. For the "cast iron – liquid glass filler" system, a sodium silicate content of 12–14 g per 100 g
of sand is recommended, and for the "steel – liquid glass filler" system – 14–16 g. The obtained results allow using the liquid
glass filler as an effective substitute for part of the metal in cast modules of protective and load-bearing structures.
Keywords
Cast composite materials; lost foam casting; cast iron and steel casting; liquid glass mixture;
penetrability; transition layer; functional filler; residual strength.
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-326 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-30T01:00:34Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/30/e5b5d5c63577d63f280caf84d6138730.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-3262026-06-29T12:17:17Z Determining the Influence of Sodium Silicate Content in the Filler of Cast Iron and Steel Cast Modules on Penetration Resistance Indicators Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання Дьяченко, М.М. Калюжний, П.Б. Шалевська, І.А. Гнилоскуренко, С.В. Овсянников, В.О. Cast composite materials lost foam casting cast iron and steel casting liquid glass mixture penetrability transition layer functional filler residual strength литі композиційні матеріали лиття за моделями, що газифікуються чавунне та сталеве лиття рідкоскляна суміш пробиваємість перехідний шар функціональний наповнювач залишкова міцність The article investigates the effect of sodium silicate content on the penetrability of liquid glass sand fillers integrated into cast iron and steel shells obtained by lost foam casting (LFC). Samples with a sodium silicate content of 4 to 16 g per 100 g of quartz sand were produced for testing using a laboratory drop hammer according to a method adapted for evaluating the knock-out properties of molding sands. It was found that the penetration work increases with increasing sodium silicate con- tent. For cast iron shells, a significant increase in resistance to penetration begins at a sodium silicate content of 9.1 %, while for steel shells – from 12.3 %. The transition layer between the metal and the filler in cast iron samples is 2–4 times thicker (1.5–4.0 mm) than in steel samples (0.5–1.6 mm), which is explained by the better fluidity of cast iron and higher adhesion of the silicate phase to cast iron. At the same time, the microstructure and microhardness of the transition layer do not depend on the sodium silicate content. For the "cast iron – liquid glass filler" system, a sodium silicate content of 12–14 g per 100 g of sand is recommended, and for the "steel – liquid glass filler" system – 14–16 g. The obtained results allow using the liquid glass filler as an effective substitute for part of the metal in cast modules of protective and load-bearing structures. У статті досліджено вплив вмісту рідкого скла на пробиваємість рідкоскляних піщаних наповнювачів, інтегрованих у чавунні та сталеві оболонки, отримані методом лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ). Були виготовлені зразки з вмістом рідкого скла від 4 до 16 г на 100 г кварцового піску для проведення випробування з використанням лабораторного копра за методикою, адаптованою для оцінки вибивності ливарних сумішей. Встановлено, що робота пробивання зростає зі збільшенням вмісту рідкого скла. Для чавунних оболонок істотне зростання стійкості до пробивання починається при вмісті рідкого скла 9,1 %, а для сталевих — від 12,3 %. Перехідний шар між металом і наповнювачем у чавунних зразках є в 2—4 рази товщим (1,5—4,0 мм), ніж у сталевих (0,5—1,6 мм), що пояснюється кращою рідкоплинністю чавуну та вищою адгезією силікатної фази до чавуну. Водночас мікроструктура та мікротвердість перехідного шару не залежать від вмісту рідкого скла. Рекомендовано застосовувати для системи «чавун — рідкоскляний наповнювач» вміст рідкого скла 12—14 г на 100 г піску, а для системи «сталь — рідкоскляний наповнювач» — 14–16 г. Отримані результати дозволяють використовувати рідкоскляний наповнювач як ефективну заміну частини металу в литих модулях захисних та несучих конструкцій. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-05-29 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/326 10.15407/steelcast2026.02.008 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 2 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 8-17 Метал та лиття України ; Том 34 № 2 (2026): Метал та лиття України; 8-17 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/326/319 Авторське право (c) 2026 М.М. Дьяченко, П.Б. Калюжний, І.А. Шалевська, С.В. Гнилоскуренко, В.О. Овсянников https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | литі композиційні матеріали лиття за моделями що газифікуються чавунне та сталеве лиття рідкоскляна суміш пробиваємість перехідний шар функціональний наповнювач залишкова міцність Дьяченко, М.М. Калюжний, П.Б. Шалевська, І.А. Гнилоскуренко, С.В. Овсянников, В.О. Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title | Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title_alt | Determining the Influence of Sodium Silicate Content in the Filler of Cast Iron and Steel Cast Modules on Penetration Resistance Indicators |
| title_full | Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title_fullStr | Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title_full_unstemmed | Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title_short | Визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| title_sort | визначення впливу вмісту рідкого скла в наповнювачі чавунних і сталевих литих модулів на показники його стійкості до пробивання |
| topic | литі композиційні матеріали лиття за моделями що газифікуються чавунне та сталеве лиття рідкоскляна суміш пробиваємість перехідний шар функціональний наповнювач залишкова міцність |
| topic_facet | Cast composite materials lost foam casting cast iron and steel casting liquid glass mixture penetrability transition layer functional filler residual strength литі композиційні матеріали лиття за моделями що газифікуються чавунне та сталеве лиття рідкоскляна суміш пробиваємість перехідний шар функціональний наповнювач залишкова міцність |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/326 |
| work_keys_str_mv | AT dʹâčenkomm determiningtheinfluenceofsodiumsilicatecontentinthefillerofcastironandsteelcastmodulesonpenetrationresistanceindicators AT kalûžnijpb determiningtheinfluenceofsodiumsilicatecontentinthefillerofcastironandsteelcastmodulesonpenetrationresistanceindicators AT šalevsʹkaía determiningtheinfluenceofsodiumsilicatecontentinthefillerofcastironandsteelcastmodulesonpenetrationresistanceindicators AT gniloskurenkosv determiningtheinfluenceofsodiumsilicatecontentinthefillerofcastironandsteelcastmodulesonpenetrationresistanceindicators AT ovsânnikovvo determiningtheinfluenceofsodiumsilicatecontentinthefillerofcastironandsteelcastmodulesonpenetrationresistanceindicators AT dʹâčenkomm viznačennâvplivuvmísturídkogosklavnapovnûvačíčavunnihístalevihlitihmodulívnapokaznikijogostíjkostídoprobivannâ AT kalûžnijpb viznačennâvplivuvmísturídkogosklavnapovnûvačíčavunnihístalevihlitihmodulívnapokaznikijogostíjkostídoprobivannâ AT šalevsʹkaía viznačennâvplivuvmísturídkogosklavnapovnûvačíčavunnihístalevihlitihmodulívnapokaznikijogostíjkostídoprobivannâ AT gniloskurenkosv viznačennâvplivuvmísturídkogosklavnapovnûvačíčavunnihístalevihlitihmodulívnapokaznikijogostíjkostídoprobivannâ AT ovsânnikovvo viznačennâvplivuvmísturídkogosklavnapovnûvačíčavunnihístalevihlitihmodulívnapokaznikijogostíjkostídoprobivannâ |