Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Москва, Россия

В. Е. Баженов, доцент кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ), канд. техн. наук, эл. почта: v.e.bagenov@gmail.com
Е. П. Ковышкина, аспирант кафедры ЛТиХОМ, эл. почта: lena.kovyshkina@yandex.ru
А. А. Никитина, учебный мастер кафедры ЛТиХОМ, эл. почта: nikitina.misis@gmail.com
А. В. Колтыгин, доцент кафедры ЛТиХОМ, канд. техн. наук, эл. почта: misistlp@mail.ru

Водорастворимые солевые модели на основе карбамида часто используют при изготовлении крупногабаритных корпусных отливок методом литья по выплавляемым моделям ввиду высокой прочности и низкой величины линейной усадки. Однако в настоящее время на предприятиях осуществляют постепенный переход на технологический процесс, где в качестве связующего для изготовления оболочковых форм вместо гидролизованного раствора этилсиликата применяют водные связующие на основе силиказоля, что требует дополнительных исследований возможных взаимодействий модели и связующего. Рассмотрено влияние компонентов модельных масс (сульфата магния, нитрата калия, поливинилового спирта и диметилглиоксима) на свойства солевых модельных составов. С помощью ротационного вискозиметра исследовано влияние добавок на характер кристаллизации и определена температура когерентности модельных составов, которая находилась в интервале 112–126 oC. Наиболее низкая температура когерентности наблюдается для модельных составов с добавкой нитрата калия. Измерения линейной усадки, выполненные с применением ручного 3D-сканера, позволили установить, что в зависимости от состава модельные массы имеют низкую линейную усадку (0,3–0,55 %), величина которой хорошо коррелирует с величиной температуры когерентности. Чем выше температура когерентности модельной массы, тем ниже линейная усадка, и наоборот. Оценку взаимодействия водного связующего с модельными массами производили по краевому углу смачивания и площади растекания. Были получены противоречивые результаты для двух методов, но в целом можно сказать, что добавка поливинилового спирта и диметилглиоксима способствует повышению краевого угла смачивания, а значит, способствует снижению степени взаимодействия связующего с модельной массой. Измерения шероховатости с помощью профилометра показали, что модельные составы обеспечивают низкую шероховатость моделей в пределах Rz 3,2–6,8 мкм при затвердевании модельной массы в металлической форме. Механические испытания по схеме трехточечного изгиба показали, что добавки нитрата калия и поливинилового спирта обеспечивают значительное упрочнение модельных масс, и максимальное значение предела прочности на изгиб составило 15,9 МПа.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Постановления Правительства № 218 по Соглашению о предоставлении субсидии № 075-11-2022-023 от 06.04.2022 г. «Создание технологии изготовления уникальных крупногабаритных отливок из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, ориентированной на использование отечественного оборудования и организацию современного ресурсоэффективного, компьютероориентированного литейного производства».

1. Kanyo J. E., Schafföner S., Sharon Uwanyuze R., Leary K. S. An overview of ceramic molds for investment casting of nickel superalloys // Journal of the European Ceramic Society. 2020. Vol. 40. P. 4955–4973.
2. Selvaraj S. K., Sundaramali G., Dev S. J., Swathish R. S. et al. Recent advancements in the field of Ni-based superalloys // Advances in Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 2021. 9723450.
3. Kumar S., Karunakar D. B. Development of wax blend pattern and optimization of injection process parameters by grey-fuzzy logic in investment casting process // International Journal of Metalcasting. 2022. Vol. 16. P. 962–972.
4. Pradyumna R., Sridhar S., Satyanarayana A., Chauhan A. S. et al. Wax patterns for integrally cast rotors/stators of aeroengine gas turbines // Materials Today: Proceedings. 2015. Vol. 2, Iss. 4-5. P. 1714–1722.
5. Прокопчук Н. Р., Горщарик Н. Д., Клюев А. Ю., Козлов Н. Г. и др. Модельные составы для точного литья // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наук. 2015. № 4. C. 122–128.
6. Пат. 2123902 РФ. Модельная композиция для выплавляемых моделей / Дубровский В. А. ; заявл. 13.11.1997 ; опубл. 27.12.1998.
7. Усков Д. И. Стержневой состав для получения прецизионных отливок // Молодежь и наука: сборник материалов Х Юбилейной Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 80-летию образования Красноярского края (15–25 апреля 2014 г.). — Красноярск : Сибирский федеральный ун-т, 2014. С. 1–4.
8. Громаков А. И., Михнев М. М., Усков Д. И. Смесь для изготовления водорастворимых стержней // Материалы Международной научной конференции «Решетневские чтения» (9–12 нояб. 2016 г.). Т. 2. — Красноярск : ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева», 2016. С. 332–333.
9. Pat. 4,939,187 US. Pattern material for making foundry patterns for use in investments casting process / Fujitta T. 1990.
10. Пат. 2499651 РФ. Способ изготовления керамических форм по растворяемым моделям / Стадничук В. И. ; заявл. 20.07.2012 ; опубл. 27.11.2013.
11. Лакеев А. С., Щегловитов Л. А., Кузьмин Ю. Д. Прогрессивные способы изготовления точных отливок. — Киев : Техника, 1984. — 160 с.
12. А. С. 602288 СССР. Композиция для изготовления водорастворимых моделей / Е. И. Сумин, Л. П. Андрианов ; заявл. 17.02.1976 ; опубл. 15.04.1978.
13. Marutani Y., Kamitani T. Manufacturing sacrificial patterns for casting by salt powder lamination // Rapid Prototyping Journal. 2004. Vol. 10, Iss. 5. P. 281–287.
14. Seyedraoufi Z. S., Mirdamadi Sh. Synthesis, microstructure and mechanical properties of porous Mg – Zn scaffolds // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2013. Vol. 21. P. 1–8.
15. Wen C. E., Yamada Y., Shimojima K., Chino Y. et al. Compressibility of porous magnesium foam: dependency on porosity and pore size // Materials Letters. 2004. Vol. 58, Iss. 3-4. P. 357–360.
16. Hao G. L., Han F. S., Li W. D. Processing and mechanical properties of magnesium foams // Journal of Porous Materials. 2009. Vol. 16. P. 251–256.
17. Rutto H. K. Urea-based moulding compounds for investment casting: Thesis for the degree Philosophiae Doctor in Chemical Engineering. — Pretoria : University of Pretoria, 2006.
18. Литье по выплавляемым моделями / под ред. Я. И. Шкленника и В. А. Озерова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Машиностроение, 1971. — 436 с.
19. Баженов В. Е., Ковышкина Е. П., Колтыгин А. В., Белов В. Д. и др. Разработка разделительного состава для растворяемых солевых моделей при литье по выплавля емым моделям // Литейное производство. 2023. № 6. С. 30–37.
20. Чуркин Б. С., Чуркин А. Б., Категоренко Ю. И. Специальные способы литья: учебно-методическое пособие / под ред. Б. С. Чуркина. — Екатеринбург : Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2012. — 189 с.
21. Rutto H., Focke W. Thermomechanical properties of ureabased pattern molding compounds for investment casting // International Polymer Processing. 2010. Vol. 25, Iss. 1. P. 15–22.
22. Bazhenov V. E., Sannikov A. V., Kovyshkina E. P., Koltygin A. V. et al. The Influence of Injection Temperature and Pressure on Pattern Wax Fluidity // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. Vol. 7. 141.
23. Dahle A. K., Tøndel P. A., Paradies C. J., Arnberg L. Effect of grain refinement on the fluidity of two commercial Al – Si foundry alloys // Metall. Mater. Trans. A. 1996. Vol. 27. P. 2305–2313.
24. Dahle A. K., Arnberg L. Development of strength in solidifying aluminium alloys // Acta Mater. 1997. Vol. 45. P. 547– 559.