Search

Кулаков Борис Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой пирометаллургических и литейных технологий, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; kulakovba@susu.ru. Дубровин Виталий Константинович, д-р техн. наук, профессор кафедры пирометаллургических и литейных технологий, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; dubrovinvk@susu.ru. Карпинский Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры пирометаллургических и литейных технологий, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; karpinskiiav@susu.ru. Каркарин Александр Михайлович, заведующий лабораторией кафедры пирометаллургических и литейных технологий, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; karkarinam@susu.ru. B.A. Kulakov, kulakovba@susu.ru, V.K. Dubrovin, dubrovinvk@susu.ru, A.V. Karpinskiy, karpinskiiav@susu.ru, A.M. Karkarin, karkarinam@susu.ru South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) относится к современным способам литья, обеспечивающим высокую производительность, размерную и весовую точность отливок из сплавов чёрных и цветных металлов, снижение расхода формовочных материалов, исключение применения стержней, а, следовательно, стержневых ящиков и оборудования для изготовления стержней. Наряду с закономерностями формообразования большое значение имеют и процессы формирования самой отливки. Особенно важны процессы объёмной усадки отливки при кристаллизации залитого в форму металла, что во многом определяет качество литых заготовок, расход металла на прибыли и литниковые системы, т. е. технологический выход годного и себестоимость отливок. Поэтому экзотермический разогрев металла прибылей отливок, позволяющий сократить расход металла на прибыли, и, тем самым, увеличить технологический выход годного является актуальной задачей литейного производства. При ЛГМ возникают особые условия: вакуумирование форм при заливке металла и его кристаллизации, формирование в них восстановительной атмосферы из углеводородов – продуктов термодеструкции пенополистирольной модели, эндотермический эффект от газификации модели и последующего пиролиза её продуктов. Всё это влияет на протекание экзотермической реакции. В ходе проведенных исследований определены четыре основных фактора, обеспечивающих эффективную работу экзотермических смесей, а также два типа экзовставок. Исследования проводились с использованием синхронного термического анализатора, дифрактометра и оптико-эмиссионного спектрометра. Особенность процесса заключается также в том, что экзовставки устанавливаются в модель прибыли, и разогрев металла происходит изнутри, а не снаружи прибыли. В основу положена экзосмесь, содержащая в качестве восстановителя порошки алюминия и силикокальция, а окислителя – оксид железа Fe2O3. Лабораторные и производственные испытания разработанной экзосмеси показали эффективность её применения в ЛГМ, позволяющую снизить расход металла на прибыли до 25 % при литье углеродистых сталей и высокопрочного чугуна. Lost foam casting (LFM) refers to modern casting methods providing high productivity, dimensional and weight accuracy of castings from ferrous and non-ferrous alloys, cost saving of molding materials, exclusion of the use of cores and, as a consequence, coreboxes and equipment for core molding. Alongside with the laws of molding, the processes of formation of the casting itself are very important. Processes of volumetric shrinkage of the casting during crystallization of the metal flooded into the molding box are particularly important since they largely determine the quality of cast sections, metal consumption on heads and pouring gate systems, and thus the process yield and prime cost of the castings. That is why exothermic heating-up of the deadhead metal allowing to reduce metal consumption on heads, and thus to increase the process yield, is a crucial task of the foundry production. In the process of LFM specific conditions appear: mold box evacuation during casting into molds and metal crystallization, formation of reducing atmosphere in them from carbohydrates (products of thermal degradation of polystyrene foam model), endothermic effect from model gasification and the following pyrolysis of its products. All this influences the exothermic reaction behaviour. The research reveals four main factors providing effective work of exothermic mixtures, and also two types of exo-inserted pieces. The research was performed with the use of a synchronous thermal analyser, diffractometers and optic emission spectrometer. Another peculiarity of the process is also in that exo-inserted pieces are put into the head model and metal heating-up occurs not outside the head, but inside it. It is based on the exo-mixture containing aluminium and silicocalcium powder as a reducing agent and iron oxide Fe2O3 as an oxidant. Laboratory and industrial testings of the generated exo-mixture showed the effectiveness of its use in LFM, that allows to reduce metal consumption on heads by up to 25 % in casting carbon steel and ductile iron. Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного литейного производства по газифицируемым моделям с использованием экзотермических процессов и наноструктурированных материалов» по договору № 02.G25.31.0183 от 26.04.2016 г. между Министерством образования и науки Российской Федерации и Обществом с ограниченной ответственностью Производственная компания «Ходовые системы» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР – Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Ганеев Альмир Амирович, д-р техн. наук, профессор кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; kmitlp@mail.ru. Деменок Олег Борисович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; kmitlp@mail.ru. Мамлеев Рафиль Фаритович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; kmitlp@mail.ru. Павлинич Сергей Петрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; kmitlp@mail.ru. Деменок Анна Олеговна, аспирант кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; nu5tochka@mail.ru. Кулаков Борис Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой литейного производства, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; kulakovba@susu.ru. A.A. Ganeev1, kmitlp@mail.ru, O.B. Demenok1, kmitlp@mail.ru, R.F. Mamleev1, kmitlp@mail.ru, S.P. Pavlinich1, kmitlp@mail.ru, A.O. Demenok1, nu5tochka@mail.ru, B.A. Kulakov2, kulakovba@susu.ru 1 Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation, 2 South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation Повышение требований к литым охлаждаемым лопаткам ГТД и усложнение их внутренней конструкции обуславливает необходимость изыскания новых составов стержневых масс с более высокой прочностью и стойкостью к термическим ударам, химической инертностью к жаропрочным сплавам, малым коэффициентом термического расширения и высокой точностью геометрических размеров. На основе патентных исследований теоретически обоснован и предложен новый химический состав стержневой смеси. С целью оптимизации фракционного состава стержневой смеси проведен анализ способов упаковки полидисперсных частиц в композитных материалах. Из него следует, что большинство рассмотренных методов имеют теоретическую направленность, а предлагаемые расчетные формулы, которые используются при изготовлении технической керамики, бетонов и асфальтов, не могут быть однозначно использованы при изготовлении стержней, так как они не учитывают отличительные особенности формирования фракционного состава стержней. Особенностью строения стержня является наличие каркасообразующих фракций. Они формируют конструкцию стержня, непосредственно соприкасаясь друг с другом в геометрически правильном порядке. От этих фракций зависит размерная стабильность, склонность к усадке и короблению стержня, максимально возможная объемная доля дисперсной фазы В результате разработанной методики выбрана размерная последовательность фракционного состава порошков и расчетным методом проведена оптимизация химического и фракционного состава стержневой смеси. Исследования физико-механических свойств образцов, изготовленных из новой стержневой смеси, показали, что они имеют более высокие свойства, меньшую склонность к короблению, усадке и низкий коэффициент термического расширения по сравнению с серийным составом. Из опытной стержневой смеси были изготовлены стержни для полых лопаток, которые дали положительные результаты. Брак по короблению, слому стержня снижен более чем в 2 раза. Применение смеси позволяет повысить предел прочности стержней при изгибе σизг = 24…26 МПа. Снизить линейную усадку до 0,1–0,2 % и глубину взаимодействия со сплавом ЖС6У до 0, 04–0,06 мм. Новый стержневой состав с оптимизированным химическим и фракционным составом прошел производственную апробацию и рекомендован в серийное производство. Increasing the requirements for cast cooled GTE blades and the complication of their internal design necessitates the search for new compositions of the core masses with higher strength and resistance to thermal shocks, chemical inertness to high-temperature alloys, low coefficient of thermal expansion and high accuracy of geometric dimensions. On the basis of patent studies, a new chemical composition of the core sand mixture is theoretically justified and proposed. In order to optimize the fractional composition of the core sand mixture, an analysis was made of the methods for packing polydisperse particles in composite materials. From which it follows that most of the methods considered have a theoretical orientation, and the proposed design formulas that are used in the manufacture of technical ceramics, concretes and asphalts can not be uniquely used in the manufacture of cores. They do not take into account the distinctive features of the formation of the fractional composition of the cores. A feature of the structure of the core is the presence of carcass-forming fractions. They form the structure of the rod, directly touching each other in a geometrically correct order. These fractions depend on dimensional stability, propensity to shrink and warp the core, the maximum possible volume fraction of the dispersed phase. As a result of the developed technique, a dimensional sequence of the fractional composition of the powders was chosen and the chemical and fractional composition of the core sand mixture was optimized by the calculation method. Investigations of the physical and mechanical properties of samples made from a new core sand mixture showed that they have higher properties, less tendency to warping, shrinkage, and a lower coefficient of thermal expansion than the standard composition. From the experimental core sand mixture, cores for hollow blades were produced, which produced positive results. Defect in warping, breaking the core is reduced more than 2 times. The use of the mixture makes it possible to increase the ultimate strength of the cores during bending to  = 24–26 MPa. Reduce the linear shrinkage to 0.1–0.2% and the depth of interaction with the alloy ZHS6U to 0.04–0.06 mm. A new core composition with an optimized chemical and fractional composition was tested and recommended for serial production. Проект выполнялся при поддержке Министерства образования и науки РФ, Договор от 01 декабря 2015 г. № 02.G25/31/0163.

Ганеев Альмир Амирович, д-р техн. наук, профессор кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mitlp@ugatu.ac.ru. Деменок Анна Олеговна, аспирант кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; nu5tochka@mail.ru. Бакерин Сергей Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mitlp@ugatu.ac.ru. Кулаков Борис Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии и литейного производства, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; kulakovba@susu.ru. Мухамадеев Ильшат Рифкатович, аспирант кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mitlp@ugatu.ac.ru. Гарипов Альберт Ринатович, студент кафедры машин и технологии литейного производства, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа; mitlp@ugatu.ac.ru. A.A. Ganeev1, mitlp@ugatu.ac.ru, A.O. Demenok1, nu5tochka@mail.ru, S.V. Bakerin1, mitlp@ugatu.ac.ru, B.A. Kulakov2, kulakovba@susu.ru, I.R. Mukhamadeev1, mitlp@ugatu.ac.ru, A.R. Garipov1, mitlp@ugatu.ac.ru 1 Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russian Federation, 2 South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation Термохимическая инертность форм – одно из основных условий получения качественных отливок из титановых сплавов. Применяемые в литейном производстве огнеупорные формовочные и связующие материалы активно взаимодействуют с титаном. Поэтому термохимическая стойкость форм может быть повышена выбором наиболее инертных по отношению к титану исходных формовочных и связующих материалов и разработкой оптимального технологического процесса. Для оценки возможности взаимодействия титана при заливке в формы с формовочными материалами Al2O3, ZrO2, Y2O3 и связующими на основе SiO2 рассмотрены основные вероятные реакции и рассчитаны изменения изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса). Рассматривалось протекание реакций при температуре 1700 °С (температура плавления 1668 °С), при условии, что титан находится в жидком состоянии. Исходя из расчетных значений ΔZ (ΔG) рассмотренных реакций показано, что реакция восстановления титаном оксида иттрия, циркония и алюминия термодинамически невозможна. В условиях России экономически неоправданно использование в качестве формовочных материалов окислов иттрия и циркония для получения оболочковых форм при литье титановых сплавов. Появление же альфированного слоя на отливках титановых сплавов при использовании связующего на основе SiO2 вызвано, как показали термодинамические расчеты, протеканием реакций с образованием алюмосиликатов, ухудшающих химическую стойкость формы и ее огнеупорность. Для получения качественных отливок из титановых сплавов экономически целесообразно использование оболочковых форм на основе электрокорунда с обязательной заменой связующих на основе SiO2 на алюмозоли. Thermochemical inertness of molds is one of the principal conditions for obtaining high-quality castings in titanium alloys. Refractory and binder materials used in foundry molding actively interact with titanium. Therefore, thermochemical resistance of molds can be improved by selecting molding and binder materials the most inert to titanium and by development of optimum technological process. To assess the possibility of interaction of titanium when poured into molds with molding materials of Al2O3, ZrO2, Y2O3, and a binder based on SiO2 the main possible reactions are discussed and the changes of isobaric-isothermal potential (Gibbs energy) are calculated. The course of reactions was considered at 1700 °C (melting point 1668 °C), with the condition that titanium is in liquid state. Based on the calculated values of ΔZ (ΔG) it is shown that the reaction of reduction of yttrium, zirconium and aluminum oxides by titanium is thermodynamically impossible. In Russian conditions it is not economic to use yttrium and zirconium oxides as molding materials to produce shell molds for casting titanium alloys. The appearance of α layer on titanium alloy castings when using a SiO2 based binder is caused, as shown by thermodynamic calculations, by reactions forming aluminum silicates that worsen chemical resistance and refractoriness of the mold. To obtain high-quality castings of titanium alloys it is economically feasible to use shell molds based on fused alumina with the mandatory replacement of SiO2 based binders with aluminia sols.