РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ПРИГАРА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

УДК 621.74.045:669.14

АННОТАЦИЯ

В работе исследована эффективность применения модифицированных формовочных смесей для снижения образования пригара на поверхности стальных отливок, получаемых в песчано-глинистых формах. Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в зоне контакта металл–форма, и проанализированы основные факторы, влияющие на формирование пригарного слоя и шероховатость поверхности отливок. Особое внимание уделено роли углеродсодержащих добавок, способных создавать восстановительную газовую среду и снижать интенсивность окислительных реакций при заливке расплава. Установлено влияние различных концентраций модифицирующих добавок на структуру поверхностного слоя, адгезионное взаимодействие металла с формовочной смесью и условия тепло- и массообмена в процессе кристаллизации. Показано, что введение углеродсодержащих компонентов в количестве 1–2 % способствует уменьшению окислительных процессов, снижению прилипания металла к форме и повышению чистоты поверхности отливок. Экспериментальные исследования подтвердили, что применение разработанных модифицированных смесей позволяет снизить толщину пригара на 37–53 % и уменьшить шероховатость поверхности стальных отливок. Определены рациональные составы формовочных смесей, обеспечивающие повышение качества литых изделий, снижение объёма механической обработки и уменьшение производственных затрат. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологий литейного производства.

ABSTRACT

The study investigates the effectiveness of using modified molding sand mixtures to reduce burn-on formation on the surface of steel castings produced in sand–clay molds. The physicochemical processes occurring at the metal–mold interface are examined, and the key factors influencing the formation of the burn-on layer and the surface roughness of castings are analyzed. Special attention is given to the role of carbon-containing additives capable of creating a reducing gaseous environment and decreasing the intensity of oxidation reactions during molten metal pouring. The influence of different concentrations of modifying additives on the structure of the surface layer, the adhesion interaction between the metal and the molding mixture, and the conditions of heat and mass transfer during solidification was determined. It is shown that the introduction of carbon-containing components in the amount of 1–2% contributes to reducing oxidation processes, decreasing metal adhesion to the mold, and improving the surface cleanliness of castings. Experimental studies confirmed that the use of the developed modified mixtures makes it possible to reduce the burn-on layer thickness by 37–53% and decrease the surface roughness of steel castings. Optimal compositions of molding mixtures were determined, ensuring improved quality of cast products, reduced machining volume, and lower production costs. The obtained results can be used to improve foundry production technologies.

Ключевые слова: пригар, формовочная смесь, температура заливки, влажность, бентонитовая глина, качество поверхности.

Keywords: burn-on defect, molding sand, pouring temperature, moisture content, bentonite clay, surface quality.

Введение

Качество поверхности стальных отливок является одним из ключевых показателей эффективности литейного производства, так как определяет объём последующей механической обработки и эксплуатационные свойства изделий. В технологии литья в песчано-глинистые формы одной из наиболее распространённых поверхностных дефектов является пригар, возникающий вследствие физико-химического взаимодействия расплава с материалом формы при высоких температурах [1].

Образование пригара зависит от состава и свойств формовочной смеси, включая содержание глины, влажность и газопроницаемость, а также от температурных параметров заливки. Недостаточная стабильность указанных характеристик приводит к ухудшению качества поверхности отливок и увеличению производственных затрат [2].

В этой связи актуальной задачей является разработка модифицированных формовочных смесей, обеспечивающих снижение интенсивности образования пригара и повышение качества стальных отливок. Целью данной работы является исследование и разработка составов формовочных смесей с улучшенными технологическими свойствами для уменьшения пригарных дефектов [3].

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования использовалась литейная сталь марки 35Л, применяемая для изготовления ответственных деталей машиностроения. Химический состав стали соответствовал нормативным требованиям и составлял, мас. %: C — 0,32–0,39; Mn — 0,50–0,80; Si — 0,20–0,50; S ≤ 0,045; P ≤ 0,040. Заливка металла осуществлялась при температуре 1540–1600 °C.

Формовочные смеси готовились на основе кварцевого песка и бентонитовой глины с введением модифицирующих добавок. Базовый состав включал, мас. %: кварцевый песок 88–92; бентонитовая глина 6–8; вода 3,5–5,0. В отдельных вариантах вводились углеродсодержащие добавки в количестве 1–2 % для улучшения противопригарных свойств. Экспериментальные образцы отливок изготавливались в формах размером 150×150×150 мм. Для каждого варианта формовочной смеси изготавливалось по 5 параллельных отливок, что обеспечивало воспроизводимость результатов. В ходе исследований варьировались состав формовочной смеси (содержание глины и добавок) и технологические параметры заливки [4–6]. Оценка образования пригара проводилась после охлаждения и выбивки отливок. Толщина пригарного слоя измерялась с использованием металлографического микроскопа с точностью 0,01 мм. Для каждой отливки измерения выполнялись в 5 равномерно распределённых точках поверхности, после чего рассчитывалось среднее значение. Шероховатость поверхности определялась методом контактной профилометрии (параметр Ra). Для каждой отливки выполнялось не менее 3 повторных измерений на различных участках поверхности с последующим усреднением результатов. Микроструктура пригарного слоя исследовалась металлографическим методом на шлифах, отобранных из поверхностной зоны отливок [7].

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов вариационной статистики. Для всех измеряемых параметров рассчитывались средние значения, стандартные отклонения и 95 %-ные доверительные интервалы. Сравнение результатов выполнялось с применением t-критерия Стьюдента, статистически значимыми считались различия при уровне значимости p < 0,05. Обработка данных выполнялась методом сравнительного анализа с целью установления влияния состава модифицированных формовочных смесей на интенсивность образования пригара [8].

Результаты и обсуждение

Статистическая обработка результатов показала, что введение углеродсодержащих добавок оказывает статистически значимое влияние на снижение толщины пригара и шероховатости поверхности отливок. По результатам однофакторного дисперсионного анализа установлено значимое влияние содержания добавки на исследуемые параметры (p < 0,05). Парные сравнения с использованием t-критерия Стьюдента выявили статистически значимые различия между базовой и модифицированными смесями (p < 0,05), что подтверждает эффективность применения углеродсодержащих добавок [9].

Базовая формовочная смесь без добавок характеризовалась наибольшей склонностью к образованию пригара, что проявлялось в формировании плотного пригарного слоя и глубоком проникновении расплава в поры формы. При повышении температуры заливки данный эффект усиливался.

Введение углеродсодержащих модифицирующих добавок (1–2 %) приводило к формированию восстановительной атмосферы в приповерхностной зоне формы, снижению адгезионного взаимодействия и уменьшению глубины проникновения металла. В результате наблюдалось улучшение качества поверхности отливок и снижение толщины пригарного слоя [10].

Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 1 в виде средних значений, стандартных отклонений и 95 %-ных доверительных интервалов (n = 5).

Таблица 1

Влияние модифицирования формовочной смеси на образование пригара (M ± SD, 95% CI, n = 5)

Согласно полученным данным, толщина пригарного слоя для базовой смеси составила 0,38 ± 0,03 мм (95 % CI: 0,35–0,41 мм), тогда как при введении добавки 1 % данный показатель снизился до 0,24 ± 0,02 мм (95 % CI: 0,22–0,26 мм; p = 0,002). При содержании добавки 2 % толщина пригара достигла минимального значения — 0,18 ± 0,02 мм (95 % CI: 0,16–0,20 мм; p = 0,0006).

Аналогичная тенденция наблюдалась для шероховатости поверхности. Для базовой смеси параметр шероховатости составил 30,5 ± 1,8 мкм (95 % CI: 28,8–32,2 мкм). Введение добавки 1 % снизило значение до 22,8 ± 1,5 мкм (95 % CI: 21,4–24,2 мкм; p = 0,004), а при содержании 2 % шероховатость уменьшилась до 18,6 ± 1,2 мкм (95 % CI: 17,5–19,7 мкм; p = 0,0009).

Заключение

Установлено, что введение углеродсодержащей добавки в формовочную смесь статистически значимо снижает интенсивность пригарообразования и шероховатость поверхности стальных отливок. Снижение толщины пригара составляет 37–53 % по сравнению с базовым составом.

Рекомендуемый состав формовочной смеси (мас. %): кварцевый песок — 89–90 %, бентонитовая глина — 7 %, вода — 3,5–4,0 %, углеродсодержащая добавка — 2 %.

Применение указанного состава обеспечивает толщину пригарного слоя порядка 0,18 мм и шероховатость поверхности 18–19 мкм, что позволяет снизить объём последующей механической обработки и рекомендовать разработанную смесь к промышленному внедрению при производстве отливок из стали 35Л.

Список литературы:

1. Madaliev S.D., Turakhodjaev N.D., Khodjibekova Sh.M. Investigation of the effect of pouring temperature on burn-on formation in steel castings. Universum: Technical Sciences, 2026, no. 3(144). (In Russ.)
2. Madaliev S.D., Tashmatov R.K., Yusupov B.D. Influence of fluorite content on the physicochemical and technological properties of ceramic fluxes for welding and surfacing. Universum: Technical Sciences, 2025, no. 12(141), pp. 50–52. doi: 10.32743/UniTech.2025.141.12.21484. (In Russ.)
3. Saydumarov B.M. Prokat ishlab chiqarish texnologiyalari [Rolling production technologies]. Tashkent, TDTU Publ., 2022. 302 p. (In Uzbek.)
4. Madaliev S., Nishonboeva S., Fazilov D., Tashmatov R. Characteristics of local raw materials of Uzbekistan for ceramic welding fluxes: detailed analysis of physicochemical properties and suitability for ceramic welding fluxes. Zenodo, 2025. doi: 10.5281/zenodo.15559486. (In Russ.)
5. Rasulov S.A. Quyma mahsulotlarni loyihalash va ishlab chiqarish [Design and production of cast products]. Tashkent, Fan va texnologiyalar Publ., 2019, pp. 48–55. (In Uzbek.)
6.  Berdiyev D.M. Qizdirish qurilmalari va uskunalari [Heating devices and equipment]. Tashkent, ToshDTU Publ., 2020. 220 p. (In Uzbek.)
7. Muntin V., Zhikharev P.Yu., Ziniagin A.G., Brayko D.A. Artificial intelligence and machine learning in metallurgy. Part 1. Methods and algorithms. Metallurgist, 2023, vol. 67, pp. 886–894.
8. Vasiliev V.A. Physicochemical foundations of foundry production. Moscow, Intermet Inzhinering Publ., 2001. 336 p. (In Russ.)
9. Zairkulov E.Yo., Dunyashin N.S. On the determination of power absorbed by a conducting medium during high-frequency welding of straight-seam pipes. Aktual’nye voprosy v oblasti tekhnicheskikh i sotsial’no-ekonomicheskikh nauk, Tashkent, TKHTI Publ., 2019, pp. 255–257. (In Russ.)
10. Matthews S.J., Maddock M.O., Savage W.F. How copper surface contamination affects weldability of cobalt superalloys. Welding Journal, 2021, vol. 51, no. 5, pp. 326–328.