blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-6-563-571blackmet-2990Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПрочностные характеристики выплавляемых моделей, получаемых уплотнением порошков воскообразных материалов в поле действия центробежных силStrength characteristics of investment patterns obtained by compaction of waxy material powders in the field of centrifugal forceshttps://orcid.org/0000-0002-8769-8194БогдановаН. А.BogdanovaN. A.

Нина Анатольевна Богданова, младший научный сотрудник лаборатории проблем создания и обработки материалов и изделий

Россия, 681005, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Nina A. Bogdanova, Junior Researcher of the Laboratory of Problems of Creation and Processing of Materials and Products

1 Metallurgov Str., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681005, Russian Federation

joyful289@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0865-7109ЖилинС. Г.ZhilinS. G.

Сергей Геннадьевич Жилин, к.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории проблем создания и обработки материалов и изделий

Россия, 681005, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Sergei G. Zhilin, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Leading Researcher of the Laboratory of Problems of Creation and Processing of Materials and Products

1 Metallurgov Str., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681005, Russian Federation

zhilin@imim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5808-2104ПредеинВ. В.PredeinV. V.

Валерий Викторович Предеин, к.т.н., научный сотрудник лаборатории проблем создания и обработки материалов и изделий

Россия, 681005, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Valerii V. Predein, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Problems of Creation and Processing of Materials and Products

1 Metallurgov Str., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681005, Russian Federation

predein3@mail.ruИнститут машиноведения и металлургии Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения РАНРоссияInstitute of Machinery and Metallurgy of the Khabarovsk Federal Research Center of the Far-Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202508012026686563571Copyright © Богданова Н.А., Жилин С.Г., Предеин В.В., 20262026Богданова Н.А., Жилин С.Г., Предеин В.В.Bogdanova N.A., Zhilin S.G., Predein V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2990

Использование процесса литья по выплавляемым моделям направлено на получение отливок сложной конфигурации с повышенной размерной и геометрической точностью из широкого диапазона литейных сталей и цветных сплавов. Ряд операций при осуществлении такого процесса сопровождается появлением дефектов теплофизической природы (усадка модельного материала и его температурное расширение при выплавлении, приводящее к нарушению целостности керамической формы), что, в известной мере, препятствует расширению номенклатуры литья. Формирование экспериментальных пористых выплавляемых моделей прессованием порошков воскообразных материалов направлено на устранение данных дефектов, но, в силу недостатка сведений о процессах, сопровождающих уплотнение воскообразных порошков (в ряде случаев, проявляющихся в упругом отклике материала или изменении прочностных характеристик прессовок), требует отдельного изучения. Ранее было установлено, что распределение значений плотности в прессовке, выполненной из порошка парафина, обеспечивается направленным нагружением уплотняемого материала, в том числе в поле действия центробежных сил, что позволяет получать конфигурацию поверхности тела вращения с прогнозируемым распределением свойств в каждом его участке. В настоящей работе, на примере формирования участка тела вращения, приведено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей относительной плотности прессовок (полученных из разных фракций материала ПС 50/50) от напряжений, возникающих при их уплотнении в поле действия центробежных сил, а также средних значений плотностей прессовок от скорости вращения форм. Представлены картины напряженно-деформированного состояния прессовок при определении значений их прочности на сжатие, характерные для различных воскообразных материалов. Результаты эксперимента направлены на решение задач повышения эффективности процессов получения выплавляемых моделей, конфигурация которых представляет собой тело вращения, образованное уплотнением порошковых воскообразных материалов в поле действия центробежных сил.

The use of investment casting process is aimed at producing castings of complex configuration with increased dimensional and geometric accuracy from a wide range of casting steels and non-ferrous alloys. A number of operations during the implementation of such a process are accompanied by the appearance of defects of a thermophysical nature (shrinkage of the pattern material and its thermal expansion during melting, leading to a violation of the ceramic mold integrity), which, to a certain extent, prevents the expansion of the casting nomenclature. The formation of experimental porous investment patterns by compaction of powders of waxy materials is aimed at eliminating such defects, but, due to the lack of information on the processes accompanying the compaction of waxy powders (in some cases manifested in the elastic response of the material or a change in the strength characteristics of the compacts), requires separate study. It was previously established that the distribution of density values in a paraffin powder compact is provided by directional loading of the compacted material, including in the field of centrifugal forces, which allows obtaining the surface configuration of a body of revolution with a predictable distribution of properties in each of its sections. In this paper, using the example of forming a section of a body of revolution, a comparison is given of the calculated and experimental dependencies of the relative density of compacts (obtained from different fractions of the PS50/50 material) on the stresses arising during their compaction in the field of centrifugal forces, as well as the average values of the density of compacts on the molds rotation speed. Pictures of the stress-strain state of compacts are presented when determining the values of their compressive strength characteristic of various waxy materials. The results of the experiment are aimed at solving the problems of increasing the efficiency of processes for obtaining investment patterns, the configuration of which is a body of revolution, formed by compaction of powdered waxy materials in the field of centrifugal forces.

литье по выплавляемым моделямчерные и цветные сплавыэкспериментальное моделированиемашиностроительные процессыполе действия центробежных силнапряженно-деформированное состояниепрессовкапористостьупругий откликпрочностьinvestment castingferrous and non-ferrous alloysexperimental modelingmechanical engineering processesfield of centrifugal forcesstress-strain statecompactporosityelastic responsestrengthРабота выполнена в рамках государственного задания Института машиноведения и металлургии Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения РАН. В работе использованы фото Фирсова С.В.This work was performed as part of a state assignment for the Institute of Machinery and Metallurgy of the Khaba­rovsk Federal Research Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences. The authors used the photos by S.V. Firsov in this work.ReferencesYuan G., Li Y., Hu L., Fu W. Preparation of shaped aluminum foam parts by investment casting. Journal of Materials Processing Technology. 2023;314:117897. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.117897Yuan G., Li Y., Hu L., Fu W. Preparation of shaped aluminum foam parts by investment casting. Journal of Materials Processing Technology. 2023;314:117897. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.117897Kapranos P., Carney C., Pola A., Jolly M. Advanced casting methodologies: Investment casting, centrifugal casting, squeeze casting, metal spinning, and batch casting. Refe­rence Module in Materials Science and Materials Engineering. Comprehensive Materials Processing. 2014;5:39–67. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00539-2Kapranos P., Carney C., Pola A., Jolly M. Advanced casting methodologies: Investment casting, centrifugal casting, squeeze casting, metal spinning, and batch casting. Refe­rence Module in Materials Science and Materials Engineering. Comprehensive Materials Processing. 2014;5:39–67. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00539-2Singh S., Prakash C., Ramakrishna S. Three-dimensional printing assisted investment casting processes for intricate products. Encyclopedia of Materials: Plastics and Polymers. 2022;1:611–618. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820352-1.00021-3Singh S., Prakash C., Ramakrishna S. Three-dimensional printing assisted investment casting processes for intricate products. Encyclopedia of Materials: Plastics and Polymers. 2022;1:611–618. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820352-1.00021-3Huang P.H., Shih L.K.L., Lin H.M., Chu C.I., Chou C.S. Novel approach to investment casting of heat-resistant steel turbine blades for aircraft engines. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;104: 2911–2923. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04178-zHuang P.H., Shih L.K.L., Lin H.M., Chu C.I., Chou C.S. Novel approach to investment casting of heat-resistant steel turbine blades for aircraft engines. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019;104: 2911–2923. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04178-zЮсипов Р.Ф., Демьянов Е.Д., Виноградов В.Ю., Паремский И.Я., Айрапетян А.С. Точность отливок при литье по выплавляемым моделям. Литейное производство. 2021;(9):18–19.Yusipov R.F., Demyanov E.D., Vinogradov V.Yu., Paremsky I.Ya., Ayrapetyan A.S. Castings size accuracy at investment casting. Liteinoe proizvodstvo. 2021;(9):18–19. (In Russ.).Yarlagadda P.K.D.V., Hock T.S. Statistical analysis on accuracy of wax patterns used in investment casting process. Journal of Materials Processing Technology. 2003;138(1–3): 75–81. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00052-9Yarlagadda P.K.D.V., Hock T.S. Statistical analysis on accuracy of wax patterns used in investment casting process. Journal of Materials Processing Technology. 2003;138(1–3): 75–81. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00052-9Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P.K. Developments in investment casting process – A review. Journal of Materials Processing Technology. 2012;212(11): 2332–2348. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.06.00Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P.K. Developments in investment casting process – A review. Journal of Materials Processing Technology. 2012;212(11): 2332–2348. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.06.00Arruebarrena G., Hurtado I., Väinölä J., Cingi C., Dévényi S., Townsend J., Mahmood S., Wendt A., Weiss K., Ben-Dov A. Development of investment-casting process of Mg-alloys for aerospace applications. Advanced Engineering Materials. 2007;9(9):751–756. https://doi.org/10.1002/adem.200700154Arruebarrena G., Hurtado I., Väinölä J., Cingi C., Dévényi S., Townsend J., Mahmood S., Wendt A., Weiss K., Ben-Dov A. Development of investment-casting process of Mg-alloys for aerospace applications. Advanced Engineering Materials. 2007;9(9):751–756. https://doi.org/10.1002/adem.200700154Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Чернышова Д.В., Евстигнеева А.А. Влияние опорного наполнителя и структуры оболочковой формы на ее трещиностойкость. Известия вузов. Черная металлургия. 2022;65(4): 285–293. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-4-285-293Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A., Cherny­shova D.V., Evstigneeva A.A. Influence of support filler and structure of shell mold on its crack resistance. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(4):285–293. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-4-285-293Thakre P., Chauhan A.S., Satyanarayana A., Kumar E.R., Pradyumna R. Estimation of shrinkage & distortion in wax injection using Moldex3D simulation. Materials Today: Proceedings. 2018;5(9(3)):19410–19417. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.06.301Thakre P., Chauhan A.S., Satyanarayana A., Kumar E.R., Pradyumna R. Estimation of shrinkage & distortion in wax injection using Moldex3D simulation. Materials Today: Proceedings. 2018;5(9(3)):19410–19417. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.06.301Sabau A.S. Alloy shrinkage factors for the investment casting process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2006; 37:131–140. https://doi.org/10.1007/s11663-006-0092-xSabau A.S. Alloy shrinkage factors for the investment casting process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2006; 37:131–140. https://doi.org/10.1007/s11663-006-0092-xDong Y.W., Li X.L., Zhao Q., Yang J., Dao M. Modeling of shrinkage during investment casting of thin-walled hollow turbine blades. Journal of Materials Processing Technology. 2017;244:190–203. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.005Dong Y.W., Li X.L., Zhao Q., Yang J., Dao M. Modeling of shrinkage during investment casting of thin-walled hollow turbine blades. Journal of Materials Processing Technology. 2017;244:190–203. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.005Sata A., Ravi B. Bayesian inference-based investment-casting defect analysis system for industrial application. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017;90(9–12):3301–3315. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9614-0Sata A., Ravi B. Bayesian inference-based investment-casting defect analysis system for industrial application. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017;90(9–12):3301–3315. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9614-0Заславская О.М., Дубровин В.К., Савин Ф.М., Низовцев Н.В. Влияние модельного состава на трещинообразование форм в литье по выплавляемым моделям. Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2020;(19):164–170.Zaslavskaya O.M., Dubrovin V.K., Savin F.M., Nizov­tsev N.V. Influence of the model composition on crack formation in investment casting. Tekhnologii metallurgii, mashinostroeniya i materialoobrabotki. 2020;(19):164–170. (In Russ.).Jin S., Liu C., Lai X., Li F., He B. Bayesian network approach for ceramic shell deformation fault diagnosis in the investment casting process. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017;88:663–674. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8795-xJin S., Liu C., Lai X., Li F., He B. Bayesian network approach for ceramic shell deformation fault diagnosis in the investment casting process. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017;88:663–674. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8795-xBehera M.M., Pattnaik S., Sutar M.K. Thermo-mechanical analysis of investment casting ceramic shell: A case study. Measurement. 2019;147:106805. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.07.033Behera M.M., Pattnaik S., Sutar M.K. Thermo-mechanical analysis of investment casting ceramic shell: A case study. Measurement. 2019;147:106805. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.07.033Odinokov V.I., Dmitriev E.A., Evstigneev A.I., Sviridov A.V., Ivankova E.P. Modelling selection of structure and properties of monolayer electrophoretic shell molds during investment casting. Materials Today: Proceedings. 2021;38(4):1672–1676. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.200Odinokov V.I., Dmitriev E.A., Evstigneev A.I., Sviridov A.V., Ivankova E.P. Modelling selection of structure and properties of monolayer electrophoretic shell molds during investment casting. Materials Today: Proceedings. 2021;38(4):1672–1676. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.200Mukhtarkhanov M., Akayev S., Gouda S., Shehab E., Hazrat Ali Md. A novel method for evaluating thermal expansion forces during dewaxing of investment casting and 3D-printing waxes. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2024. Available online 17.04.2024. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2024.05.004Mukhtarkhanov M., Akayev S., Gouda S., Shehab E., Hazrat Ali Md. A novel method for evaluating thermal expansion forces during dewaxing of investment casting and 3D-printing waxes. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2024. Available online 17.04.2024. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2024.05.004Venkat Y., Choudary K.R., Das D.K., Pandey A.K., Singh S. Ceramic shell moulds for investment casting of low-pressure turbine rotor blisk. Ceramics International. 2021;47(4): 5663–5670. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.152Venkat Y., Choudary K.R., Das D.K., Pandey A.K., Singh S. Ceramic shell moulds for investment casting of low-pressure turbine rotor blisk. Ceramics International. 2021;47(4): 5663–5670. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.152Kanyo J.E., Schafföner S., Uwanyuze R.S., Leary K.S. An overview of ceramic molds for investment casting of nickel superalloys. Journal of the European Ceramic Society. 2020;40(15):4955–4973. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.013Kanyo J.E., Schafföner S., Uwanyuze R.S., Leary K.S. An overview of ceramic molds for investment casting of nickel superalloys. Journal of the European Ceramic Society. 2020;40(15):4955–4973. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.013Богданова Н.А., Жилин С.Г. Влияние режимов уплотнения воскообразных порошков на напряженно-деформированное состояние прессовок, применяемых в точном литье. Известия вузов. Черная металлургия. 2024;67(5): 593–603. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-593-603Bogdanova N.A., Zhilin S.G. Influence of compression modes of waxy powders on stress-strain state of compacts used in precision casting. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2024;67(5):593–603. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2024-5-593-603Adamov A.A., Keller I.E., Zhilin S.G., Bogdanova N.A. Identification of the cap model of elastoplasticity of non-compact media under compressive mean stress. Mechanics of Solids. 2024;59(4):1868–1880. https://doi.org/10.1134/S002565442460291XAdamov A.A., Keller I.E., Zhilin S.G., Bogdanova N.A. Identification of the cap model of elastoplasticity of non-compact media under compressive mean stress. Mechanics of Solids. 2024;59(4):1868–1880. https://doi.org/10.1134/S002565442460291XZhilin S.G., Bogdanova N.A., Firsov S.V., Komarov O.N. Prospects of obtaining removable models by pressing wax-like materials under the influence of centrifugal forces. Metal­lurgist. 2023;67:814–825. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01567-4Zhilin S.G., Bogdanova N.A., Firsov S.V., Komarov O.N. Prospects of obtaining removable models by pressing wax-like materials under the influence of centrifugal forces. Metal­lurgist. 2023;67:814–825. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01567-4Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н. Исследование процессов формирования пористых выплавляемых моделей, применяемых для изготовления высокоточного литья. Известия вузов. Цветная металлургия. 2023;29(3):54–66. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-3-54-66Zhilin S.G., Bogdanova N.A., Komarov O.N. Porous wax patterns for high-precision investment casting. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2023;29(3):54–66. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-3-54-66Гаранин В.Ф., Иванов В.Н., Казеннов С.А. и др. Литье по выплавляемым моделям / Под общей редакцией В.А. Озерова. 4-е издание, переработанное и дополненное. Москва: Машиностроение; 1994:448.Garanin V.F., Ivanov V.N., Kazennov S.A., etc. Investment Casting. Ozerov V.A. ed. Moscow: Mashinostroenie; 1994:448. (In Russ.).Патент 2768654 RU. Способ получения выплавляемой модели тела вращения. Предеин В.В., Жилин С.Г., Богданова Н.А., Комаров О.Н.; заявлено 24.11.2021; опубликовано 24.03.2022. Бюллетень № 9.Predein V.V., Zhilin S.G., Bogdanova N.A., Komarov O.N. Method for obtaining investment pattern of a body of revolution. Patent RF no 2768654. MPK B22C 7/02, B22D 13/00. Bulleten’ izobretenii. 2022;(9). (In Russ.).Анциферов В.Н., Перельман Г.В. Напряженно-деформированное состояние формуемых в центрифуге порошковых материалов. Конструкции из композиционных материалов. 2012;(4):10–16.Antsiferov V.N., Perel’man G.V. Deflected mode of powder materials formed in centrifuge. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2012;(4):10–16. (In Russ.).Бальшин М.Ю. Порошковая металлургия. Москва: Машгиз;1948:286.Bal’shin M.Yu. Powder Metallurgy. Moscow: Mashgiz; 1948:286. (In Russ.).Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. Москва: Металлургия;1969:262.Zhdanovich G.M. Theory of Metal Powders Compaction. Moscow: Metallurgiya; 1969:262. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.