Литье по выплавляемым моделям — это традиционный способ изготовления деталей со сложными неровными поверхностями. В процессе литья важно полностью воссоздать форму и размер изделия из воска. Для создания внутренних полостей (они защищают детали от перегрева) в восковую модель помещают керамические стержни. Но убрать их уже после отливки сложно и трудоемко. Неполное удаление приводит к снижению эффективности охлаждения детали. Ученые ПНИПУ разработали и запатентовали способ изготовления керамических стержней, имеющих неравномерную прочность по глубине. Уникальная технология позволяет легко удалить материал. С ее помощью элементы нефтебурового оборудования, агрегатов сельского хозяйства, автомобилей и самолетов будут прочнее, а их производство — экономичнее.
В ПНИПУ разработали способ, облегчающий производство литейных отливок / © Getty images
Статья опубликована в журнале «Стекло и керамика», 2023 год. Исследование выполнено в рамках проекта Пермского НОЦ «Рациональное недропользование». Выдан патент.
Процесс литья по выплавляемым моделям заключается в заливке сплава в предварительно созданную твердую керамическую оболочку вокруг воскового образца детали. При высокой температуре воск выплавляют, а в образовавшуюся пустоту заливают металл, образуя отливку нужной детали. Такая технология отличается высокой точностью, простотой и экономической доступностью. Она позволяет сделать любую модель для отливки разной формы и массы из различных сплавов. Ее часто применяют для изготовления сложных деталей в машиностроении, а также ювелирных украшений, зубных протезов.
Для воссоздания внутренних полостей в восковую модель вводятся керамические стержни нужных форм и размеров. После того как вся модель покрыта керамической суспензией, а воск вытоплен, в полученную керамическую оболочку заливают необходимый сплав. И уже в самом конце удаляют стержни из отливки. Чтобы они выдержали заливку расплавленного металла, они должны быть очень прочными, однако именно это значительно усложняет их последующее удаление и увеличивает трудозатраты. Обычно для облегчения этого процесса применяют щелочные реагенты, которые растворяют материал, но при такой обработке образуется большое количество высокотоксичных отходов.
«Мы предлагаем изготавливать сам керамический стержень из материала, свойства которого можно регулировать. Достаточно прочный снаружи, чтобы полость получилась установленных размеров, но при этом со слабой сердцевиной, которая облегчает удаление из отливки», – рассказывает аспирант кафедры «Химические технологии» Пермского Политеха Вячеслав Пунькаев.
«Мы выяснили, что в процессе изготовления керамических изделий при их обжиге можно получить разную по объему прочность, если в качестве связующего использовать вещество кремнезоль. Поэтому технология изготовления стержней с уменьшающейся прочностью от внешней части к внутренней может быть такой – сначала стандартным методом изготавливается «сырой» стержень, имеющий малую прочность, а потом проводится градиентная пропитка поверхности кремнезолем», – объясняет руководитель проекта, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Николай Углев.
Политехники провели эксперимент, для которого изготовили алюминиевые образцы в форме конуса. Их сушили и пропитывали вторичным связующим, погружая в емкость с кремнезолем и клеем на основе крахмала. При пропитке ученые особенно обращали внимание на такие параметры, как вязкость связующего, время пропитки образца и избыточное давление пропитки. После обжига измеряли прочность стержня при разных диаметрах.
Исследователи отмечают, что в глубине образца четко прослеживается снижение концентрации кремния. Именно это позволяет создать разность прочности в керамическом стержне. Эффект достигается при использовании для его внешней пропитки связующего с наибольшей вязкостью. Этого можно добиться за счет большей концентрации клея в составе связующего.
Ученые ПНИПУ доказали, что применение дополнительной пропитки керамических стержней связующим на основе кремнезоля обеспечивает изготовление стержней с различной степенью прочности внутри. Уникальная технология позволяет облегчить и ускорить процесс их удаления из отливок. Авторы исследования планируют и дальше развивать и адаптировать технологию в направлении изготовления деталей повышенной сложности.
