Пермские ученые разработали способ, облегчающий производство литейных отливок

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 (защищают от перегрева деталей) в восковую модель размещают 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 без лишних трудозатрат. С ее помощью элементы нефтебурового оборудования, агрегатов сельского хозяйства, автомобилей и самолетов будут прочнее, а их производство – экономичнее.

Статья опубликована в журнале «Стекло и керамика», 2023 год. Исследование выполнено в рамках проекта Пермского НОЦ «Рациональное недропользование». Выдан патент №2792102.

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.