Необходимость высоких технологий в базовых отраслях промышленности — по-прежнему одна из актуальных проблем производства. Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали новую технологию формообразования в точном литье, которая позволит многократно ускорить данный процесс, сделать его проще, а также безопаснее для окружающей среды.
Особенность нового метода — в качестве литейных форм
Процесс получения точных отливок и сегодня является трудоемким и длительным. Инновационная технология ЮУрГУ может найти применение как в металлургии, машиностроении, аэрокосмическом комплексе, так и в художественном или ювелирном литье.
«Ускоренное формообразование с применением наноструктурированных материалов в литье жаропрочных сплавов» — исследование, отмеченное грантом конкурса «Начало большой науки», проводимого в рамках Проекта 5-100. Научным руководителем является доктор технических наук, профессор Леонид Знаменский. О преимуществах новой технологии формообразования рассказал автор проекта, к. т. н., доцент кафедры «Литейное производство» Политехнического института ЮУрГУ Алексей Варламов.
«Литье — один из способов обработки металлов при котором металл переводится в жидкое состояние и заливается в форму для получения отливки. Важно, чтобы качественным был не только заливаемый сплав, но и сама форма. Большинство литых заготовок в дальнейшем подвергается механической обработке, доводится до нужных размеров и качества поверхности. При производстве некоторых специфических изделий, таких как лопатки газотурбинных двигателей, отливки нельзя механически обрабатывать, поэтому в форме мы должны получить готовую деталь. Для этого необходимо использовать метод литья по выплавляемым моделям, позволяющий получать сложнопрофильные отливки высокой точности. Кроме того, такие отливки выполняются из жаропрочных сплавов, что обуславливает применение особых литейных форм с комплексом высоких физико-механических свойств».
Цель — быстрое и экологичное производство
В настоящее время широкое распространение получили формы на гидролизованном растворе этилсиликата, которые позволяют получить качественное изделие. Однако использование данного связующего имеет существенные недостатки, такие как длительный цикл изготовления формы и негативное воздействие на окружающую среду. В основе способа, предложенного командой ученых ЮУрГУ, — попытка решения названных проблем.
«Сегодня в литейном производстве наиболее популярны органические связующие, так как они позволяют получать формооболочки достаточной прочности. Однако очень важен экологический фактор, и неорганические связующие, такие как кремнезоли и алюмозоли, более безопасны с этой точки зрения. Они экологически безупречны, но необходимо улучшить их качественные характеристики. Наше исследование было направлено на поиск новых связующих и нахождение методов ускорения процесса формообразования в точном литье. Также перед нами стояла задача получения керамических форм, обладающих высокими прочностными свойствами и точностью рабочей поверхности».
.jpg)
«Послойное» качество продукции
Формы для получения отливки изготовляются послойно, необходимо выждать определенное время, чтобы каждый из слоев затвердел. Нанесение следующего слоя на некачественно высушенный предыдущий слой приведет к разрушению всей оболочки. Каждый слой высыхает в течение 5 часов. Таких слоев, в зависимости от сложности изделия, может быть до 30. Один из способов ускорения процесса формообразования — химическое отверждение.
«Попытки использовать химическое отверждение принимались и раньше, — отмечает Алексей Сергеевич. — В чем особенность предложенного нами способа? Мы предлагаем применять в качестве обсыпочного зернистый материал, покрытый плакирующей смесью. Чаще всего используются зерна электрокорунда, так как это жаропрочный, инертный материал, не вступающий в химическое взаимодействие со сплавом. Когда мы совершаем обсыпку каждого слоя, песчинки внедряются в суспензию, которой покрыта наша модель, и уже изнутри провоцируют отверждение. Возникает своеобразный каркас, некая несущая конструкция, которая упрочняет слой суспензии и формооболочку в целом. Лабораторные опыты и опытно-промышленные испытания подтверждают, что наша технология действительно работает, ускорение наблюдается».
Сегодня учеными осуществляется подбор химических отвердителей к связующему. В качестве связующих используются более безопасные для окружающей среды кремнезоли и алюмозоли. Опытно-промышленные испытания, проведенные на предприятии «ИнКо» (г. Челябинск), показали положительный эффект нового метода для нержавеющих сплавов. По теме исследования в 2016-2017 гг. опубликованы 3 научные статьи в журналах, индексируемых базой данных Scopus. Основная цель ученых в настоящий момент — оптимизировать разработанную технологию для жаропрочных сплавов.