Для изготовления металлических деталей сложной формы, например, лопаток турбореактивного двигателя, ювелирных украшений, зубных протезов, применяют прецизионное литье по выплавляемым моделям. Этот процесс заключается в создании твердой керамической оболочки вокруг воскового образца. При высокой температуре воск выплавляют, а в образовавшуюся пустоту заливают металл, образуя отливку. Проблема в том, что воск не впитывает влагу, а керамическая смесь, которая наносится на образец, создается на водной основе. При изготовлении оболочки важно, чтобы керамическая суспензия хорошо смачивала восковую модель, тогда получится качественная металлическая отливка необходимой формы. Ученые Пермского Политеха разработали технологию повышения способности к смачиванию, изменив физические свойства самой восковой поверхности. Этот метод способен радикально изменить и упростить технологию подготовки литейных форм.
Статья с результатами опубликована в журнале «Стекло и керамика», №8, 2023 год. Исследования выполнены с использованием научного оборудования «Центра наукоемких химических технологий и физико-химических исследований» ПНИПУ в соответствии с проектом Пермского НОЦ «Рациональное недропользование».
С помощью пресс-формы изготавливают восковую модель металлического изделия. Для формирования твердой оболочки на нее наносят керамическую смесь, которая после просушки превращается в литейную форму. Чтобы на лицевой поверхности оболочки, прилегающей к металлическому расплаву при заливке, не было дефектов и неровностей, суспензия должна идеально покрывать восковую модель. Однако в реальности равномерного покрытия добиться сложно, потому что основа связующего для керамической оболочки — это вода, а воск воду не воспринимает. Для устранения этого недостатка в состав смеси обычно вводят ПАВ-смачиватели (водный раствор поверхностно-активных веществ с функциональными добавками), но они не гарантируют 100% смачивания восковой модели, в результате чего часть керамических оболочек получается с дефектами.
Ученые ПНИПУ заметили, что равномерное увлажнение всей модели и прочное прилипание суспензии к ней можно достичь не только химическим, но и физическим воздействием. Вода и воск будут лучше притягиваться друг к другу, если создать пористую (шероховатую) структуру на восковой поверхности. Так политехники разработали метод, который заключается в нанесении на модель тонкого слоя хорошо влаговпитывающего (гидрофильного) керамического порошка.
Для эксперимента ученые использовали пластины из воска и парафина, а также дистиллированную воду как среду керамических суспензий. Шероховатость модели придали, сформировав тонкий грунтовочный керамический слой на поверхности, который удерживается на ней за счет предварительно нанесенного липкого слоя.
— Для увеличения смачиваемости восковой поверхности мы обсыпали модели c «липким» слоем двумя видами керамических порошков — электрокорундом (размер частиц не более 5 мкм) и порошком-КДСП (размер частиц 63-200 мкм). Для сравнения также окунали обсыпанные модели в растворы ПАВ. После всех операций на восковом образце образуется влаговпитывающий грунтовочный слой с пористой структурой, — поделился руководитель проекта, доцент кафедры химических технологий Пермского Политеха, кандидат химических наук Николай Углев.
Используемые учеными порошки — это стойкие, огнеупорные материалы. Электрокорунд изготавливается на основе оксида алюминия в виде мелкого песка и гранул. Применяется для шлифовки и матирования поверхностей, изготовления инструментов, литейных форм и стержней. Порошок-КДСП состоит из химически связанных оксидов кремния и алюминия и широко применяется в промышленности.
Результаты проведенных экспериментов показали, что все методы физического воздействия в той или иной степени влияют на степень смачивания. Наибольший эффект достигается при обсыпке электрокорундом, смачиваемость увеличилась на 30%. Разница в 10% с образцами, обсыпанными КДСП, объясняется размерами фракций порошков. Чем больше размер частиц, тем менее пористая структура, а значит, смачиваемая способность повышается в меньшей степени. Погружение обсыпанных моделей в растворы ПАВ тоже показало хороший результат.
Разработчики отмечают, что метод способен визуализировать результат первичной обсыпки модели с липким слоем. Все дефекты первого слоя сразу видны, это позволяет повторно нанести липкий слой на непокрытые места и заново их обсыпать электрокорундом. Эта особенность технологии позволяет практически на 100% устранить брак лицевого слоя литейной формы.
Метод нанесения гидрофильного слоя с пористой структурой на восковую модель упростит технологию подготовки литейных форм. Разработка ученых ПНИПУ позволит более эффективно изготавливать металлические детали сложной формы для авиационной, машиностроительной и аэрокосмической промышленности.