Исследователи из Самарского государственного технического университета (Самарский политех, СамГТУ) провели сравнительный анализ свойств формовочных смесей, используемых для изготовления разовых литейных форм, и пришли к выводу, что если вместо природного кварцевого песка использовать бокситовый — искусственный огнеупорный материал на основе оксида алюминия, то форма получается прочнее, а отливки качественнее.
«Сегодня до 83 % всех отливок в мире производится литьем в неметаллические разовые формы. Примерно30 % приходится на литье в формы из песчано-глинистых смесей, а около 48 % — на формы из холодно-твердеющих смесей. При этом требования к точности и качеству отливок постоянно растут. Поэтому мы ищем способы улучшения свойства формовочных материалов и альтернативу традиционному кварцевому песку, у которого есть серьезные недостатки. Например, кварцевый песок при контакте с расплавленным металлом претерпевает кристаллографические превращения и растрескивается с образованием пылевидной фракции, которая может образовывать пригар на поверхности отливки, а также безвозвратно теряется при регенерации отработанных формовочных смесей», — рассказал один из авторов исследования, декан факультета машиностроения, металлургии и транспорта СамГТУ Константин Никитин.
Чтобы подобрать альтернативу кварцевому песку, ученые сравнили три типа смесей: песчано-глинистые (с разным содержанием глины), жидкостекольные (с продувкой углекислым газом) и смоляные холодно-твердеющие смеси песка и специального связующего, которые затвердевают без нагрева (тоже с разной длительностью продувки углекислым газом).
«С увеличением доли глины прочность на разрыв, осыпаемость и газопроницаемость — если в форме мало или отсутствуют микроскопические каналы, то газы, выделяющиеся из затвердевающего сплава и образующиеся от сгорания связующего материала, накапливаются в форме, она, как бы, «задыхается» от этого, и внутри отливки появляются газовые раковины и поры — снижаются. При этом прочность на сжатие немного растет. Это означает, что чем больше глины, тем плотнее и прочнее форма, но хуже ее способность пропускать газы. Увеличение времени продувки углекислым газом с 10 до 90 секунд приводит к снижению прочности и росту осыпаемости. Особенно это заметно у смоляных холодно-твердеющих смесей. Причина — образование гидрокарбоната натрия, который делает форму хрупкой», — пояснил Константин Никитин.
По результатам исследования, синтетический бокситовый песок обеспечил более высокую прочность, газопроницаемость и теплопроводность, а также меньшую осыпаемость форм по сравнению с кварцевым песком. Кроме того, бокситовый песок химически инертен, не разрушается при нагреве из-за чего отработанные формовочные смеси лучше и проще поддаются регенерации, обеспечивая возможность их повторного использования без ухудшения свойств формовочных смесей.
Ученые отмечают, что переход на новые огнеупорные наполнители позволит повысить точность отливок, снизить брак и сделать литейной производство более экономичным и экологически чистым. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию составов смесей, изучение возможностей изготовления разовых литейных форм средствами аддитивных технологий и внедрение своих разработок в промышленность.
Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда и квалифицированного заказчика.
