Ячеисто-каркасное литье – путь к новым материалам - Энергетика и промышленность России - № 07 (147) апрель 2010 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/147/11384.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 07 (147) апрель 2010 года

Ячеисто-каркасное литье – путь к новым материалам

Производство для энергетики Владимир ДОРОШЕНКО

Современное литейное производство ориентируется на существенное снижение металлоемкости изделий. В связи с этим в мире наблюдается распространение литья по газифицируемым моделям (так называемый ЛГМ-процесс).

Способ заключается в том, что пенопластовая модель в форме из сухого песка замещается расплавленным металлом и образует высокоточную отливку.

При ЛГМ исключается применение связующих для песка, а прочность формы достигается за счет вакуумирования: перепад атмосферного давления и внутриформенного разрежения прессует форму, отводя газы из формы без выделения дыма в атмосферу цеха.

Отдел формообразования Физико-технологического института металлов и сплавов Академии наук Украины в течение последних десятилетий совершенствует технологию ЛГМ в ее различных разновидностях. Институт спроектировал и запустил ряд цехов в России, Польше и Вьетнаме. Один из последних объектов – цех производительностью 400 тонн в месяц в Днепропетровске.



3‑D на службе металлургов

Производственный потенциал технологии ЛГМ в плане создания новых материалов и конструкций далеко не исчерпан. Ежегодно появляются сотни патентов в этой области.

Исключительная легкость обработки пенопластов особенно актуальна в связи с совершенствованием и удешевлением 3‑D фрезеров, которые с экрана компьютера вырезают из плиты пенопласта все, что изображено на экране монитора. Это позволяет не только быстро получить модель отливки, но и сразу – модель пресс-формы с автоматическим учетом припусков и размеров нескольких технологических переделов.

Проще говоря: нарисовал на экране компьютера металлическое изделие (деталь) – получил модель пресс-формы, по этой модели – отлил пресс-форму, по ней получил тысячи моделей и вылил из металла тысячи деталей. Если отливку пресс-формы из алюминия поставить на 3‑D фрезер, он проверит ее размеры и механообработкой доведет до требуемой точности и чистоты поверхности.

С другой стороны, машиностроение для упаковочной промышленности создало большую гамму высокопроизводительных пластавтоматов для получения по указанным пресс-формам любых серий пенопластовых моделей.



Немецкая пена

В последние годы ЛГМ открывает целый спектр расширения возможностей литейного производства. Например, в Германии были проведены работы по изготовлению стальной пены литьем по выжигаемым моделям в формах со связующим. На сайте института, проводившего эти работы, показаны фотографии пенополиуретановой пены с открытыми порами размером до 2,5 миллиметра, которая служит выжигаемой моделью для литья стальной пены, а также – образцы литой пены из нержавеющей стали.

В исследованиях отмечается, что ячеистые материалы расширяют существующий спектр свойств, так как они на 50‑90 процентов легче компактных материалов, а стальная пена имеет минимальную (около 80 процентов) пористость и высокую для данного уровня пористости конструкционную прочность и жесткость.

Однако промышленное использование полиуретановой пены в качестве модели с размером пор не выше 2,5 миллиметра, по нашему мнению, ограничивает размеры получаемой металлической пены как ячеистого материала, кроме того, на ней трудно стабильно получать одинаковые функциональные свойства (проницаемость двух одинаковых образцов различна).

Такой процесс получения пены имеет длительные энергоемкие операции (выжигание модели, прокаливание формы), подобные литью по выплавляемым моделям. Оценив технические возможности изготовления пены и сотовых конструкций, мы разработали ряд новых конструкций моделей для ЛГМ.



По законам кристаллографии

Новые материалы имеют потенциал применения как несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие и демпфирующие удары конструкции, способные взаимодействовать с объемом или потоком вещества или энергии. Они применимы для очистки газов и жидкостей, для глушителей шума и датчиков систем давлений, взрыво- и пламепреградителей, адсорбционных, акустических, отопительных и теплообменных устройств, элементов источников тока, катализаторов, электродов, а также для сверхлегких конструкций – в том числе летательных и космических аппаратов. Кроме того, они могут использоваться как основа для композиционных материалов.

В отличие от германской технологии, во ФТИМСе в настоящее время созданы и патентуются варианты литья металлов с открытой пористостью в вакуумируемые формы из сухого песка без связующего по пенопластовым моделям. Модели выполнены в виде пространственных решеток – в частности, напоминающих изображение кристаллических решеток в кристаллографии. При этом участки между узлами ячеек литейной модели заполнили перемычками (перегородками), а сами узлы стали служить соединениями или скрещиваниями перемычек.

Для кристаллических решеток по канонам кристаллографии характерна трехмерная периодичность: определив структуру одной элементарной ячейки, можно построить всю решетку – например, используя простую геометрическую операцию параллельного переноса.

Модель участка двумерной «сетки» таких решеток с одним рядом вертикальных перемычек удобно выполнить в пресс-форме с плоским разъемом. При этом получаются элементы одной конструкции, из которых путем склеивания в стопке (повторением в решетке) набирают пространственную решетчатую конструкцию. Выполнение модели по указанному методу гарантирует получение сквозных одинаковых пор или полостей, минимальные размеры которых ограничены лишь возможностью их заполнения сухим песком на участках ЛГМ.

Размеры пор-отверстий получаемого литого материала могут быть до десятков и больше миллиметров, тогда как размеры ячеек решеток кристаллов, используемых как прообразы для пенопластовых моделей, составляют порядка десятых нанометра.



Повторение в пространстве

Для литого ячеистого материала, составленного из указанных плоских решеток, полученных в пресс-формах, целесообразно применить все требования литейной технологии – например, выполнить на модели литейные радиусы. Это позволит плавно залить металлом форму и увеличит жесткость конструкции. Лучшая заполняемость расплавом достигается по перемычкам цилиндрической формы, где минимизирована площадь теплоотдачи.

Если размеры ячеек позволяют, то можно ввести в пространство между перегородками пористые, непроницаемые для песка, трубопроводы. Подключение этих трубопроводов к вакуумному насосу улучшает заполнение формы металлом, стимулируя эффект вакуумного всасывания расплава, который предотвратит недоливы формы и позволит значительно увеличить размер литой конструкции, даже тонкостенной.

При изготовлении модели решетки повторяющиеся элементы из пенополистирола получают спеканием в пресс-форме или вырезанием из блока (в единичном производстве). Такое выполнение модели гарантирует получение сквозных пор или полостей, которые заполняют сухим песком при формовке. Для изготовления в заданном месте пористой модели монолитного участка или стенки этот участок или несколько перемычек обматывают синтетической пленкой, предотвращая доступ песка в эту зону модели, заполняемую впоследствии металлом.

Каждая из пор литого материала, полученного по таким моделям, имеет точные стабильные размеры, форму, пространственную ориентацию в материале, периодичность повторения, толщины стенок и перемычек (в отличие от полиуретановой пены), поскольку модель выполняется по чертежам и изготовляется чаще всего в точной металлической пресс-форме (предпочтительно на пластавтоматах).

Расширению служебных свойств материала будет способствовать, например, введение в его поры при сборке модели вставок из другого материала, которые остаются в литой конструкции.

Полости и перемычки литого материала могут выполняться различных размеров и форм, с разным их чередованием.

Прочностные характеристики материала будут иметь некоторую корреляцию с параметрами кристалла, кристаллическая решетка которого копируется, а металл литых тонких (3… 8 мм) перемычек, как правило, в 1,2… 1,4 раза прочнее, чем толстостенных (15… 40 мм), из‑за образования в тонких телах преимущественно мелкозернистой структуры.



Резервы метода

В отдельных случаях, во избежание образования трещин от напряжений, вызванных усадкой металла, некоторые или все перемычки литого материала могут выполнять криволинейными, например S-образными, а стенки неплоскими. Такое «улучшение структуры» копируемых природных конструкций при создании наших материалов повышает служебные свойства последних, когда важно достичь большой удельной площади поверхности – при применении их для электродов, теплообменников, катализаторов, и т. п.

Для сборки нескольких литых каркасных деталей в одну конструкцию на свободных концах перемычек этих деталей литьем могут быть выполнены средства монтажа либо предусмотрена возможность сваривания – в том числе, с изделиями из проката. А литейную модель фасонного изделия из ячеистых материалов можно формировать при ее сборке из элементов либо вырезать (например, нихромовой проволокой) из собранного ячеистого пенопластового блока.

Оптимизация пространственных литых конструкций и размещения одноразовых моделей в объеме песка – один из резервов новых возможностей, свойственных «объемной» формовке при ЛГМ, в отличие от формовки с плоскостью разъема, присущей традиционным видам литья в парных опоках.

Это преимущество ЛГМ прежде всего используют для мелких отливок при сборке одноразовых моделей из элементов в стопки или «кусты», с одновременным формированием коллектора литника как несущей конструкции, чем в 1,5‑2 раза увеличивают металлоемкость формы.



Металлическая ботаника

С целью повышения качества и служебных возможностей пространственных отливок, а также отливок, заливаемых в виде блоков или «кустов», предложено модельные конструкции собирать по принципу ботанического явления филлотаксиса (буквально – листорасположения). Это явление изучает раздел морфологии растений. Согласно данному признаку листья размещаются на стебле в строго заданной последовательности. Наиболее распространен спиральный филлотаксис с одним листком на узле: одинаковый угол между соседними листками создает структуру, когда ни один из них не затеняет других. (Здесь природные, созданные из повторяемых элементов симметричные структуры, в которых четко прослеживаются числовые закономерности, подтверждают слова В. И. Вернадского о неевклидовой геометрии живой природы).

Подобно образованию в пространстве листовой мозаики, призванной улавливать растением как можно больше света, наиболее рациональное размещение модельных элементов – как в целостной пространственной конструкции, так и деталей на коллекторе, – позволит равномерно расположить элементы модели в вакуумированном песке формы. Равномерность вакуумирования повысит качество отливок, при одновременном улучшении режима эвакуации из формы продуктов газификации, оптимизирует газовое давление (как в песке, так и над зеркалом металла во время заполнения им формы), а также уменьшит вероятность образования дефектов при скоплении углеродсодержащих продуктов на полученной отливке. Охлаждение равномерно размещенных в объеме песка отливок или их частей также способствует повышению стабильности их свойств.



То, чего на свете нет

Предложенные новые модельные конструкции упростят конструирование ячеистых материалов, которые называют материалами будущего.

В качестве примера применения пористых отливок можно представить модель кольцеобразной детали диаметром около 600 миллиметров, которая имеет сквозные отверстия конусной формы по всему своему телу, тем самым представляя собой относительно простой вариант пористой конструкции. Диаметры одинаковых конусных отверстий имеют размеры: максимальный – 5 миллиметров, минимальный – 2 миллиметра. Эта деталь служит колосником промышленной печи для сжигания сухой соломы и камыша как альтернативных источников энергии. Выливание таких деталей другими способами, кроме ЛГМ, со сравнимой экономичностью, практически невозможно.

Ячеистые пространственные материалы, полученные методом ЛГМ, расширят существующий спектр свойств по сравнению с компактными материалами. А литые решетчатые материалы (в частности – аналоги которых взяты из мира живой и неживой природы) из сборных модельных элементов упростят конструирование и позволят наладить выпуск ячеистых материалов и каркасных легковесных изделий.

Развитие подобных технологий открывает пути заимствования известных нам конструкционных закономерностей природных материалов не только для их копирования, но и для получения новых материалов и конструкций, в природе не существующих.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 07 (147) апрель 2010 года: