Литейное производство
СЕРГЕЙ ГЛЕБОВ
СЕРГЕЙ ГЛЕБОВ
Freeze-Casting
Материалы и технология изготовления из них изделий неразрывно связаны, т.к. технология в значительной мере влияет на свойства материала в изделии. Эта связь особенно проявляется при изготовлении изделий из керамики и из материалов на её основе.
Freeze-Casting – способ (ы) изготовления изделий литьём с фиксацией их формы замораживанием, т.е. охлаждением до температур ниже точки отверждения (замерзания). В последние годы в мире активно исследуются варианты практического применения для изготовления изделий из керамики, металлов, полимеров, композитов, что подтверждается количеством публикаций в ведущих мировых рецензируемых изданиях [www.freezecasting.net].
Множество способов, объединенных общим названием Freeze-Casting, предусматривает удаление замороженного растворителя суспензии сублимацией. Это накладывает определенные ограничения на манипуляции с полуфабрикатом изделия до придания ему требуемой конструкционной прочности.
Из числа способов Freeze-Casting большой интерес, как в научном, так и в прикладном плане представляет способ изготовления керамических изделий из водных кварцевых шликеров и суспензий на основе коллоидного гидрозоля двуокиси кремния замораживанием [1…7].
Способ включает операции по приготовлению водной суспензии, по приведению суспензии в контакт с охлаждаемой формообразующей оснасткой, замораживанию суспензии в контакте с охлаждаемой оснасткой, отделению замороженного полуфабриката от оснастки, его термической обработке (сушке и обжигу). Важно, что для оттаивания замороженного полуфабриката, его сушки и обжига не требуется каких-либо специальных условий. В процессе замораживания изделие отверждается и не теряет при размораживании размеры, форму и пористость, сформированную растущими кристаллами льда (рис. 1 и 2).
Freeze-Casting – способ (ы) изготовления изделий литьём с фиксацией их формы замораживанием, т.е. охлаждением до температур ниже точки отверждения (замерзания). В последние годы в мире активно исследуются варианты практического применения для изготовления изделий из керамики, металлов, полимеров, композитов, что подтверждается количеством публикаций в ведущих мировых рецензируемых изданиях [www.freezecasting.net].
Множество способов, объединенных общим названием Freeze-Casting, предусматривает удаление замороженного растворителя суспензии сублимацией. Это накладывает определенные ограничения на манипуляции с полуфабрикатом изделия до придания ему требуемой конструкционной прочности.
Из числа способов Freeze-Casting большой интерес, как в научном, так и в прикладном плане представляет способ изготовления керамических изделий из водных кварцевых шликеров и суспензий на основе коллоидного гидрозоля двуокиси кремния замораживанием [1…7].
Способ включает операции по приготовлению водной суспензии, по приведению суспензии в контакт с охлаждаемой формообразующей оснасткой, замораживанию суспензии в контакте с охлаждаемой оснасткой, отделению замороженного полуфабриката от оснастки, его термической обработке (сушке и обжигу). Важно, что для оттаивания замороженного полуфабриката, его сушки и обжига не требуется каких-либо специальных условий. В процессе замораживания изделие отверждается и не теряет при размораживании размеры, форму и пористость, сформированную растущими кристаллами льда (рис. 1 и 2).
Рисунок 1. Излом керамического изделия с отпечатками кристаллов льда
Рисунок 2. Электрофрактография излома керамического образца (х1000)
Свойство гидрозоля двуокиси кремния необратимо коагулировать при воздействии замораживания было открыто в 1889 году Н. Любавиным [8]. В середине ХХ века это явление изучалось специалистами в области коллоидной химии, но единого представления о механизме воздействия замораживания на коагуляцию гидрозолей, не сложилось.
Планомерные исследования воздействия замораживания на водные суспензии с гидратированной поверхностью твердой фазы проводились в Центральном научно-исследовательском институте материалов в период 1987-1992 г.г..
Была установлена связь между обезвоживанием вследствие вымораживания различных категорий воды и необратимостью отверждения (коагуляции) твердой фазы. Это позволило применить метод замораживания для необратимого отверждения водных суспензий не только на основе гидрозоля двуокиси кремния. Впервые были получены керамические изделия из корундовой керамики (рис. 3).
Планомерные исследования воздействия замораживания на водные суспензии с гидратированной поверхностью твердой фазы проводились в Центральном научно-исследовательском институте материалов в период 1987-1992 г.г..
Была установлена связь между обезвоживанием вследствие вымораживания различных категорий воды и необратимостью отверждения (коагуляции) твердой фазы. Это позволило применить метод замораживания для необратимого отверждения водных суспензий не только на основе гидрозоля двуокиси кремния. Впервые были получены керамические изделия из корундовой керамики (рис. 3).
Рисунок 3. Корундовая форма для получения монокристаллов жаропрочных сплавов
По результатам ряда НИОКР было установлено влияние качественного и количественного состава суспензий, режимов их замораживания, сушки и обжига на физико-механические и технологические свойства керамических изделий.
Разработаны:
- способ изготовления керамических литейных форм и стержней, получивший название «Низкотемпературная формовка» (НТФ-процесс) [9];
- способ изготовления оптических зеркал из карбида кремния;
- образцы опытно-промышленного холодильного и формовочного оборудования.
Дальнейшее развитие способов изготовления изделий из технической керамики и композиционных материалов на керамической основе методом замораживания перспективно как в научном плане, так и прикладном.
В научном плане, изучение процессов замерзания различных категорий воды в суспензиях, выявление причин и закономерностей необратимой коагуляции гидрозолей с различной степенью гидратации поверхности твердой фазы и различными значениями pH целью расширения области практического применения способа.
В прикладном плане, совершенствование технологии и оборудования для изготовления крупногабаритных изделий, например оптических зеркал, в т.ч. с использованием с использованием 3D принтеров [10].
Также представляется перспективным дальнейшее совершенствование технологии и оборудования для изготовления литейных форм и стержней, огнеупорных изделий, фильтров, ячеистых и пористых носителей катализаторов каталитической очистки газов и т.п..
Разработаны:
- способ изготовления керамических литейных форм и стержней, получивший название «Низкотемпературная формовка» (НТФ-процесс) [9];
- способ изготовления оптических зеркал из карбида кремния;
- образцы опытно-промышленного холодильного и формовочного оборудования.
Дальнейшее развитие способов изготовления изделий из технической керамики и композиционных материалов на керамической основе методом замораживания перспективно как в научном плане, так и прикладном.
В научном плане, изучение процессов замерзания различных категорий воды в суспензиях, выявление причин и закономерностей необратимой коагуляции гидрозолей с различной степенью гидратации поверхности твердой фазы и различными значениями pH целью расширения области практического применения способа.
В прикладном плане, совершенствование технологии и оборудования для изготовления крупногабаритных изделий, например оптических зеркал, в т.ч. с использованием с использованием 3D принтеров [10].
Также представляется перспективным дальнейшее совершенствование технологии и оборудования для изготовления литейных форм и стержней, огнеупорных изделий, фильтров, ячеистых и пористых носителей катализаторов каталитической очистки газов и т.п..
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент США № 3512571, НКИ 164-37, МКИ В22С 1/00. Изготовление керамических форм и других изделий методом замораживания.
2. Патент Франции № 2006133, МКИ В22С 23/00. Замораживание суспензии из огнеупорного наполнителя с золем двуокиси кремния.
3. Phelps E.H. Low temperature Formation of investment molds. – Modern Casting, 1968, v.54, № 2, р. 80-83.
4. Патент США № 3177161, НКИ 252-502. Пористые металлокерамические тела.
5. Суздальцев Е.И. Закономерности формирования заготовок кварцевой керамики при намораживании из водных суспензий. – Огнеупоры, 1982, № 4, с. 52-54.
6. Суздальцев Е.И., Савченко П.М. Получение керамики на основе плавленого кварца методом намораживания. – Огнеупоры, 1980, № 7, с. 49-52.
7. Томилов Г.М., Смирнова Т.В. Формирование изделий из кварцевой керамики методом замораживания водного шликера. – Стекло и керамика, 1977, № 10, с. 34-35
8. Любавин Н. Журнал русского физико-химического общества, № 21, 1889, с.397-406
9. Глебов С.М. Низкотемпературная формовка (монография) / LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, -132с.
10. Способ изготовления керамических литейных форм и других изделий (патент), №2338621 кл.B22C 9/00, Заявка №2006135412; -заявлено 06.10.2006г.; -опубл. 20.11.2008г
1. Патент США № 3512571, НКИ 164-37, МКИ В22С 1/00. Изготовление керамических форм и других изделий методом замораживания.
2. Патент Франции № 2006133, МКИ В22С 23/00. Замораживание суспензии из огнеупорного наполнителя с золем двуокиси кремния.
3. Phelps E.H. Low temperature Formation of investment molds. – Modern Casting, 1968, v.54, № 2, р. 80-83.
4. Патент США № 3177161, НКИ 252-502. Пористые металлокерамические тела.
5. Суздальцев Е.И. Закономерности формирования заготовок кварцевой керамики при намораживании из водных суспензий. – Огнеупоры, 1982, № 4, с. 52-54.
6. Суздальцев Е.И., Савченко П.М. Получение керамики на основе плавленого кварца методом намораживания. – Огнеупоры, 1980, № 7, с. 49-52.
7. Томилов Г.М., Смирнова Т.В. Формирование изделий из кварцевой керамики методом замораживания водного шликера. – Стекло и керамика, 1977, № 10, с. 34-35
8. Любавин Н. Журнал русского физико-химического общества, № 21, 1889, с.397-406
9. Глебов С.М. Низкотемпературная формовка (монография) / LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, -132с.
10. Способ изготовления керамических литейных форм и других изделий (патент), №2338621 кл.B22C 9/00, Заявка №2006135412; -заявлено 06.10.2006г.; -опубл. 20.11.2008г