Metale mają bogate życie wewnętrzne. Biorąc pod mikroskop jakiś stop, zobaczylibyśmy ziarnistą strukturę przypominającą mnóstwo rodzynków w cieście. Te rodzynki to kryształy metalu; ciasto to eutektyka, w której atomy metalu najczęściej tworzą związki chemiczne z innymi pierwiastkami. Różnica między nimi polega na tym, w jakiej temperaturze zaczynają się zestalać. Im szybciej przebiega chłodzenie stopu, tym drobniejsze są ziarna.

Reklama

– Generalna zasada mówi, że im drobniejsze ziarno, tym lepsze właściwości mechaniczne ma stop. A drobne ziarna to efekt szybkiego krzepnięcia – tłumaczy dr inż. Piotr Dudek z Instytutu Odlewnictwa w Krakowie. To trochę tak, jakby schładzać alkohol do coraz niższej temperatury – jeśli nie zrobi się tego szybko, cząsteczki wody będą się łączyć w coraz większe kawałki lodu. Dlatego naukowcy postanowili spróbować znaleźć sposób szybkiego i efektywnego chłodzenia odlewów wytwarzanych za pomocą technologii form piaskowych. Rozwiązaniem okazała się woda pod wysokim ciśnieniem.

Technologia form piaskowych to jedna z najstarszych metod stosowanych w odlewnictwie. Polega z grubsza na otoczeniu drewnianego modelu – o kształcie i wymiarach identycznych z docelowym odlewem – masą formierską, czyli piaskiem zmieszanym z żywicą. Po utwardzeniu masy model się usuwa, a w ten sposób w jej wnętrzu pozostaje przestrzeń, którą zalewa się ciekłym metalem. Po ostygnięciu otrzymujemy gotowy odlew.

Ta niezbyt skomplikowana metoda stosowana jest od ponad 2,5 tys. lat. Najstarsze odlewy wykonywane w ten sposób pochodzą z Chin. Pomimo długiej historii nie jest ona pozbawiona wad; odlewy mogą mieć wady strukturalne (z którymi nauczyliśmy się walczyć), mogą ulec uszkodzeniu podczas rozbijania formy, ale najważniejszy jest czas krzepnięcia determinujący wielkość ziaren. – Dlatego postanowiliśmy sięgnąć po rozwiązanie znane z innej metody wykonywania odlewów, czyli metody ablacyjnej, i opracować taki skład masy formierskiej, aby można ją było usuwać strumieniem wody – jednocześnie chłodząc w kontrolowany sposób odlew – tłumaczy dr Dudek.

Masa formierska to mieszanina zwykłego piasku poddanego obróbce mechanicznej celem uzyskania odpowiednio drobnych ziaren. Funkcję spoiwa mogą pełnić różne rodzaje żywic, a ponadto mieszanina może być wzbogacona dodatkami, np. gliną. Do swojego wynalazku naukowcy musieli zaprząc oczywiście żywice rozpuszczalne w wodzie. Formę piaskową umieszcza się na obrotowym stole i zalewa ciekłym metalem. Stół oprócz ruchu obrotowego dodatkowo unosi się lub opuszcza – tak, żeby oprysk był dokładny, a chłodzenie jak najbardziej równomierne. W ten sposób zapobiega się wadom, jakie mogłyby się pojawić w trakcie stygnięcia.

– Uzyskaliśmy w ten sposób z sukcesem kilkanaście odlewów ze stopów aluminium. Badaliśmy optymalne wartości ciśnienia strumienia wody, które powoduje destrukcję formy piaskowej, prędkości obracania i opuszczania formy. Wcześniej oczywiście trzeba było opracować skład masy. Teraz chcemy przetestować metodę na stopach wyżej topliwych niż aluminium – mówi dr Dudek.