1.2 Способы формования нитрида алюминия
Существует много методов формования нитридной керамики: изостатическое прессование, горячее прессование, литье на основу, инжекционное литье, литье термопластичных шликеров.
1.2.1 Литье из термопластичных шликеров
Как и при литье в гипсовые формы, литье термопластичных шликеров требует разработки индивидуальных способов литья для каждого данного материала. Для каждого вида материала необходимо подбирать свою связку, режим литья, а также учитывать происходящие в шликере физико-химические процессы [5].
Общая технологическая схема процесса получения изделия с применением литья из термопластичных шликеров сводится к следующему: подготовка дисперсной фазы; приготовлению термопластичной связки; приготовлению шликера; подготовка форм; литье; удалению связки; спеканию [6].
Опыты показали, что для получения шликеров с хорошими литейными свойствами следует применять порошки, которые по форме приближаются к сферическим. На свойства шликера влияет дисперсность и гранулометрический состав. Критерием в этом случае следует считать количество связки, необходимое для образование шликера, либо величина вязкости для шликеров с одинаковым соотношением т:ж.
Приготовление термопластичной связки. Для приготовления термопластичных шликеров в технологии горячего литья могут быть применены различные термопластичные вещества: поливинилхлориды, поливинилацетаты и другие, позволяющие получать отливки с высокой плотностью и прочностью. Связка должна при минимальном содержании обеспечивать образование текучего шликера с максимальным коэффициентом упаковки, что может быть достигнута только в том случае, если между частицами твердой фазы будут жидкие прослойки минимальной тольщины.
Свойства шликеров зависит от состава и концентрации ПАВ (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая кислоты, животные жиры, пчелиный воск, растительные масла и т. д) наиболее эффективным при разжижении шликеров различных материалов является пчелиный воск, затем стеарин и олеиновая кислота; другие исследованые добавки менее эффективны [5].
Избыточная содержание ПАВ может изменить структурно-механические свойства шликера и отливки. Введение в состав пластификатора термореактивных смол повышает предел текучести и пластической вязкости заготовок при повышенной температуре. Термореактивные вещества добавляют в количестве 10-12% от общего количества пластификатора [6].
Рисунок 1 Технологическая схема приготовления материала
Приготовление шликера. Окончательную операцию приготовления шликера осуществляют смешиванием его составляющих в смесительных аппаратах при температуре, превышающей температуру плавления связки. Существует несколько вариантов приготовления литейных систем, выбор которых определяют, исходя из способов подготовки дисперсной фазы и приготовления дисперсионной среды.
Если измельчение производят горячим помолом в связке с ПАВ, то при этом измельчение порошка и образование шликера совмещаются. Такой способ приготовления шликера имеет преимущество перед другими, поскольку не нуждается в специальной операции, прост в осуществлении и обеспечивает получение качественных литейных систем. Технологическим затруднением привыполнении его является замедленность размола, связанной с высокой вязкостью шликера. Из опрованных мельниц – ротационной и вибрационной – вторая оказалась более эффективной. В качестве футеровочного материала вибромельниц рекомендуется применить керамику и закаленную сталь. Пластмасса и резина в данном случае уступают им [5].
При использовании порошков, измельченных мокрым и сухим способом, применяют предварительный разогрев дисперсионной среды и дисперсной фазы. Порошок следует подогревать до 150, а связку до 90-100 ºС. Превышение этих температур нерационнальное из-за интенсивного испарения связки и ПАВ. Снижение температуры связки перед перемешиванием ниже 90 ºС приводит к повышению вяскости шликера.
При использовании измельченных порошков, содержащих ПАВ, подогрев их выше 60-80 ºС не рекомендуется во избежание испарения ПАВ. В этом случае производят разогрев связки до 80-100 ºС,а порошок вводят нагретым либо до комнатной температуры, либо до 60-80 ºС.
При любом способе перемешивания без применения ваккума в шликере остаются пузырьки воздуха, которые значительно влияют на качество и свойства отливок и спеченных изделий.
Вакуумирование благодаря, удалению воздуха из шликера приводит к улучшению всех его технологических свойств, снижают вязкость и позволяет при этом уменьшить содержание связки на 1-2% [6]. Шликер можно вакуумировать в вакуумной камере, но лучшие результаты достигаются при вакуумировании его в процессе приготовления. Приведенные данные показывают, что для обезпечения бездефектного литья длительность вакуумировании в ротационнай вакуумной мешалке составляет 45-60 мин. Слив шликера, а также заливку его в литейную машину целесообразно производить вакуумным всасыванием.
Литье. Применение обородувание при литье зависит от вида используемого пластификатора, его свойств и температуры плавления,а также от формы изделия. Если в качестве основы связки применяют термореактивные или термопластичные органические вещества или их комбинации с температуры плавления выше 100º С, то формование осуществляют на литейных машинах, подобных машинам для литья изделий из пластических масс.
Плотность отливки возрастает при увеличении давления при выдержке, когда шликер заполняет центральный канал в отливке, образовавшийся вследствие усадки и миграции пластификатора. В то же время очень большое давление при отливке обусловливает турбулентный характер его движения. Поэтому заполнение формы желательно производить при одном, сравнительном небольшом, давлении, а выдержку – при другом, значительно большем.
Рисунок 2 Распределение содержания пластификатора в различных зонах отвердевшей заготовки в зависимости от давления при отвердевании
При литье сплошных деталей простой конфигурации для повышения плотности желательна низкая температура форм (до 10ºС). Более высокую температуру формы (15-25 ºС) применяют при отливке сложных тонкостенных изделий. Повышения температуры формы необходимо и тогда, когда имеются элементы, препятствующие усадки (пуансоны, штыри).
Существенное влияние на качество литья оказывает конструкция литейной формы. Как видно из рисунка, конструкция формы, определяя процесс охлаждения отливки, может способствовать получению сплошных либо пористых с раковинами отливок.
Рисунок 3 Схема механизма отвердевания шликеров в форме при различных конфигурациях отливок, направления, размерах и расположениях литников
На процесс литья влияют свойства шликера. Повышение вязкости, теплопроводности и скорости затвердевания снижает литейные характеристики шликеров и ухудшает качество литья. И наоборот .хорошая текучесть. Низкие значения теплопроводности и скорости затвердевания способствуют качественному литью.
Удаление связки и спекание отливок. Если отливку поместить в печь при температуре, превышающей температуру плавления шликера, она расплавится. Что бы этого не произошло, применяют технологическую операцию – удаления связки, которое осуществляют нагревом отливок в адсорбентах, активно поглощающих расплавленную связку.
При повышении температуры удаление связки из отливки происходит поэтапно – в начале плавится связка, затем происходит испарение легких фракции, далее идет пиролиз более тяжелых углеродов, выгорание углеродистого остатка и наконец, спекание начальной стадии. Наиболее опасным моментами при нагревании отливки, которые могут привести к ее разрушению, являются переходы связки из твердого в жидкое (50-60ºС) и из жидкого в газообразное состояние (150-170 ºС) [7].
На рисунке представлен типовой график нагрева отливок при удалении связки, нагрев осуществляют поэтапно следующим образом. На первом этапе производят разогрев отливок до их расплавления (80-100ºС) с выдержкой при этой температуре, достаточной для прогрева и плавления детали по всему объему. Затем, на втором этапе производят плавный нагрев до температуры 160-200ºС. В это время происходит миграция жидкой связки в засыпку и начинается процесс испарения. Далее производят выдержку, после чего медленно поднимают температуру до 300ºС [6].
Термопластичную связку из отливок удаляют полностью или частично. При полном ее удалении отливку нагревают согласно типовому режиму. При этом уже при температуре 400-500ºС удаления связки заканчивается; дальнейший нагрев производят с целью повышения прочности заготовок.
Рисунок 4 Типовой график разогрева полуфабрикатов при удаления связки
1зона плавления отливки;2зона удаления связки миграцией в жидком состоянии, испарениям;3зона выжигание остатков связки;4зона начальной стадиях спекание
В работе указывается [8], что при недостатке кислорода в атмосфере печи при температурах 400-600ºС возможно неполное выгорание остатков связки. Однако результаты исследование удаления связки в среде водорода показала, что в этих условиях полностью осуществляется процесс пиролиза парафина и других составляющих и отливки практически не загрязняются углеродом.
После удаления связки отливки спекают. При условии, что удаление связки было частичным, дальнейшее выгорание ее остатков, как правило, производить медленно в интервале температур 100-400ºС. При спекании отливок после полного удаления связки разогрев до 800-900ºС производят форсировано, а затем подъем температуры замедляют.