книги из ГПНТБ / Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика

Однако, суспензии кварцевого стекла с .плотностью вплоть до 1,90—1,93 г/см3 при содержании в них опреде­ ленного количества крупной фракции, как правило, про­ являют некоторую осаждаемость. Обусловлено это от­ сутствием в них достаточного предела текучести и ньюто­ новским или дилатантным характером течения. При еще большем увеличении плотности суспензий (до 1,94 г/см3 и выше) они становятся полностью седиментационно устойчивыми даже при содержании 20—30% фракции, большей 0,5 мм. При этом, видимо, вследствие концент­ рационного структурообразования появляются те незна­ чительные (порядка 1—3 дин-ісм-2) значения Р k„ кото­ рые достаточны для полной устойчивости системы. Меж­ ду тем, наличие столь незначительных величин предела текучести не могло быть экспериментально подтвержде­ но, так как находилось в пределах точности измерения применяемого прибора [72].

С уменьшением максимального размера частиц, а также их количества и особенно увеличением количест­ ва мелкой фракции уменьшается нижний предел плот­ ности суспензий, при которой начинает проявляться •осаждаемость. Например, суспензия с рс = 1,91 г/см3 и содержащая 32% частиц до 5 мкм, 9% 50—315 мкм оказалась полностью седиментационно устойчивой при литье крупногабаритных отливок, в то время как сус­ пензия с такой же плотностью, но с более крупным зерновым составом (до 5 мкм — 25%,. 50-1- 400— 19%), существенно расслаивалась. При уменьшении макси­ мального размера частиц до 50—100 мкм при содержа­ нии частиц до 5 мкм 30—40% суспензии могут быть устойчивыми при уменьшении их плотности вплоть до 1,83—1,88 г./см3.

Полная седиментационная устойчивость суспензий может достигаться посредством частичной их коагуля­ ции, например добавкой кислоты. При этом суспензии проявляют тиксотропное течение и достаточную для до­ стижения устойчивости величину 7%. В то же время незначительная коагуляция (до pH = 34- 4) не приводит к существенному понижению плотности отливки.

Для повышения седиментационной устойчивости суспензий были опробованы добавки аэросила [72, 751. Аэросил,-представляя собой коллоидно-дисперсный (с размером частиц 0,01 мкм) синтетический кремнезем, используется, как известно [125, 145], в качестве добав-

112

Скорость литья mo этому методу определяется на одном из двух устройств, 'Показанных на рис. 51. Устрой­ ство с двумя полуформами (а) целесообразно исполь­ зовать в случае исследования литья без существенного расслоения твердой фазы; с одной формой (б )— как

Рис. 51. Схемы устройства для определения характера-

ментационную устойчивость суспензий. Для проведения определений исследуемая суспензия заливается в соб­ ранные формы до верхнего уровня прибыли, соответст­ вующего нулевой отметке. В процессе набора массы, сопровождающегося понижением уровня суспензии в прибыли, по мерному цилиндру фиксируется ее расход ДѴ в зависимости от продолжительности процесса до окончания литья образцов. Обработка полученных дан­ ных и последовательность операций для определения

различных характеристик осуществляется, как приведе­ но іииже.

Первоначально строится кривая кинетики уменьше­ ния объема суспензии при литье (ЛК—т), как показано на рис. 52, при литье образца с толщиной 9 мм. По этой кривой производится расчет толщины слоя массы, набранной на гипсовую форму. Эта же кривая эквива­ лентно описывает коэффициент заполнения формы наб-

Как следует из рисунка, -объем суспензии, необходимый для набора заданной толщины образца в форме (9 мм), составляет 30 мл. Отсюда следует, что расходу суспен­ зии, равному 30 мл, соответствует коэффициент запол­ нения формы набранной массой ф=1 или толщина набранной массы 9 мм.

Является закономерным, что набор массы происходит параллельно рабочей поверхности формы и что расход суспензии в прибыли пропорционален толщине набран­ ной массы. В этом случае следует, что в люібой из про­

115

Определение толщины набранного слоя можно про­ изводить ;и не доводя набор массы в формах до полного окончания. При этом порядок опыта должен быть сле­ дующим: осуществляется набор массы до определенно­ го расхода суспензии, сливается ее остаток, форма раз­ бирается и подсушивается е отливкой. После этого от­ ливка извлекается и с помощью микрометра измеряется ее средняя толщина, являющаяся в дальнейшем опре­ деляющей для расчета кинетики набора массы по формуле (44).

Соответственно изложенному, определение скорости набора массы сводится к построению графической зави­ симости ДV —■т и дополнительной оси для к, по вели­ чине, совпадающей е осью для ДѴ. Конечное значение ДѴ должно соответствовать конечному значению толщины отливки /і. Обе оси должны быть разбиты при этом про­ порционально до нулевых значений в исходной точке,

имеет равную плотность по толщине. Между тем извест­ но [122], что вследствие тиксотропного структурообразования в ряде случаев плотность отливки по мере ее удаления от гипсовой формы может уменьшаться. Для

этом находилась в пределах 2,0—11 мм. Все полученные отливки обладали равной плотностью 1,94 г/см3. Между тем при использовании суспензий большей плотности и при литье более толстостенных отливок может наблю­ даться неравноплотность отливок по толщине вследст­ вие структурообразования суспензий при старении.

Указанный метод позволяет определять и коэффици­ ент фильтрации при наборе массы. Известно [148], что

116

удельное сопротивление осадка является самым сущест­ венным фактором, определяющим скорость фильтрова­ ния, в связи с чем скорость процесса шликерного литья определяется проницаемостью дисперсионной среды суспензии через слой набранного слоя массы. Коэффи­ циент фильтрации при наборе массы кф определяется следующим образом. После заданной продолжительно­ сти набора массы суспензия из форм сливается, в лит­ ник заливается вода и определяется ее расход во време­ ни. Последняя выражается прямолинейной зависимо­ стью А К =/(т), характерной [149] для фильтрации дисперсионной среды, происходящей через уже сформи­ ровавшийся осадок (стационарная фильтрация). Коэф­ фициент фильтрации кф наібранного слоя массы опреде­ ляется по формуле

где ДК/Дт — расход воды в литнике за определенный ин­

Влияние пористости набираемой массы

В общем виде временная зависимость толщины слоя набранной массы Іг в процессе шликерного литья выра­ жается [150—154] формулой

мой массы. Пористость массы или отливки определяется в свою очередь реологическими свойствами, стабилиза­ цией, коагуляцией суспензии, дисперсностью твердой фа­ зы в ней.

При шликерном литье кварцевой керамики сущест­ венное влияние на пористость отливки (и, соответствен­

117

но, на скорость литья) оказывает степень стабилизации суспензий. На рис. 53 показана кинетика литья на осно­ ве суспензий с различной продолжительностью стабили­ зации. Из рисунка следует, что отмечается существен­ ная разница в скорости литья, если сравнивать нестабплизнрованиую (кривая 2) и стабилизированную (кривая 4) суспензии. К примеру, если отливка с h = 6 мм в пер­ вом случае набирается за 45 мин, то во втором — за 152

мин. Соответствующие значения плотности отливок для этих суспензий равны 1,88 и 1,95 г/см3 (пористость 14,5 и 11,5%). На том же рисунке в качестве сравнения пока­ зана и скорость электрофоретического формования из стабилизированной суспензии [81]. Влияние, аналогич­ ное показанному на рис. 53, стабилизация оказывает и на суспензии, полученные методом суспендирования. Одна­ ко в данном случае скорость литья в десятки раз больше, что обусловлено большей пористостью отливок.

Отмечается хорошее соответствие между показателя­ ми вязкости суспензии, величина которой регулируется продолжительностью и интенсивностью перемешивания и скоростью набора массы. Последнее проиллюстрирова­ но на рис. 54 для суспензии, полученной суспендировани­ ем. Указанная зависимость обусловлена следующим.

118

Меньшая вязкость суспензии при равной ее концентра­ ции обусловливает большую плотность упаковки массы при наборе (.меньшую пористость), что в свою очередь замедляет скорость набора массы [81].

Рис. 54. Зависимость пористости отливок (/) и. продолжи­ тельности литья отливок толщиной 14 мм (2) от условной вязкости суспензии кварцевого стекла, полученной суспен­ дированием (рс =1,72 г/ом3; до 5 мкм —20%; >63 м км —

5,1%)

Существенное влияние на плотность отливки и ско­ рость литья оказывает pH суспензии, что показано на рис. 55. При этом для регулировки pH применялась со­ ляная кислота (при pH ниже 5,3) N H 4O H при pH выше 5,3. Как следует из рисунка, максимальные значения Ротл и т соответствуют области рН=4,5ч-6. Значитель­ ная коагуляция суспензий (в области низких значений pH) приводит к резкому падению р0Тл и росту скорости литья.

Существенное замедление скорости литья наблюда­ лось при применении вибрации. Последнее обусловлено повышением при этом плотности набираемой массы. Литье из суспензий с добавкой поверхностно активного вещества (триэтаноламина) приводило к росту скорости набора массы и к пропорциональному увеличению по­ ристости набираемой массы.

На рис. 56 дана скорость литья в зависимости от порцстости для двух суспензий сравнимой дисперсности, по­ ристость отливок и скорость литья для которых регулиро­ валась стабилизацией (кривая 1) и pH (кривая 2). В области указанной пористости отливок скорость, наборамассы может отличаться в 50 раз. Особенно резкое за-

119

медление скорости литья наблюдается при пористости отливки ниже 12—13%. Таким образом, все факторы, способствующие повышению плотности отливки в такой же степени уменьшают скорость литья и наоборот.

Влияние дисперсности твердой фазы

Скорость литья во многом определяется и дисперс­ ностью твердой фазы в суспензии. Последнее показано на рис. 57 для случая литья из высокоплотных крупно-и тонкодисперсных суспензий (кривые 1, 4) и их смесей (кривые 2, 3). Указанные суспензии по дисперсности охарактеризованы содержанием в них частиц размером до 5 мкм. Продолжительность формования отливки тол­ щиной 10 мм из токнодиоперсной суспензии (кривая 4) в 2,5 раза больше, чем из крупнодисперсной (кривая /). Характерно, что при этом пористость отливок из тонко­ дисперсной суспензии значительно выше, чем из крупно­ дисперсной (10,2 и 14% соответственно). Это свидетель­ ствует о том, что в случае существенной разницы в дис­ персности твердой фазы последняя может играть боль­ шую роль, чем указанная разница в плотности (порис­ тости) набираемой массы.

120