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

ются: пористость, размер капилляров, влагоемкость. Как известно, всасывающая способность литейных форм за­ висит от капиллярного давления их пор. Пористость и размер капилляров в случае гипсовых форм регулиру­ ются водогипсовым отношением раствора для их изго­ товления. С увеличением водогипсового отношения уве­ личивается как общая пористость форм, так и средний размер капилляров. Влагоемкость формы определяется как пористостью, так и соотношением ее толщины к толщине набираемого слоя массы.

В качестве примера влияния характеристики форм на кинетику литья на рис. 58 показана зависимость ско­

1,0 при пористости 62% (кривая 4) Несмотря на значи­ тельно меньшую пористость керамических форм ско­

121

рость литья в них значительно больше, чем при исполь­ зовании гипсовых. При этом в случае использования гипсовых форм отмечается большая скорость литья в формы меньшей пористости. Например, для случая, по­ казанного на рис. 57, продолжительность литья образ­ цов толщиной 10 мм в порядке увеличения номеров крп-

вых составляет 80, 105, 210, 320 мин (соотношение 1 : 1, 3:2, 6:4,0). Плотность набираемой массы при этом от характеристики литейных форм не зависит.

Преимуществом керамических форм по сравнению с гипсовыми является значительно большая механическая прочность и соответственно долговечность. В связи с тем что суспензии кварцевого стекла обладают повышенной концентрацией, сравнительно невысокая влагоемкость керамических форм достаточна для поглощения диспер­ сионной среды в процессе литья.

Согласно существующим представлениям о механиз­ ме процесса шликерного литья [155] показанный на рис. 57 характер кинетики литья обусловлен следующим. С увеличением водогипсового отношения увеличивается не только пористость гипсовых форм, но и средний размер капилляров.

В то же время с уменьшением диаметра капилляров возрастает их поглотительная способность. Указывается

122

[155], например, что в случае образования на гипсовой форме плотной массы с низкой проницаемостью эффек­ тивными в форме являются только поры с гидравличес-

О

ким радиусом до ЗОА. Образуемое этими капиллярами давление достигает 230 атм. При уменьшении водогип­ сового отношения увеличивается доля малых активных капилляров, что и обусловливает большую скорость на­ бора массы в гипсовых формах с меньшей пористостью.

Формы из кварцевой керамики, несмотря на значи­ тельно меньшую их пористость, обладают, по всей види­ мости, большим количеством активных при литье квар­ цевой керамики капилляров. Средний размер капилля­ ров кварцевой керамики по данным газопроницаемости составляет 1—6 • 10~3 мкм [69].

Влияние концентрации суспензии и давления

Процесс шликерного литья основывается на принципе отсоса части дисперсионной среды жидкой фазы из ли­ тейных суспензий за счет капиллярных сил пористых форм. В процессе литья удельная концентрация диспер­ сионной среды в исходной суспензии Г уд распределяется на остающуюся в отливке Г 0тл адсорбируемой литейной формой ѴРф, т. е.

іВеличина, соответствующая Г 0Тл может показывать вместе с тем и влажность образования отливки. При окончании литья дисперсионной средой заполнены, как правило, все поры в набранной массе. Если пренебречь усадкой при сушке, влажность отливки Г 0Тл может быть определена по формуле

При постоянной пористости отливки с увеличением влажности суспензии скорость литья уменьшается, так как при одной и той же скорости отсоса жидкой фазы пористой формой ее количество Wф будет возрастать. В случае же увеличения пористости отливки при одинако­ вой исходной влажности суспензии скорость литья будет повышаться вследствие изменения баланса дисперсион­ ной среды (увеличение Г 0Тл) и уменьшение Гф.

На рис. 59 показана зависимость скорости литья и объема усадки суспензии при литье от ее плотности. Как

123

следует из рисунка, в области указанных значений рс скорость литья изменяется вдвое. Наблюдается хорошее соответствие зависимости AF и т от рс, что подтвержда­ ет ранее изложенные положения. При дальнейшем кон­ центрировании суспензий (Наира-Шер, введением зернис­ того заполнителя) скорость литья еще более увеличива-

ется. К примеру, на основе зернистых суспензий с р0 = =і2,03 г/см3 толщина отливки 8 мм достигается за 15 мин литья [73], несмотря «а малую пористость массы (10%).

На рис. 60, по данным [28], показана скорость литья как при атмосферном давлении (кривая 4), так и при различном значении избыточного давления. В области изученных давлений представляется возможным уско­ рить литье при h — 10 мм более чем в четыре раза.

Исследования влияния температуры суспензии на скорость литья образцов толщиной 14 мм показали, что увеличение температуры с 2 до 25°С увеличивает ско­ рость литья на 80%, а с 2 до 40°С — на 120%. Плотность отливки при этом не изменилась.

Сушка отливок. В отличие от шликерного литья дру­ гих керамических материалов, при литье кварцевой ке­ рамики представляется возможным получить отливки с влажностью 4—8% и очень малой усадкой при сушке (до 0,05%). Благодаря этому процесс сушки высокоплот­ ных отливок протекает быстро даже при комнатных ус­ ловиях. Например, после 20—50-ч сушки крупногабарит­

ных отливок достигается их влажность, меньшая 1%. С целью интенсификации ее можно проводить и в сушили-

124

пых шкафах. При температуре 100—110°С сушка закан­ чивается за несколько часов.

Приведенные данные относятся к отливкам, получен­

усадке соответствует определенный зерновой состав сус­ пензии.

Плотность шликерных отливок

Уплотнение керамических систем

Основные стадии керамической технологии могут рассматриваться, с одной стороны, как процессы посте­ пенного уплотнения дисперсных материалов из порош­ кообразного состояния в компактное тело и, с другой стороны, как процессы, изменяющие виды контактов в пространственных дисперсных структурах. Каждый из этих процессов (подготовка массы с определенным зер­ новым составом, формование, сушка, обжиг) отделен­ ным образом способствует получению готового материа­ ла с требуемой степенью плотности (пористости) за счет качественно различных механизмов уплотнения. Доля уменьшения пористости системы на каждой из стадий технологического процесса может быть различной и оп­

ределяется рядом факторов: методом формования, ви­ дом исходного материала, требуемой конечной плот­

ностью материала и пр.

125

Целесообразно ввести понятие показателя степени объемного заполнения керамической системы твердой фазой (ср), под которым принимается отношение объема твердой фазы Уф.т к объему керамической системы Ѵк-с> т. е.

Под показателем ср для порошков принимается /гуп, для суспензий Сѵ, для отливок и обожженного материа­ ла ротн-

На рис. 61 в общем виде представлена зависимость показателя ср на различных технологических стадиях для случая формования кварцевой керамики шликерным литьем. Коэффициент упаковки исходных порошков или

Рис. 61. Обобщенная схема уплотнения керамических систем на различных стадиях технологии в случае формования кварцевой керамики шликерным литьем:

кускового стекла, применяемых для шликерного литья, как правило, находится в пределах 0,2—0,4. Объемная концентрация твердой фазы в суспензии, как и относи­ тельная плотность полуфабриката при литье и сушке имеют большие различия в зависимости от метода полу­ чения суспензии и технологических параметров процесса. Как следует из рисунка, в случае применения стабили­ зированных суспензий, полученных методами односта­ дийным или предельного насыщения (область 1), уже на

■ 126

стадии суспензии могут быть достигнуты показатели ср в пределах 0,70—0,85, а при литье этот показатель уве­ личивается до 0,83—0,93. В то же время аналогичные показатели для суспензий, полученных другими метода­ ми (область 2), значительно ниже.

Для большинства керамических материалов большая доля уплотнения системы обычно относится к процессу спекания. К примеру, усадка при спекании, необходимая для получения плотноспеченного материала, составляет обычно до 30—50% (объемн.). При получении же квар­ цевой керамики представляется возможным перенести основную долю уплотнения на стадии получения суспен­ зий и литья. Это имеет исключительное значение, осо­ бенно при получении плотноспеченных или крупногаба­ ритных изделий. Для сокращения усадок и деформации изделий в процессе их спекания стремятся получить максимально плотный полуфабрикат на стадии формо­ вания. В случае кварцевой керамики повышенная плот­ ность отливки благоприятствует получению высокоплот­ ного материала и повышению прочности.

Влияние концентрации суспензии

В общем виде плотность шликерной отливки выража­ ется как сумма удельной концентрации твердой фазы в суспензии Qo и дополнительной удельной концентрации АQ, перешедшей в объем отливки за счет усадки суспен­ зии, т. е.

Величина АQ косвенно выражается коэффициентом усадки суспензии при наборе (/еус). Последний в случае литья по наливному методу определяется из соотноше­ ния

где Ѵщ, — расход суспензии в литейной прибыли; Уотл — объем отливки.

В общем виде для случаев как наливного, так и слив­ ного метода литья kyc может быть представлен по фор­ муле

127

литье, или коэффициент повышения cp при переходе си­ стемы от состояния суспензии к отливке.

На рис. 62 приведена номограмма, связывающая плотность отливки кварцевой керамики с плотностью су­ спензии и ее кус. Зависимость р0тл от /гус и рс, приведен­ ная на номограмме, описывается формулой

в пределах до 0,1%, достаточно точные значения плот­ ности отливки могут быть получены без поправки на усадку при сушке, что и сделано на номограмме.

Получаемые по формуле (54) расчетные значения Ротл являются усредненными показателями плотности для всего объема отливки и оказались равными или близкими (±0; 0,1 г/см3) к средним значениям р0тл> оп­ ределенным по методу гидростатического взвешивания [112]. Для определения kyc предназначено устройство, показанное на рис. 51. Как следует из номограммы (см. рис. 62), величина /гус с увеличением рс при равной плот­ ности отливки прямолинейно уменьшается. Было показа­ но [71], что при увеличении рс с 1,75 до 1,99 г/см3 /гус -уменьшается с 0,37 до 0,09. Однако в ряде случаев плот­ ность отливки существенным образом зависит от плотно­ сти исходной суспензии. В этом случае зависимость /гус— рс не является прямой.

На рис. 63 показана зависимость р0тл от рс для сус­ пензий с различной дисперсностью. Различные значения Рс достигались при этом разжижением исходных суспен­ зий предельной плотности. Если для крупнодисперсной суспензии наблюдается существенное падение плотности отливки при рс ниже 1,90 г/см3, то для среднеднсперсной и тонкодисперсной такой зависимости не наблюдается. Плотность отливок, полученных из крупнодисперсной су­ спензии с плотностью от 1,90 до 1,99 г/см3, практически постоянна и равна 1,98—1,99 г/см3 (пористость 9,5— 10%), при понижении рс до 1,80 г/см3 пористость отли­ вок повышается до 13%, при 1,70 г/см3-—до 16%.

Плотность отливок, полученных из среднедисперсной суспензии, с уменьшением ее рс понижается незначитель­ но и только после значений ниже 1,67 г/см3. Плотность же отливок, полученных из тонкодисперсной суспензии, при плотности последней в пределах от 1,63 до 1,87 г/см3

128

ме Изменялась и составила 1,вЗ г/см3 (пористость 17%), Отмеченное различие между крупнодисперсной суспен­ зией, с одной стороны, средне- и тонкодисперспой, с дру­ гой, обусловлено, видимо, следующим. В связи с тем что осаждаемость дисперсной фазы в суспензии резко воз-

р с,г/см3

Рн>с. G2. Номограмма для определения плотности шлнкерных отливок из кварцевого стекла по коэффициенту усадки суспензии при наборе массы и ее плотности

растает с уменьшением ее плотности и вязкости, мало­ плотная крупнодисперсная суспензия в процессе набора массы существенно расслаивается. Вследствие этого в элементарном объеме отливки нарушается оптимальное соотношение фракций различного размера, что и являет­ ся причиной повышения их пористости. Тонкодисперсная же суспензия, являясь в меньшей степени полидисперс-

Мой и не сОдёрМчащая крупных фракций, даже в' случае1 малой плотности дает относительно равномерное рас­ пределение зерен и, как следствие, одинаковую плот­ ность отливок.

Приведенное объяснение, видимо, справедливо также и для других керамических суспензий. Так, например,

Рис. 63. Зависимость плотности отливки от плот­ ности суспензий кварцевого стекла:

1 — круіпінодінсперсная; 2 — средпеццнсперіс.ная; 3 — тон коднспер-он ая

известно [114], что для суспензий ZrC^, несмотря на из­ менения их влажности от 20 до 40%, плотность отливки остается постоянной (3,37—3,38 г/см3). При этом исполь­ зовалась тонкодисперсная суспензия с dcp= l,5 2 мкм.

Влияние дисперсности зернового распределения и зернистого наполнителя

Основным фактором повышения плотности керамического! полуфабриката обычно является подбор оптимального) зернового состава. Последний предполагает наличие в; массе определенного содержания зерен различных раз­ меров. Однако применительно к процессу шликерного литья возможности в данном отношении являются зна­ чительно меньшими, чем, например, при прессовании [100]. Обусловлено это тем, что при наличии крупной фракции, являющейся необходимой для достижения плотной упаковки, суспензии могут проявлять -повышен­

н о