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

в суспензиях находился в пределах 0 — 1 0 мкм [ 1 2 2 ]. Таким образом, применительно к процессу литья воп­

рос в выборе оптимального, с точки зрения плотной упа­ ковки твердой фазы, зернового состава должен решаться комплексно с повышением седиментационной устойчиво­ сти суспензий. Насколько нам известно, в такой поста­ новке данный вопрос вплоть до появления работ [61, 73] специально не рассматривался. Керамические суспензии, как правило, характеризуются относительно низкой кон­ центрацией и сравнительно высокой пористостью полу­ чаемого из них полуфабриката [113—117].

Применительно к шликерному литью кварцевой ке­ рамики ставилась задача достижений высокой плотно­ сти отливки за счет комплексного регулирования харак­ теристик суспензий и процесса литья [61, 73]. При этом установлено, что основными факторами, определяющими коэффициент упаковки твердой фазы, являются: дисперс­ ность и зерновое распределение, реологические свойства, концентрация и способ подготовки суспензии,' степень стабилизации. Дополнительным резервом повышения Куп является применение при литье вибрации.

Исследования плотности отливок были проведены на трех различных по дисперсности стабилизированных су-

спензиях. Основные характеристики дисперсности (dcp, dmax, показатель полпдисперсиости /гп [62]) и пористость отливки приведены в табл. 7. При этом тонкодисперсная суспензия ( 1 ) была получена одностадийным способом, среднедисперсная (2) п крупнодисперсная (5) —одно­ стадийным с предельным насыщением. Для сравнения в табл. 7 представлены аналогичные литературные данные II для некоторых других керамических суспензий.

Как следует из данных табл. 7, самые высокие пока­ затели Сѵ суспензии и низкая пористость получены для суспензий кварцевого стекла. Меньшая пористость отли­ вок кварцевой керамики, по [73], в сравнении с данны­ ми других работ, по [20, 42], обусловлена в основном отличной технологией получения суспензий. Как следует из табл. 7 по данным работы [73], с ростом дисперсно­ сти твердой фазы суспензии ее полидисперсность kn уменьшается, а пористость возрастает. Обусловлено это несколькими факторами. Прежде всего с ростом дис­ персности твердой фазы растет количество связанной во­ ды, что влияет и на степень упаковки. Кроме того, ука­ занная закономерность хорошо объяснима и понятием «эффективного» объема частицы [122]. Чем меньше ди­ аметр частиц, тем больше отношение эффективного объ­ ема к объему частицы. К примеру, для частиц диаметром 1 0 и 0 , 1 мкм это отношение составляет, соответственно 1,012 и 2,74 (если принять силовую оболочку толщиной

• О

200 А). Этим же объяснимо обычно отмечающееся по­ вышение вязкости суспензий с повышением дисперсности твердой' фазы.

При подборе оптимальных зерновых составов разли­ чают два основных принципа подбора укладок, направ­ ленных на максимальное снижение их пустотности: не­ прерывные укладки, основанные на непрерывном запол­ нении объема зернами всех размеров от некоторой верх-' ней границы до размера, близкого к нулю, и прерывные укладки, у которых между зернами определенных за­ данных фракций зерна промежуточных размеров отсут­ ствуют [100]. Первый принцип подбора зернового сос­

132

тава в процессе шликерного литья является доминиру­ ющим. Выбранные укладки характеризуют и по относисительному зерновому распределению. Последнее пока­

широких пределах отноше­ ний различных фракций. Она близка к расчетной по из­

вестной формуле Андреазена [106]

Для достижения меньших показателей пористости от­ ливки, с одной стороны, и разработки формования особо крупногабаритных и толстостенных изделий, с другой, изучено также влияние на плотность отливки зернистого наполнителя [73]. В качестве основной, мелкодисперс­ ной, использована суспензия с зерновым составом, по­ казанным на рис. 14 (кривая 2). В качестве наполните­ ля были выбраны фракции 0,4—1,0 мм или 1,0—1,2 мм. Зависимость плотности отливки от содержания крупной фракции показана на рис. 65. Показанная на рисунке за­ висимость до определенного содержания крупной фрак­ ции выражается прямой, описываемой уравнением

133

Рис. 65. Зависимость плотности отливки от содержания

зернистой (крупной) фракции:

/ —расчетные значения; 2 — экспериментальные значе­ ния

Как следует из рис. 65, экспериментальные и расчет­ ные данные ротл имеют близкие значения. Прямая зави­

ченных методом «вибролитья», отмечалось в работе [38] при введении в суспензию зернистого наполнителя. Если отливки на основе тонкодисперсной суспензии обладали плотностью 1,59 г/см3, то при введении 50% (по массе)

сушке в зависимости от содержания зернистого напол­ нителя в суспензии показал, что объемное содержание его не должно превышать 0,35—0,45. При таких значе­ ниях коэффициент упаковки зернистого наполнителя в сухой отливке составляет 0,45—0,50, а пористость отлив­ ки 6,5—8 %. Дальшейшее повышение концентрации зер­ нистой составляющей связано с появлением раковин и неоднородностей в отливках. Последние обусловлены малой подвижностью системы, недостаточным объемом

134

суспензии для заполнения пространства между введен­ ными зернами.

С целью дополнительного повышения коэффициента упаковки частиц в отливке было предложено [61] и изу­ чено формование способом шликерной пропитки зернис­ того каркаса. Сущность этого способа заключается в следующем. Крупная монофракция (смесь крупных фракций) засыпается в пористую форму и подвергается утряске, после этого заливается тонкодисперсной суспен­ зией, которая «пропитывает» зернистый «каркас» и на­ бирается в его порах аналогично тому, как это имеет место при шликерном литье. Характерно, что масса, на­ бираемая в поровом объеме зернистой засыпки, облада­ ет при этом плотностью, равной или близкой к плотности шликерных отливок, полученных из той же суспензии обычным способом. При этом продолжительность набора массы сокращается в два — три раза.

Таким образом, за счет шликерной пропитки зерни­ стого каркаса после окончания набора связующей массы может быть получен высокоплотный полуфабрикат вследствие того, что содержание в нем зернистого на­ полнителя может быть повышено по сравнению с обыч­ ным литьем из зернистых масс. Пористость полуфабри­ ката, полученного литьем из зернистого каркаса, для случая большого разрыва в зерновом составе может быть определена по формуле

став 1 ), так и с монофракционным (состав 2). Зерновой

135

опытов было установлено, что минимальный размер зе­ рен зернистого каркаса должен быть не менее чем в де­ вять раз больше максимального размера зерен в сус­ пензий. Другие факторы, определяющие возможность и кинетику пропитки,— вязкость, реологические свойства суспензии, высота и форма зернистого каркаса.

Влияние стабилизации и коагуляции

В процессе литья плотность упаковки твердой фазы определяется не только зерновым составом, но в боль­ шой степени технологическими и реологическими свой­

136

ствами суспензий. Варьируя последние, при одном и том же зерновом составе можно изменять плотность отливки в больших пределах. Так, например, для крупноднсперсных суспензий с плотностью 1,89—1,91 г/см3 пористость отливки, полученной из суспензии непосредственно пос­

чение для суспензий большей плотности. Плотность от­ ливок из суспензий, полученных двустадийным методом и предельным насыщением, в процессе стабилизации повышается подобно показанному на рис. 67.

Коагуляция стабилизированных суспензий, например добавкой кислоты, приводит к понижению kya, твердой фазы. Причем характер уменьшения kyn по мере коагу­ ляции (понижения pH) подобен как для суспензий, по­ лученных суспендированием, так и одностадийным ме­ тодом (см. рис. 40). Опыты по регулированию pH в ще­ лочной области показали, что при использовании NH^OH kyn отливки практически не изменяется по сравнению с исходным (при рН = 5-У 6,5).

Существует определенная взаимосвязь между реоло­ гическим характером поведения исходной суспензии И Ротл. Все факторы, способствующие образованию тиксо­ тропной структуры суспензии (повышение дисперсности,

1Я7

Рис. 68. Зависимость содержания крупной (>100 ммм) фракции

(а) и плотности (пористости) отливок (б) от высоты крупногаба­

1 — крупнодисперсной, частиц > 50 мкм. J9%,pc =l,91 г/ом3. Литье в вертикальном положении, верх отливки соответствует Я =50 мім

циоиной устойчивости исходных суспензий за счет .повы­ шения их плотности или дисперсности, ускорением про­ цесса набора массы, регулировкой реологических .свойств

суспензии с целью замедления их структурообразования.

139

Прочностные свойства отливок1

Прочность шлпкерных отливок, особенно крупнога­ баритных п сложных по форме, во многом определяет их целостность п потери производства при сушке, транспор­ тировке. Прочность отливок из кварцевой керамики оп­ ределяется степенью стабилизации и дисперсностью ис­ ходных суспензий, пористостью и влажностью отливки.

Особенно существенное влияние на прочностные свойства отливок оказывает стабилизация суспензии. Последнее подтверждается данными рис. 69, где показа­ на зависимость П0тл, (Тот, стпзг отливок от продолжнтельности перемешивания (стабилизации) суспензий для литья. Прочность отливок при сжатии из стабилизиро­ ванных суспензий в 2,8, а.при изгибе в 2 раза больше, чем из исходных суспензий до стабилизации. Максимальные значения аИзг при этом достигали 70 кгс/см2, стсж Ю00 кгс/см2, т. е. прочность шликериых отливок из кварце­ вого стекла достигает прочности лучших сортов строи­

тельных огнеупоров [106].

Зависимость средних показателей прочности при из­ гибе и сжатии от пористости крупнодисперсных отливок показана на рис. 70. При этом пористость отливок в пределах до 20% регулировалась степенью коагуляции pH суспензии, выше 20% —введением водного раствора метилцеллюлозы. С увеличением пористости отливки на­ блюдается резкое падение их прочности. Например, при увеличении пористости отливки в два раза по сравнению с минимальными значениями показатели Стш- и Сж умень­

шаются в пять раз.

Влияние дисперсности на оизг и пористость отливок из стабилизированных суспензии, полученных одностадий­ ным методом, показано на рис. 71. Дисперсность отливок при этом задавалась посредством регулирования объе­ мов смешиваемых крупнодисперсной {К) и тонкоднсперсной (Т) суспензий в расчете на объемное содержа­ ние твердой фазы. При этом тонкодисперсная суспензия содержала 65% частиц до 5 мкм при dmayi— l5 мкм, а крупнодисперсная — 20% до 5 мкм и 16% частиц с раз­ мером более 50 мкм. Максимальные значения стпзг соот­ ветствуют отливкам с содержанием фракции Д5 мкм в пределах 40—45%• Отливки из исходной тонкодисперс-3*

1 Прочностные свойства отливок изучены автором совместно с

3. Ф. Трифоновой.

140