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

телыю крупных даже монофракций (50—63; 63—100; 100—160; 160—200; 200—315 мкм) она находится после утряски в пределах 1,30—1,32 г/см3. У монофракций же 1—1,2 мм, 1,2—1,5 мм, 1,5—2,5 мм насыпная плотность после утряски повышается До 1,38—1,40 г/см3 (пустотность 37—38%)- Существенный рост насыпной плотности крупных монофракций обусловлен сравнительно боль­ шой массой каждой частицы при меньшем числе контак­ тов между ними в единице объема и меньшей шерохова­ тостью зерен.

распределения порошков с различной продолжительно­

измельчения преобладающими являются зерна крупнее 00 мкм, то в дальнейшем их удельное содержание рез­ ко уменьшается, а фракция^НЮО мкм и вовсе отсут­ ствует.

В ряде случаев [101] для характеристики дисперсно­ сти порошков применяют практику выбора отверстия сита, через которое проходит 80% материала {k&0).

В табл. 2 приведены показатели коэффициента поли­ дисперсности {kn — для порошков различной сте­

пени измельчения.

Из данных табл. 2 следует, что полидисперсность имеет большие показатели для грубодисперсных порош­ ков (продолжительность измельчения 7 и 15 ч). Для по-

31

Т а б л и ц а 2. Показатели коэффициента полидисперсности (АП) для порошков различной степени измельчения

рошков 'С удельной поверхностью 6000 см2/г ивыше (про­ должительность измельчения более 30 ч) не отмечается существенной разницы в показателях kn.

При получении процесса сухого измельчения квар­ цевого стекла было отмечено [62], что коэффициент объемной загрузки мельницы ср изменяется по мере из­ мельчения материала. Если объем мелющих тел в про­ цессе помола можно условно считать постоянным, то объем, занимаемый измельчаемым материалом, сущест­ венно изменяется ввиду непостоянства его насыпной плотности, что было показано на рис. 5. Между тем из­ вестно [Ш2], что ср является одним из факторов, опреде­ ляющих оптимальное число оборотов мельницы и ее производительность, что следует из уравнения:

Ф — коэффициент загрузки мельницы. Следовательно, с изменением ф в процессе измельче­

ния оптимальное число оборотов мельницы должно из­ меняться. Но поскольку число оборотов мельницы обыч­ но постоянно, оно на различных стадиях помола может отличаться от оптимального. В табл. 3 показана зависи­ мость оптимального значения п от продолжительности измельчения.

Как следует из данных табл. 3, принятые в указан­ ном исследовании обороты мельницы (48 об/мин) явля­ лись заниженными на стадии измельчения с длительно­ стью более 30 ч.

32

Оптимальными для формования кварцевой керамики являются порошки с продолжительностью помола 40— 80 ч. Отмечается существенная анизометрия частиц, осо­ бенно когда их размер приближается к толщине исход­ ного стекла. По мере уменьшения размеров зерен их форма приближается к изометричной.

Степень отклонения частиц кварцевого стекла от сферической формы была оценена [60] путем сравнения их размеров, определенных ситовым и седиментационным способами, что показано в табл. 4.

Т а б л и ц а 4. Зависимость гидравлически эквивалентного диаметра частиц от диаметра частиц по ситовому анализу

Если для фракций 50—160 мкм размеры, определен­ ные разными методами, близки, то для фракций 160— 400 мкм наблюдается существенная разница.. Общей з а -. кономерностью является относительное уменьшение гид­ равлически эквивалентного диаметра частиц с увеличе-. нием их размера.

ШЛИКЕРНОЕ ЛИТЬЕ ИЗ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ

Общие сведения о шликерном литье и свойствах литейных суспензий

Основные характеристики суспензий и процесса литья

Одной из основных технологических характеристик литейных суспензий является их текучесть. Текучесть—: величина обратная вязкости — характеризует подвиж­ ность системы под влиянием внешних механических воз­ действий. Взаимосвязь между скоростью и напряжением сдвига в случае жидкостей или неструктурированных (обычно малоконцентрированных) суспензий определя­ ется законом Ньютона:

где Р — напряжение сдвига, дин-см-2; Л — коэффициент вязкости, П;

у— скорость сдвига, с-1.

Вотличие от жидкостей и суспензий, описываемых уравнением (2 ), многие керамические суспензии обла­ дают вязкостью, зависимой от скорости сдвига. В общем виде взаимосвязь между напряжением, скоростью сдвига

ивязкостью для структурированных суспензий описыва­ ется уравнением [103]:

разом, суспензии, у которых л с увеличением Р или у па­ дает, называются тиксотропными. Обратная зависи­

мость— рост т] при увеличении Р или у — характерна для дилатантных систем. У суспензий обнаружен и тик­ сотропно-дилатантный характер течения [74]. Он харак­

теризуется падением л с ростом Р или у на первой ста­ дии деформации и ростом л при дальнейшем увеличении

Р или у. У суспензий кварцевого стекла в различных случаях могут проявляться все указанные типы течения.

Целый ряд суспензий, проявляющих тиксотропный характер течения, обладает ясно выраженным пределом текучести Рп- Последний обусловлен наличием у таких

34

суспензий малопрочной сплошной структурой сетки, для разрушения которой необходимо приложить некоторое усилие. Течение таких систем называется пластическим. К ним приложено уравнение Шведова — Бингама, кото­ рое устанавливает связь между напряжением сдвига Р

и скоростью сдвига у, причем для характеристики пове­ дения системы вводится понятие пластической вязкости

В отличие от эффективной т), выражаемой как отно­

шение P/у и сильно меняющейся в зависимости от вели­ чины Р, пластическая т) выражается отношением (Р —

Рі,)/у, а ее значения близки к постоянным в достаточно

объема дисперсионной среды. Вследствие этого с повы­ шением напряжения сдвига, сопровождающимся смеще­ нием частиц в состояние менее плотной упаковки, вода всасывается в возникающие поры, система увеличивает­ ся в объеме и ужесточается, а ее вязкость возрастает.

Дилатансия, как правило, является нежелательным явлением и в целом ряде случаев причиняет неудобства при протекании различных технологических процессов. Некоторая тиксотропия суспензий является допустимой и может являться необходимой для достижения их пол­ ной седиментационной устойчивости. Некоторые из фак­ торов, определяющих тиксотропный характер течения, могут в то же время уменьшать дилатансию.

Требования, предъявляемые как к суспензиям ДЛЯ' литья, так и к самому его процессу, можно условно клас­ сифицировать на три группы; 1 ) относящиеся непосред­ ственно к исходной суспензии; 2 ) определяющие поведе­ ние суспензии при литье; 3) требования к полученному полуфабрикату.

Исходные суспензии должны обладать высокими кон­ центрацией твердой фазы и седиментационной устойчи­ востью, хорошей текучестью, достаточной для свободного заполнения литейной формы, Они не должны обладать

сильно выраженными аномалиями реологического пове­ дения— тиксотропией и дилатансией. В то же время незначительная тиксотропия в ряде случаев может ока­ заться полезной, а определенная дплатансия — допусти­ мой. Суспензии должны быть свободными от воздушных включений. С промышленной точки зрения особенно важным является постоянство свойств суспензий во вре­ мени, хорошая их воспроизводимость в различных пар­ тиях (при некотором колебании соотношения компонен­ тов и химического состава). Суспензии должны обладать дисперсностью и зерновым распределением, подходящим для получения как высокой плотности отливки, так и

еецелостности после литья.

Впроцессе литья по сливному методу вязкость сус­ пензий не должна возрастать выше значений, позволя­ ющих свободное удаление ее излишка. Набранная мас­ са, однако, должна обладать прочностью, достаточной для ее удержания на литейной форме. Наращивание (набор) массы на форме должно осуществляться с опре­ деленной скоростью. При слишком большой скорости литья затрудняется регулирование требуемой толщины; кроме того, при этом могут забиваться проходы в литей­ ной форме. Литье с малой скоростью может приводить к повышенной осаждаемости твердой фазы и существен­ ному изменению свойств суспензии. Последнее может обусловливать и неравномерность свойств отливки по толщине. Существенным требованием является и время извлечения отливки из формы (время, по истечении ко­ торого отливка может быть извлечена из формы). Из­ влечению отливки должна предшествовать определенная (в очень малых размерах) усадка.

Полученные шликерным литьем отливки должны об­ ладать существенной прочностью, плотностью, малой усадкой и бездефектностью при сушке. Эти требования являются более жесткими для крупногабаритных отли­ вок. Последние, в случае малой их прочности, могут де­ формироваться или разрушаться под действием собст­ венной массы. Очень важна и высокая плотность упа­ ковки в них твердой фазы, что является определяющим для спекания и качества материала при получении квар­ цевой керамики. Даже незначительные (до 0,2—0,3%) усадки крупногабаритных отливок кварцевой керамики при сушке могут приводить к их разрушению. Достиже­ ние бездефектности отливок регулируется преимущест­

36

венно зерновым составом [51]. Как показывает анализ перечисленных требований, последние во многом явля­ ются противоречивыми. И, как следствие, выбор опти­ мальных параметров исходной суспензии и процесса ли­ тья чаще всего является компромиссным.

К примеру, применение полидисперсңого зернового состава с существенным содержанием крупной фракции позволяет получать высококонцеитрированные суспен­ зии, повышенную плотность и прочность отливки, малую их усадку при сушке. Однако такие суспензии проявля­

но дают меньшую плотность отливки, а также могут за-, хватывать и удерживать воздушные включения. Пре­ дельное концентрирование суспензий резко повышает их седиментационную устойчивость, повышает плотность отливки, увеличивает скорость набора массы, но., приво­ дит к ярко выраженному дилатантному поведению, зат­ рудняющему литье. Все факторы, обусловливающие вы­

к повышенной устойчивости суспензии, но и к- уменьше-. нию скорости литья и увеличению усадок при сушке. •

Таким образом, сочетание всех требуемых свойств в одной суспензии недостижимо, и выбор необходимых ее параметров должен производиться индивидуально, .приз менителы-ю к конкретному типу получаемых изделий: Для этого необходим выбор одного основного требова­ ния, которое являлось бы определяющим в конкретном случае. Остальные (побочные) параметры должны вывыбираться в пределах допустимых величин. К примеру^ при получении крупногабаритных сравнительно■толстог стенных изделий не массового производства определяюющими параметрами являются .плотность отливки,.-ве­ личина усадки при сушке (с цёлью сохранения ,. целост-, ности отливки). Последнее достигается' применением предельно концентрированных крупнодисперсных ...сус­ пензий. Побочными параметрами в данном случае будут скорость литья и седиментационная устойчивость. Ука­ занные параметры, однако, могут регулироваться плот­ ностью суспензии. В 'случае же массовых' изделий мёньшего размера, если не':'требуется 'высокай их плотность,

3?

допустимо некоторое уменьшение плотности отливки с одновременным повышением скорости набора массы.

Основные количественные характеристики

Несмотря на разнообразие керамических суспензий, их состав всегда характеризуется определенным соотно­ шением твердого компонента (дисперсной фазы) и жид­ кой фазы (дисперсионной среды). Высококонцентриро­ ванные суспензии, особенно с тиксотропным характером течения и обладающие пределом текучести, могут удер­ живать и определенный объем газовой фазы [1 1 1 ].

Стабилизированные суспензии кварцевого стекла, не­ смотря на высокую их концентрацию, не содержат газо­ вой фазы. Газовая фаза в небольшом объеме может со­ держаться в нестабилизированных суспензиях или в суспензиях, полученных методами суспендирования или предельного насыщения до стабилизации.

Различается содержание дисперсионной среды в сус­ пензии по массе, выражаемое в процентах влажности W, и объемное С,„, показывающее отношение объема дис­ персионной среды к общему объему суспензии. В ряде случаев более удобной является характеристика объем­ ного содержания твердой фазы, выражаемая или в про­ центах, или в долях заполнения объема СѴі которая рав­ на 1 — Cw. Последняя величина является общепринятой в коллоидной химии и реологии, в этой связи она целе­

С точки зрения сравнительной оценки концентрации суспензий на основе материалов с различной плотностью объемное содержание твердой фазы более показательно, хотя W остается общеупотребительной и практически удобной характеристикой. Общепринятой характеристи­ кой суспензий является и их плотность рс.

Легко выводится зависимость между различными по­ казателями суспензий:

38

Соотношения между показателями W, Сѵ, Qo и рс для суспензий кварцевого стекла показаны на рис. 8 .

Ряс. 8. Взаимосвязь между показателями объемного со­ держания твердой фазы, удельной концентрации твердой фазы, влажностью

плотностью суспензий кварцевого стекла

При наличии в суспензии газовой фазы ее объемное содержание определяется по формуле

производить разбавление их водой. Объем дополнитель­ но вводимой воды АW при этом определяется из соот­ ношения:

А Ѵ - ( ■ £ - - * ) *

где V — исходный объем суспензии;

39

Qio и QKOII — удельная концентрация твердой фазы соот­ ветственно в исходной и требуемой суспензии.

Эти величины удобнее находить графически (рис. 8 ) по данным плотности суспензии.

При повышении плотности суспензий способом их насыщения массу вводимого порошка АР находят из со­ отношения

Объем суспензии после введения дополнительного количества порошка FK0H увеличится по сравнению с ис­ ходным ІЛісх- Его находят из соотношения

Плотность суспензии после насыщения рко’ опреде­ лённым количеством порошка АР находят из соотноше­ ния

\Рт.ф 1

где Рнсх и Уисх— масса и объем суспензии до насыщения. Плотность суспензии после дополнительного введения

жидкости ркон находят из соотношения

Ркон = (Рнсх + А W ) / ( y HCX + . (1 5 )

центрации» суспензии пѵ.

. Под последним принято [73] отношение' доли объем­ ного заполнения суспензии твердой фазой Сѵ к предель­

Величина Cv cnt должна быть приближенно равна той величине концентрации, при которой имеет место плот­ ная упаковка частиц суспензии. При концентрациях, со: ответствующих этой упаковке, вязкость системы .стреми­ тельно возрастает и система переходит в твердообразное состояние.

В случае суспензий, применяемых для шликерного литья керамических материалов, за значение Cvcnt с до-

4 0 :