книги из ГПНТБ / Технология электрокерамики

горячем прессовании происходит в основном в резуль­ тате пластического течения, а не диффузии, как при спекании без давления.

Для описания процесса уплотнения металлокерамических порошков при горячем прессовании предложено около десятка уравнений. В соответствии с теорией про­ цесса горячего прессования [Л. 5-87] для внешнего дав­ ления Р, которое выше давления, созданного поверх­ ностным натяжением в поре и выше критического ска­ лывающего напряжения материала, уравнение спекания имеет вид [Л. 5-87]:

in f / Q ' ъ р п

что приводит к выражению скорости уплотнения

Для лучшего согласования этой теории с экспери­ ментальными данными внесены изменения, одна часть которых относится к первой стадии уплотнения, харак­ теризующейся тем, что во многих случаях скорость уплотнения превышает скорость, вычисленную по урав­ нению, другая — связана с тем, ~что в первоначальной теории границы зерен не принимались в расчет [Л. 5-82].

Так, в [Л. 5-67] показано, что 'при горячем прессова­ нии может происходить нормальный рост зерен, осо-

„бенно при длительном времени и высоких температурах.

В[Л. 5-54] проведена проверка (главным образом на

окислах алюминия, бериллия и кремния) первоначаль­ ной теории, представленной уравнением скорости уплот­ нения Мюррея и др. Результаты согласуются либо с простым уравнением (Л. 5-69], либо с тем же уравне­ нием, но с поправкой, учитывающей остаточную пори­ стость как следствие пластического 'поведения мате­ риала.

127

В [Л. 5-87] предложено уравнение для скорости уплотнения при горячем прессовании

и «с» означают горячее прессование и спекание соот­ ветственно.

Это уравнение не дает удовлетворительного согласо­ вания с экспериментальными данными, но оно было использовано без учета первого члена справа для опре­ деления коэффициента вязкости окиси алюминия при температурах спекания [Л. 5-85]. Повышение плотности при спекании, называемое приведенным изменением по­ ристости, равно:

|F(T)=PT/4T].

где Р — приложенное давление; т — время; г| — вязкость. Вычисленные по формуле значения ^(т) по данным [Л. 5-6] при горячем прессовании порошка стекла под давлением 40 и 56 кгс/см2 линейно зависят от времени спекания, что является следствием ньютоновского тече­ ния материала. Установлена следующая зависимость изменения пористости от давления и времени спекания при горячем прессовании порошков кристаллических тел, происходящем в условиях неустановившегося тече­ ния, когда коэффициент вязкости зависит от времени

спекания:

где т)0 — вязкость при т = 0 , соответствующая размеру зерен /0 ; b определяется из данных металлографического определения среднего размера зерен в зависимости от времени спекания.

Относительно предложенных уравнений можно отме­ тить, что в литературе последних лет не опубликовано исследований, подтверждающих или опровергающих возможность их использования для описания поведения керамических материалов в процессе горячего прессова­ ния.

1 2 3

отходы. Горячее литье под давлением целесообразно также при производстве деталей с повышенной точ­ ностью размеров, если эти детали из-за их конфигура­ ции невозможно оформить прессованием [Л. 5-17].

Получение формовочных полуфабрикатов с тверды­ ми пластификаторами на основе парафиновых углеводо­ родов основано на их термопластичное™. При повышен­ ной температуре твердые пластификаторы превращаются в подвижную маловязкую жидкость, способную сма­ чивать поверхность минеральных частиц массы и обра­ зовывать на них сорбированные оболочки.

Свойства парафиновых суспензий зависят от темпе­ ратуры. При температуре, превышающей точку плавле­ ния пластификатора, шликер обладает малой вязкостью и высокой текучестью, позволяющей оформлять заготов­ ки горячим литьем. При температуре более низкой, чем температура плавления парафина, пластификатор обла­ дает высокой пластичной деформируемостью, вследствие чего возможно пластич­

лении.

пластификаторами, характеризуются стабильными тех­ нологическими свойствами, выгодно отличаются от полуфабрикатов с гидроорганическими и жидкими ор­ ганическими пластификаторами, свойства которых мо­ гут меняться в процессе производства вследствие лету­ чести растворителя. К важным свойствам твердых пла­ стификаторов относится способность придавать заготов­ кам большую механическую прочность сразу же после оформления без дополнительной термической обработки.

131

Машины и станки для горячего литья керамики — периодического действия. Процесс горячего литья и все связанные с ним операции (подвод формы к питающей трубке, выдержка формы под давлением и т. д.) при работе литьевой машины неоднократно повторяются. Время, в течение которого осуществляется полный про­ цесс литья, начиная от подвода формы к питающей трубе и до снятия готовых заготовок, называется литей­ ным циклом.

Временные составляющие полного цикла горячего литья (рис. 5-10) следующие (Л. 5-90]:

•Mi — время подвода формы к питающей трубе, опре­ деляемое скоростью движения формы с исходной пози­ ции в позицию, при которой происходит заливка формы шликером;

литьевой формы удаление литника может быть произве­ дено или в жидкой фазе, или в промежуточном состоя­ нии между твердой и жидкой фазами, или в твердой фазе;

•Ма — время охлаждения и отвердевания отлитой за­ готовки, которое определяется скоростью охлаждения заготовки до момента, когда заготовку можно извлечь из литьевой формы без опасности ее механического по­ вреждения;

Ate—время отхода формы от питающей трубы, пре­ вышающее отрезок времени ДА, так как время отхода формы оказывает влияние на продолжительность за­ стывания шликера в форме — формообразование заго­ товки; At3+Ats+Ate — полное время охлаждения;

AU — время распрессоваиия, определяемое скоростью, с которой подвижные элементы формы извлекают из нее заготовку;

Ah— время снятия заготовки, определяемое спосо­ бом снятия заготовки с формы и передачи ее в прием­ ное устройство.

Основные параметры, характеризующие технологиче­ ские свойства литейных шликеров: вязкость, скорость затвердевания, литейная способность, усадка при охла-

132

ждепии, плотность упаковки минеральных частиц, устой­ чивость (нерасслаиваемость в горячем состоянии).

Основные параметры, характеризующие режимы литья и охлаждения: давление, температура шликера и формы, время заполнения и выдержки под давлением шликера в форме, момент среза и извлечения литнико­ вой прибыли (литника) из литникового отверстия и время охлаждения шликера в форме.

Для создания оптимальных режимов литья к обору­ дованию 'предъявляют следующие требования: а) обес­ печение качественного вакуумирования шликера в про­

ние формы шликером под определенным давлением, ве­ личина которого устанавливается в процессе отработки режима литья; г) доза (порция) шликера, выдаваемая

жание интенсивного испарения); е) обеспечение воз­ можности быстрого перехода (переналадка оборудова­ ния) с одного режима литья на другой.

Литейная форма представляет собой конструкцию (металлическую, пластмассовую и т. д.), внутренняя полость которой служит негативным изображением от­ ливаемого изделия и которая дает возможность полу­ чить отливки с четко законченной конфигурацией по заданным размерам. По принципу действия формы де­ лят на две группы: литниковые и безлитниковые. К лит­ никовым относят формы, в которых получают отливки с литниковым приливом. В дальнейшем эти приливы (литники) удаляют механическим способом: шлифова­ нием, токарной обработкой или срезом на специальных приспособлениях. Преимущество этих форм состоит в простоте конструкции (мало подвижных частей), вы­ сокой эксплуатационной стойкости и надежности в ра­ боте. Однако к крупным их недостаткам при массовом изготовлении изделий относится необходимость допол­ нительной механической обработки, а следовательно, и усложнение технологического цикла 'изготовления.

Принцип действия безлитниковых форм заключается: в том, что литниковое отверстие после заполнения форм, шликером и его отвердевания перекрывается тем или. иным подвижным элементом формы (например, стерж-

133

нем, оформляющим отверстие в детали), который отделяет отливки от литникового отверстия, выталкивая избыток шликера в питающую трубу. Конструкция та­ кой формы наиболее перспективна и обладает значи­ тельным преимуществом перед литниковой формой, так как отливки имеют четко законченную конфигурацию и •не требуют дополнительной механической обработки. Недостатки литья под давлением, ограничивающие в от­ дельных случаях область его применения: возможность образования в отливках мелких воздушных включений ••(раковин), это вызывается трудностью удаления воз­ духа из полости формы в весьма короткое время запол­ нения, усадочные раковины, связанные с затвердеванием

тепловой обработки полуфабриката, помещенного в ми­ неральную засыпку [Л. 5-91—5-93]. В процессе нагрева­ ния связка в полуфабрикате расплавляется и отсасыва­ ется из него окружающей засыпкой (магнезия, глино­ зем и др.). Связка полностью удаляется при .нагревании до 400 °С, дальнейший подъем температуры (до 850— 950°С) необходим для упрочнения полуфабриката. При частичном удалении связки полуфабрикат в засыпке нагревают до 150—200 °С н выдерживают при этой тем­ пературе некоторое время в зависимости от толщины стенки полуфабриката; в результате такого удаления связки оставшееся ее количество в полуфабрикате со­ ставляет 2—-3%. Эта небольшая доля связки позволяет сохранить прочность полуфабриката, необходимую для проведения дальнейших технологических операций.

Удаление связки из полуфабриката при нагревании связано с двумя факторами, оказывающими противо­ положное влияние на прочность полуфабриката: а) рас­ плавление связки в полуфабрикате понижает его проч­ ность; б) непосредственное удаление связки из полу­ фабриката вызывает упрочнение последнего.

Основная связка шликеров для горячего литья — технический парафин. К техническим парафинам отно­ сятся углеводороды, состав которых отвечает формуле СпНгл+2, где я меняется от 19 до 35. Сырьем для про­ изводства парафина' служит парафинистый дистиллят — раствор, в котором масло— растворитель, парафин — растворенное вещество. К основным стадиям производ-

134

ства парафина относятся фильтрпрессоваипе и потение; обе стадии протекают только при наличии кристаллов парафина. Парафиновый дистиллят после кристаллиза­ ции поступает на фильтр-прессы. Продукт фильтрпрессования — полуфабрикат — гач, представляющий собой смесь масла и парафина. С увеличением . содержания парафина в гаче возрастает температура его плавления.

При хранении гача в открытом сосуде при температуре на 10—20°С ниже температуры его плавления на его поверхности выделяются капельки масла. Этот процесс называется потением. Процесс потения сопровождается перекристаллизацией парафинов и отделением жидкой фазы от твердой. В производственных условиях конечная температура камеры потения поддерживается на не­ сколько градусов ниже температуры плавления исполь­ зуемого парафина. Последняя изменяется в пределах от 45 до 60°С hi зависит как от состава парафина, так и от_содержания жиров в нем.

* Товарный парафин делят на две группы: а) спичеч­ ный парафин, температура плавления которого состав­ ляет 45—50 °С; содержание масла достигает 5%; б) свечный парафин, температура плавления 53—54°С; содер­ жание масла не превышает 1%.

Явление, аналогичное потению, наблюдается также и при нагревании полуфабриката. При потении полуфаб­ риката, установленного на пористую подставку, выде­ ляющиеся жиры с частично растворенным в них пара­ фином стекают с полуфабриката и впитываются в под­ ставку. Благодаря частичному удалению связки из' полуфабриката вязкость и предельное напряжение сдви­ га последнего возрастают.

В температурном интервале выпотевания основную , роль играет впитывание масел подставкой, которое определяется двумя факторами: максимальной впиты­ вающей способностью подставки (водопоглощение долж­ но составлять 12—16%) и температурой, которая не должна быть слишком высокой, так как удаление масел, аналогичное удалению влаги, зависит от градиента тем­ пературы и градиента концентрации. Оптимальная тем­ пература удаления масел из полуфабриката близка К температуре плавления парафина. С повышением тем-

135

пературы п времени выдержки возрастает количество связки, удаляемой из полуфабриката, в нем происходят глубокие структурные изменения, сопровождающиеся резким возрастанием его вязкости.

Удаление связки (сушка) в засыпке имеет недостат­ ки: малая производительность, так как засыпка зани­ мает примерно 50% объема сосуда, большая продолжи­ тельность обжига, антисанитарные условия труда. Засыпка является термоизоляционным материалом и препятствует свободному движению газов, выделяемых полуфабрикатом во время обработки. Вследствие этого истинная температура полуфабриката по периферии раз­ лична и зависит от расположения и расстояния от сте­ нок. Неравномерность нагрева полуфабриката приводит к тому, что процесс удаления связки протекает в отдель­ ных участках не одновременно. У разогретой стенки с тонким слоем засыпки находится уже высушенный ма­ териал, рядом с ним — слои расплавленной массы — пластичный слои, а далее, ближе к центру, вследствие малой теплопроводности термоизоляционной засыпки температура значительно ниже и отдельные участки по­ луфабриката проходят еще стадию предварительного нагрева. Таким образом, полуфабрикат может иметь одновременно три различных участка: высушенный, пла­ стичный и сырой.

Процесс удаления пластификатора характеризуется изменением температуры во времени; температура на­ гревания обусловливает скорость удаления пластифика­ тора, а продолжительность выдержки — полноту его уда­ ления при данной температуре.' Наибольшей адсорбци­ онной способностью обладают засыпки с наибольшей смачиваемостью парафином и наибольшей удельной поверхностью.

5-8. ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Изготовление изделии больших размеров и сложной формы •с достаточно равномерным распределением плотности возможно ме­ тодами гидростатического прессования, вакуумного формования и шликерного литья. Однако эти методы трудоемки и технология их сложна. Поэтому внимание многих исследователей обращено к по­ иску и разработке новых методов формования брикетов из порош­ ков. Определенный интерес представляют методы формования изде­ лий с применением вибрационных воздействий. Известно, что при сообщении дисперсной системе переменных импульсов эффективные коэффициенты трения при определенных режимах вибрационного

136