7.2. Характеристики суспензий и пресс-порошков

Суспензии. Роль оценки свойств суспензий возрастает в условиях распылительной сушки, так как показатели определяют режимы гранулирования и характеристики получаемых продуктов. Критериями для распыливаемых суспензий могут быть: влажность, плотность, вязкость, текучесть, тиксотропное упрочение.

Вязкость – важнейший технологический фактор дисперсных систем, влияет на режимы распыления, сушки, литья, свойства получаемых фабрикатов и т. д. Для контроля вязкости используются вискозиметры различных конструкций. В технологии распылительной сушки очень удобным является показатель текучести суспензий. Различают первую ₁ и вторую ₂ текучести. Первая определяется временем истечения 100 мл суспензии через калиброванное отверстие диаметром 6 мм вязкозиметра сразу после заливки суспензии, вторая – после выдержки 10–15 мин. Отношение ₂ / ₁ = K_т – коэффициент тиксотропного упрочнения, характеризует стабильность реологии дисперсной системы. Для большинства суспензий РЭМ ₁ = 5–7 с; K_т < 1,2. При К_т > 1,2 суспензию трудно использовать в производстве.

В технологии распылительной сушки необходимо корректировать и уточнять характеристики суспензий (W, _с, ₁, ₂, K_т). Это нужно делать при смене сырья, изменении технологических режимов на предыдущей операции, например предварительном обжиге, при опробовании новых ПАВ и т. д. По экспериментальным кривым разжижения определяют наилучшее сочетание указанных показателей. Методика этих экспериментов состоит в следующем: берут пробу суспензии около 200 мл с минимальной влажностью W, обеспечивающей истечение из вязкозиметра, измеряют W, _с, ₁, ₂, K_т и фиксируют в таблице. Затем постепенно увеличивают влажность на W (~1%). С некоторой влажности ₁ будет мало зависеть от W и разжижение можно прекратить. По данным строят соответствующие кривые (рис. 76). Аналогично оценивают эффективность ПАВ-разжижителей, но в этом случае W поддерживают постоянной. При введении ПАВ в количествах 0,05; 0,10; 0,15 и так далее реологические характеристики суспензий будут изменяться. Есть другой вариант исследования влияния ПАВ-разжижителей: приготавливают суспензию не текучую, последовательно вводят указанные добавки, добиваясь нужной текучести. Для условий распыления суспензий механической форсункой оптимальной считается ₁ < 7 с. При проведении описанных исследований приготавливаемые суспензии нужно подвергать помолу. Целесообразно иметь для каждого материала графические зависимости плотности суспензий от их влажности. Это позволяет по быстрому анализу _с получить информацию о влажности суспензий. Для некоторых РЭМ это представлено на рис. 77.

Пресс-порошки. Качество керамических изделий зависит от плотности, пористости и однородности структуры изделий при формовании. На эти показатели сильное влияние оказывают технологические свойства пресс-порошков.

Рис. 76. Кривая разжижения	Рис. 77. Взаимосвязь плотности и влажности суспензии РЭМ: 1 – ферриты 2000НМ; 2 – ферриты 2ДВТ; 3 – терморезисторы ММП-15; 4 – диэлектрический материал ВК-94

Оценить способности порошков к формованию изделий в порошковой металлургии можно по показателям, полученным при заданных значениях давления:

прессуемость – способность порошка образовывать прессованные изделия;

уплотняемость – способность порошка приобретать определен­ную плотность;

формуемость – способность порошка сохранять приданную форму в заданном интервале пористости.

Для обеспечения этих свойств пресс-порошки должны обладать рядом технологических контролируемых показателей. Гранулометрический состав (%) определяется с помощью рассева 0,1 кг пресс-порошка через набор сит с ячейками 50; 63; 110; 160; 200; 260; 315; 355; 400; 500; 630 и 800 мкм. Как правило, берут меньшее число сеток. По данным строят кривые распреде­ления гранул по размерам. При определении размеров фракций берут средние размеры гранул, с одной стороны, прошедших через больший размер сит, с другой – не прошедших через меньший. Например, через сито 200 мкм прошло и задержалось на сите 160 мкм 30% гранул. Берется среднее значение между 200 и 160, т. е. 180 мкм, и этому размеру гранул будет соответствовать 30%. Для самых мелких фракций, прошедших через сито 50 мкм, следует брать 25 мкм: (50 + 0) / 2=25 мкм.

Насыпную массу пресс-порошков рассчитывают пикнометрическим способом, аналогично определению плотности суспензий. Угол естественного откоса пресс-порошка – это угол внутреннего трения между гранулами, характеризует сыпучесть пресс-порошка. На рис. 78 показано специальное устройство для измерения.

Рис. 78. Устройство для измерения угла естественного откоса пресс-порошков

Проба засыпается в правую емкость прибора, затем открывается заслонка, гранулы рассыпаются под собственной массой и образуют некоторый угол с горизонтальной плоскостью, который можно посчитать  = arctg b/c. С повышением сыпучести  уменьшается. Угол естественного откоса ориентировочно можно определить и без приспособления. Для этого пресс-порошок «горкой» насыпают на плоскость и измеряют угол.

Остаточная влажность определяется классическим методом высушивания пробы порошка до постоянной массы при Т = 105°С. Такой анализ весьма длительный, занимает несколько часов. Экспресс-метод контроля: в капсулу на отдельных лодочках загружают пресс-порошок и мелкоизмельченный порошок карбида кальция, хорошо поглощающий воду. При вращении капсулы порошки смешиваются, происходит реакция

СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2,

(86)

и образующийся ацетилен создает определенное давление, фиксируемое образцовым манометром. По номограммам это давление переводят в проценты влажности.

Хорошую информацию о пресс-порошке дает коэффициент сжатия (пластичности), определяемый на специальной пресс-форме (рис. 79), который представляет собой отношение кажущихся плотностей нижнего и верхнего образцов и характеризует силы трения материала о стенки формы и внутри самого материала, поэтому может служить мерой прессуемости и уплотняемости пресс-порошка. Средний образец – промежуточная прослойка, отделяющая верхний и нижний образцы и усиливающая эффект трения, поэтому в измерениях он не участвует. Для анализа приготавливают три навески пресс-порошка P₁ = P₃ = 2 г, Р₂ = 3Р₁ = 6 г, засыпают в форму, разделяя металлическими прокладками. Прессование проводят при удельных давлениях 100–250 МПа. Если обеспечить достаточную точность взвешивания порошков (0,01–0,001 г), то определение коэффициента упрощается и сводится к измерению высот, а не плотности образцов К_сж = ₁ / ₃ = h₃ / h₁.

Рис. 79. Пресс-форма для оценки пластичности пресс-порошков: 1,3– навески порошка по 2г;2– навеска порошка 6г

Для большинства керамических РЭМ K_сж > 0,85–0,9. На практике этот метод оценки пресс-порошков показал неплохую чувствительность и воспроизводимость, реагирует на изменение режимов предварительного обжига, метода приготовления пресс-порошка, гранулометрии, концентрации вводимых ПАВ и т. п.

Свойства пресс-порошков в немалой степени зависят от макро­структуры отдельных гранул, представляющих собой конгломераты дисперсных частиц со связующими, смазывающими ПАВ и другими технологическими добавками. При получении пресс-порошков методом распылительной сушки гранулы имеют шаровую форму и размеры их находятся в пределах от десятков до сотен микрометров. Механическая прочность гранул низкая, зависит от адсорбционных сил сцепления влаги и органических веществ (коагуляционная и частично конденсационная структуры). Это затрудняет изучение внутреннего строения отдельных гранул. Срезы и изломы на таких мелких объектах сделать весьма сложно. Представляет также интерес изучение внутренней макроструктуры прессованных изделий, лент, пленок, отливок и других сырых заготовок. Для этих целей может быть использован модернизированный санный микротом – прибор, применяемый в медицине и биологии для получения срезов животных и растительных тканей. Срезаются гранулы с толщиной срезов 3–30 мкм с интервалом размера 1 мкм. В модернизированном варианте в прибор входят оптический микроскоп и фотокамера, что позволяет фиксировать наблюдаемые объекты при увеличении в 50–150 раз.

Исследуемые гранулы в специальной форме заливают твердеющей полупрозрачной смесью, состоящей из коллоксилина, этилового спирта и эфира, взятых в соотношении 1 : 2,2 : 6,8. Заливка осуществляется в конические гнезда формы с таким расчетом, чтобы гранулы (одна или несколько) размещались около вершины конуса затвердевающей массы. К залитой смеси присоединяют деревянный блок, который прочно схватывается с массой и затем закрепляется в зажимах прибора. Роль затвердевшей массы в удержании гранул на блоке под усилием среза ножа, поэтому она должна быть достаточно прочной и в то же время пластичной и не загрязнять поверхность среза. Таким образом можно вскрыть любое сечение гранулы и обнаружить ее внутреннее строение. Колоксилин можно заменить целлоидином с парафином, но этот состав менее прочен и замазывает срезы. Известен также метод оценки объема пустот в гранулах по насыпной массе отдельных фракций гранул. Оба метода, дополняя друг друга, позволяют более тщательно и скрупулезно изучать внутреннее строение дисперсных материалов и принимать решения о корректировке технологических режимов их получения.