5.5. Пластичное формование

Изделия с большим соотношением длины к поперечным размерам, сложной формы, длинномерные и ажурные заготовки, пленочные композиции и т. п. изготавливаются методами пластичного формования: литье шликера, горячее литье под давлением, экструзия, получение лент и пленок и др. Некоторые из этих методов иногда совмещают, например литье пленок с подпрессовкой. Общая схема таких прессов показана на рис. 44.

Для пластического формования приготавливают шликеры, пасты (суспензии), которые представляют собой смеси дисперсной фазы с комплексом различных веществ, объединяемых общим названием платификатор, или связка.

Рис. 44. Схема технологического процесса при пластичном формовании изделий из порошков

Шликер, паста – это устойчивые дисперсные системы, способные изменять агрегатные состояния от жидкого до твердого. Четкая терминология и определение пластификатора не установлены.

В керамической технологии пластификатор – это смесь веществ, образующих жидкую вязкую фазу дисперсных систем формовочного материала и придающих массе требуемые технологические свойства. Пластификатор может состоять из одного вещества, выполняющего различные функции, или из ряда веществ, имеющих разные свойства и назначение – пластификатор (связка), смазка, растворитель, ПАВ и т. п.

В химической технологии, например в производстве полимеров и пластмасс, пластификатор – это вещество, применяемое для модифицирования органических связующих для сохранения их структурных свойств при температурных воздействиях и облегчения формуемости материала. Действие пластификатора всегда выражается в понижении температуры стеклования полимера.

Ввести единую формулировку термина «пластификатор», очевидно, весьма сложно. По химической природе пластификаторами могут быть водные органические и неорганические, неводные органические и комплексные материалы: вода, спирты, полимеры, каучук, масла, парафины, воски, твердые жиры, смолы, кремнийорганические соединения и т. п. Некоторые из них являются ПАВ – одновременно позволяют регулировать различные физико-химические, реологические и технологические характеристики дисперсных систем. Выбор веществ обусловливается требованиями обеспечения хорошей текучести массы и максимальной плотности упаковки твердых частиц при минимальном содержании пластификатора. Это может быть достигнуто при наименьшей толщине жидких прослоек между твердыми частицами. Кроме того, выбранные вещества должны придавать сформованному изделию достаточную механическую прочность, минимальную усадку, не быть токсичными и дорогостоящими.

Шликер представляет собой коллоидно-химическую систему, гетерогенную, в которой между твердыми и жидкими фазами имеется поверхность раздела. Пример строения водного шликера показан на рис. 45.

Рис. 45. Схема строения водного керамического шликера: 1 – частица порошка; 2 – связанная вода; 3 – инертный материал включения; 4 – пора; 5 – свободная вода

В результате взаимодействия на поверхности раздела частица–пластификатор вокруг частиц образуются развитые ионные слои и сольватные оболочки, которые создают пространственную коагуляционную структуру определенной прочности, характеризуемой вязкостью, которая является функцией взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Прочность таких структур невелика, поэтому при формовании изделий не нужны большие давления; при определенной консистентности масса может течь под собственной тяжестью. Под действием приложенного напряжения такие структуры разрушаются, т. е. не обладают постоянной вязкостью (неньютоновские жидкости).

К недостаткам пластических методов формования следует отнести возможность образования воздушных включений (поры, флакены, полости). Для исключения этого в технологический процесс вводят операцию вакуумирования формовочных масс.

Наиболее старым способом пластичного формования является литье в гипсовые формы водных шликеров. После заливки в форму масса обезвоживается за счет поглощения воды гипсом.

После просушки форма приходит в начальное состояние. Литье можно осуществлять в пористых и бумажных формах. При заливке шликера в форму начинается всасывание жидкости в материал и твердая фаза, принесенная потоками к стенкам, отлагается на них в виде корочки, толщина которой увеличивается со временем. После получения нужной толщины изделия остаток шликера сливают и сушат изделие вместе с формой. Это – сливной метод (рис. 46).

Рис. 46. Получение литых полых изделий: а – после заливки; б – после слива

Так же можно получать полые изделия, в том числе шаровой формы (практически единственный метод). Если не делать слива шликера, то получают сплошные изделия (наливной метод). При сушке в результате усадки материал отстает от стенок, и изделие легко извлекается при разборке формы. В случае сцепления массы с формой применяют смазки. Требования, которым должен удовлетворять шликер, довольно противоречивы:

– низкая вязкость;

– малая скорость оседания и расслоения частиц;

– отсутствие пены и включений;

– удовлетворительная скорость заполнения;

– низкая усадка при сушке;

– высокая чистота поверхностей форм;

– быстрое высвобождение литых изделий из форм;

– высокая прочность изделий в высушенном состоянии.

Целесообразно применение частиц твердой фазы с размером <0,5 мкм с хорошим распределением гранулометрического состава. Составы, близкие к монодисперсности, образуют высоковязкие шликеры, которые дают высокую усадку и низкую прочность изделий. Метод прост и в этом его достоинство, но у него невысокая производительность, сложно извлечение изделий из форм, низкая механическая прочность отливок, но литье имеет большие перспективы для получения плотных изделий сложной конфигурации.

Горячее литье под давлением в технологии РЭМ стало применяться сравнительно недавно. Основная особенность – получение шликерных композиций в текучем маловязком состоянии с помощью подогрева до температур, вызывающих плавление твердой технологической связки. По молекулярному строению связующие вещества могут быть термопластичными и термореактивными. Метод литья на термопластичной основе разработан в СССР. В качестве связки в основном применяют парафин – это углеводороды ряда С_nН_2n+2, где n = 19–35 с добавлением до 5% масел. Существуют две группы твердого парафина: спичечный T_пл = 45–50°С и содержание масла до 5% и свечный – T_пл = 53–54°С и содержанием масла до 1%. Затвердевание сформованных изделий осуществляется при естественном охлаждении. При последующей термообработке изделий происходит вновь размягчение массы, это требует определенных мер предосторожности для исключения деформации отливок. Метод на термореактивной основе (для связок используют смолы) имеет более высокую температуру плавления 150–200°С. Отвердение происходит при нагреве до температур, обеспечивающих явления конденсации и полимеризации, и процесс этот необратим.

Недостаточная смачиваемость парафина не позволяет неполярным молекулам углеводородов существенно адсорбироваться поверхностями твердых частиц, имеющих ионное строение, так как они не создают ориентированных сольватных оболочек, предотвращающих агрегацию. Поэтому в состав парафина добавляют ПАВ, которые и адсорбируются на частицах. Полярные группы ориентируются к поверхностям частиц, а направленные наружу неполярные радикалы взаимодействуют с парафином. При этом важно, чтобы концентрация ПАВ соответствовала мономолекулярному слою. В качестве ПАВ используют олеиновую и стеариновую кислоты, пчелиный воск, церезин и др. Хорошие результаты дают комбинации олеиновой кислоты и пчелиного воска в концентрации 0,3–1,5% к массе порошка, хотя расчетное количество составляет 0,05–0,20%. Значительная часть ПАВ остается в объеме парафина, снижая его вязкость. В производстве ферритов в состав шликера вводят 10–12% парафина и 2–5% (от парафина) пчелиного воска и олеиновой кислоты.

Обязательным требованием является просушивание (прокаливание) порошка, так как присутствие влаги даже в количестве 0,1–0,2% ухудшает качество смеси. Смешивание производят при температуре 60–80°С для расплавления парафина. Вакуумирование – при давлении 1,33–2 КПа при перемешивании. Параметры шликера: вязкость, скорость затвердевания, литейная способность, плотность и однородность упаковки твердых частиц, устойчивость (нерасслаиваемость) в горячем состоянии, усадка при охлаждении. Очень важно отсутствие конгломератов порошка в шликере.

Формование изделий проводят на литьевых машинах (рис. 47). Шликер 4 с температурой 65–70°С находится в баке 5, подогреваемом нагревателем 7 и термостатируемом водной рубашкой 6. Под давлением 300–800 КПа сжатого воздуха 1 через трубку 3 шликер подается в форму 2 для заполнения. Форма отводится от литника для остывания, на ее место становится следующая форма. Температуру шликера показывает термометр 8. Основные режимы литья: время заполнения (объемная скорость), давление, время выдержки, температуры шликера и формы, размеры и форма литниковых отверстий, момент среза и извлечения литника, время охлаждения (твердения) в форме. Временные составляющие цикла горячего литья под давлением представлены на рис. 48.

Рис. 47. Схема литьевой машины: 1 – сжатый воздух; 2 – форма для заполнения; 3 – литниковая трубка; 4 – шликер; 5 – бак; 6 – водяная рубашка; 7 – нагреватель; 8 – термометр	Рис. 48. Типовая циклограмма горячего литья под давлением: 1 – время подвода формы к питающей трубке; 2 – время заполнения шликером; 3 – время выдержки под давлением; 4 – время отделения литника от заготовки; 5 – время твердения; 6 – время отхода формы от литниковой трубки; 3 + 5 + 6 – полное охлаждение; 7 – время распрессовки; 8 – время снятия заготовки.

Шликер заливают в холодную форму. Усадка отливок составляет 3–5% объемных, что соответствует 1–2% линейных. Внешняя часть отливки (корка) усаживается меньше 0,2–0,3%, что достаточно для бездефектного извлечения изделий из формы. В результате охлаждения всей массы и объемной усадки может появиться внутренняя усадка, что приведет к образованию рыхлот, раковин и т. п. Это – недостаток метода, который необходимо учитывать при выборе режимов.

Получаемые отливки обладают прочностью, достаточной для механической обработки, позволяющей получать более сложные формы изделий. Производительность метода для мелких деталей сравнима с прессованием. Так как затвердевание массы происходит быстро, с ростом габаритных размеров производительность снижается. Удаление связки связано с тем, что расплавление парафина при последующей термообработке понижает прочность изделий, и в то же время удаление связки упрочняет изделия. Эти противоречия требуют специфичного подхода к технологии. Метод позволяет получать изделия весьма сложной формы из высокообразивных материалов при сравнительно недорогой и долговечной оснастке. Можно использовать многоместные формы, что резко повышает производительность оборудования, при этом можно отливать изделия с большим числом отверстий, пазов, выемок, переходных сечений и других усложнений формы изделия, а также изделия асимметричной формы. Отлитые и спеченные заготовки отличаются изотропностью, высокой однородностью довольно плотной структуры.

Усложненный состав шликера требует введения предварительного или двухступенчатого обжига изделий в засыпке или на адсорбирующих подложках. Поэтому для изделий простой формы и массового выпуска этот метод становится менее рентабельным.

Экструзия (или протяжка, выдавливание через мундштук) – это метод формования длинномерных (бесконечных), симметричных, тонкостенных, сплошных и полых изделий (стержней, трубок и т. п.). На рис. 49 показано получение трубчатых заготовок. Формовочную массу готовят в виде пасты на основе органических веществ: ПВС, карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), тунгового масла, декстрина, реже воды. Концентрация пластификатора из од­ного или нескольких веществ составляет в общей сложности 8–12% массы порошка. Массу вакуумируют, иногда неоднократно. Для более полного протекания процессов структурообразования, повышения пластичности и однородности массу подогревают и подвергают вылеживанию без высыхания в закрытой таре.

Рис. 49. Схема экструзии

В процессе вытяжки вводят операцию резки или отрыва изделий из непрерывного полуфабриката. Заготовки укладывают в профильные плитки (деревянные или пластмассовые) для последующего высыхания и твердения. Усилие выдавливания через мундштук зависит от множества факторов, в том числе и от структурно-механических свойств пасты.

Для протяжки применяют прессы (экструдеры) периодического (поршневые) и непрерывного (шнековые) действия. Скорость протяжки составляет десятки метров в минуту. При экструзии получают высокую чистоту поверхности и однородность плотности структуры формуемых заготовок, но последняя зависит от концентрации жидкой фазы и давлении при протягивании. К недостаткам метода следует отнести большой расход пластификатора, который вызывает повышенную пористость спеченных изделий и длительность сушки (в естественных условиях длится 1–2 суток). Метод незаменим для получения длинных стержневых и полых изделий.

Пленки, ленты используются при изготовлении элементов ин­тегральной техники. Технология позволяет получать пленки и ленты с толщиной 10–100 мкм и выше. Это требует очень сложных по составу шликеров на каучуковой основе в бензине, керосине, органических растворителях и др.

Широкое применение нашел метод разлива через фильеру ке­рамического шликера на непрерывно движущуюся подложку, материал которой должен обеспечивать получение ровной, гладкой поверхности пленки и не допускать прилипания ее к подложке. Применяют различные методы литья, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и недостатки, показанные на рис. 50, где. Есть два варианта литья на движущуюся подложку (рис. 50 а, б) в первом случае, толщина жидкого слоя задается формирующим ножом, выравнивающим слой по высоте; во втором толщина шликера задается только размером литьевой щели, бункер выполнен плавающим (при получении особо тонких и точных по толщине пленок).

Рис. 50. Схема литья пленок: а и б – на движущуюся подложку; в – на барабан: 1 – формирующий нож; 2 – бункер с фильерой; 3 – мешалка; 4 – шликер; 5 – подложка; 6 – рулон с пленкой подложки; 8 –прижимной барабан; 9 – отливаемая пленка; на рис. 50, в 1 – подрезающий нож; 7 – формирующий барабан

Схема литья на барабан (рис. 50, в) применяется при изготовлении толстых пленок 1,5–3,0 мм. Поверхность барабана обрабатывается с высоким классом чистоты и точности. Пленка, снятая ножом, укладывается на любую поверхность, например на бумажную ленту, что облегчает дальнейшую сушку. Если барабан подогреть, то процесс сушки интенсифицируется.

Для всех приведенных схем литья имеется ряд общих закономерностей, отражающих влияние технологических факторов на процесс литья и качество получаемых полуфабрикатов.

В зависимости от схемы предъявляются разные требования к пленке-подложке. В первой схеме она должна быть с минимальными колебаниями по толщине и с высокой чистотой поверхности. Применяют полиэтиленовую, фторопластовую, лавсановую подложки. Недостаток полиэтилена – в низкой температуростойкости, что ограничивает температуру сушки и производительность. Фторопласт – термостоек, но имеет повышенную способность к деформируемости. Лавсановая лента имеет хорошую термостойкость, прочность, химическую стойкость, стабильную толщину и высококачественную поверхность. После сушки отлитая пленка хорошо отделяется от ленты.

Во второй схеме требования к стабильности толщины пленки могут быть снижены, так как плавающий бункер компенсирует неровности ее поверхности и качество пленки не снижается, поэтому лавсановая пленка предпочтительнее.

В схеме литья на барабан подложка выполняет роль несущей основы, предотвращающей деформацию пленки при протягивании ее через зону сушки, требования к ней минимальные. На шликер в бункере можно воздействовать сжатым воздухом, при избыточном давлении скорость литья возрастает. Важным показателем шликера является его вязкость и плотность, которые в основном регулируются содержанием растворителя. При высокой вязкости шликер неравномерно растекается по подложке, пленка получается толще и имеет неровности. Жидкий шликер требует больше энергии для испарения растворителя, кроме того, плотность пленки снижается. Поэтому вязкость шликера выбирается в каждом конкретном случае экс­периментально в соответствии с предъявляемыми к пленке требованиями и поддерживается постоянной.

В состав шликера входят вещества различного функционального назначения: наполнитель, пленкообразователь, растворитель, различные ПАВ, улучшающие литейные свойства шликера и характеристики готовой пленки.

В качестве наполнителя при изготовлении пленок используют порошки различных материалов: стеатит, форстерит, TiО₂, ZrО₂, Аl₂О₃ и другие более сложные композиции. Чем выше дисперсность порошка (около 1–2 м²/г), тем лучше качество отлитой пленки, возрастает ее прочность, стабильнее усадка.

Условия сушки (температура, скорость, способ нагрева) выбирают из условий максимальной производительности и получения качественного продукта. Общепринято прогрев шликера после его растекания по подложке производить инфракрасными лучами, а сушку пленки вести нагретым воздухом. Слой шликера при этом быстро и равномерно прогревается без преимущественного испарения растворителя с поверхности, что исключает возможность образования поверхности, которая растрескивается при дальнейшей сушке. Из предварительно прогретого слоя шликера в зоне конвективной сушки растворитель равномерно и по всему объему испаряется, при этом температура теплоносителя не должна быть высокой во избежание образования поверхностного слоя. Когда основная усадка материала стабилизируется, остатки растворителя удаляются при более высокой температуре.

Пленкообразователями могут служить различные полимеры: полистирол, метилметакрилат, нитроклетчатка, каучук, поливинилбутираль и др. Основные требования к ним: придание достаточной прочности и эластичности получаемой на их основе пленке, равномерность толщины и плотности, легкость отделения от подложки после сушки. При этом пленка должна хорошо прокатываться и прессоваться.