11 Шлікерне формування

Суттєвим недоліком раніше розглянутих способів формування порошкових виробів є складність або неможливість отримання виробів складної форми. Разом з тим область застосування керамічних матеріалів постійно збільшується і вимагає створення деталей складних конфігурацій, у тому числі геометрично неправильних форм.

Для подолання такого обмеження розроблено і використовується ряд методів шлікерного формування (шлікерного литва):

• шлікерне формування у пористих адсорбуючих формах;

• шлікерне формування у пористих не адсорбуючих формах;

• електрофоретичне шлікерне формування;

• формування термопластичних шлікерів.

Шлікер – стійка однорідна суспензія порошку матеріалу.

При шлікерному формуванні у пористих адсорбуючих формах для виготовлення форм використовують матеріал, який має здатність поглинати рідку фазу шлікера і є хімічно інертний до неї. Найкращим з таких матеріалів є гіпс, здатний активно адсорбувати воду.

Природний гіпс CaSO₄∙2H₂O подрібнюють і зневоднюють при 140-175 ⁰С до складу CaSO₄∙0,5H₂O, а потім до нього додають воду до консистенції крему. З такого “крему” виготовляють форму у матрицях або використовуючи моделі. Гіпсову форму сушать протягом 4-150 год. при 50-65 ⁰С. Після сушіння форма містить 5-10 % H₂O і готова до використання.

Формування заготовок здійснюється шляхом заливання неперервного струменю у гіпсову форму до її заповнення. Частина рідкої фази шлікера адсорбується формою, а тверді частинки шлікера осаджуються на стінках, поступово формуючи заготовку. Тривалість набору маси заготовки складає 1-60 хв.

Для надання сформованим заготовкам деякої міцності їх сушать разом з формою. При цьому заготовка отримує невелику усадку на рівні 1 %, що полегшує її видалення з форми.

Після цього заготовку сушать в сушильних шафах при 110-150 ⁰С. Відносна щільність литих заготовок складає 30-60 % від теоретичної. Зв'язок між частинками порошку у сформованій заготовці обумовлений в основному силами механічного зачеплення, відповідно, міцність таких заготовок невелика і існує ризик їх пошкодження або руйнування при спіканні. Шлікерне формування у пористих не адсорбуючих формах здійснюють без вбирання рідкої фази шлікера матеріалом ливарної форми. У такому випадку проводять:

• шлікерне формування за допомогою вакууму у металевих формах з перфорованими стінками (зсередини стінки форми покривають шаром паперової маси, а зовні створюють розрідження, яке забезпечує відвід рідкої фази з шлікера);

• шлікерне формування під тиском (кілька МПа) у роз’ємних формах з стінками з пористого матеріалу (спечений скляний порошок, пластик), за яким знаходяться порожнини для відведення рідкої фази шлікера;

• виморожування рідкої фази (заморожені заготовки після виймання з форми сушать у вакуумній камері і спікають).

Електрофоретичне формування застосовують для отримання тонкостінних і крупно габаритних виробів з фарфору і кварцу. Формування порошкових заготовок відбувається шляхом поступового нарощування шару з твердих частинок шлікера, які під дією електричного поля переміщуються до електроду-форми (тонкостінні мідні форми) і осаджуються на ньому. Процес формування заготовки відбувається протягом кількох хвилин при напрузі 2-4 В/см і щільності струму 0,0015-0,0030 А/см².

Послідовність формування виробів методом литва термопластичного шлікера включає такі етапи:

1. дозування елементів шлікера у необхідних пропорціях;

2. поміщення порошку і органічної зв’язки у робочий об’єм шлікерної машини і проведення вакуумування об’єму;

3. нагрівання суміші порошку і зв’язки до температури розплавлення зв’язки (для парафіну 100-110 ⁰С);

4. перемішування суміші рідкої зв’язки і порошку за допомогою лопатей на валі;

5. витискання готового рідкого шлікера через внутрішній отвір валу змішувача у ливарну форму.

6. сформовані сирі заготовки подаються у піч для відпалу пластифікатора. Після відпалу заготовка являє собою каркас з частинок основного матеріалу з великою кількістю пор;

7. просочування утвореного каркасу речовиною, що містить хімічні елементи які бритимуть участь у синтезі кінцевого матеріалу;

8. відпал органічних компонентів речовини яка була використана для просочування;

9. спікання сформованого виробу.

До складу термопластичного шлікера входить порошок основного матеріалу і термопластична зв’язка (парафін, або інша органічна субстанція, яка має здатність розріджуватись при підвищеній температурі). Кількість органічної зв’язки у складі шлікера доходить до 30 %.

Шлікерна машина являє собою посудину з нержавіючої сталі об’ємом кілька десятків літрів. Робочий об’єм нагрівається завдяки циркуляції масла в порожнині між внутрішню і зовнішньою стінками робочого об’єму. Зовнішня поверхня робочого об’єму нагрівається за допомогою тенів, або нагрівальних спіралей, керування якими здійснюється за допомогою засобів автоматики, які підтримують температуру масла на постійному заданому рівні. У робочий об’єм герметично через верхню кришку вставляється обертальний вал з лопатями у нижній частині. Обертальний вал приводиться у дію через пасову передачу від електродвигуна. Сам вал являє собою товстостінну трубу, через внутрішній отвір якої відбувається подача під тиском приготовленого лікеру.

Метою перемішування є одержання рівномірної суміші по всьому об’єму шлікера. Тривалість перемішування складає 8 і більше годин. Чим вища тривалість перемішування, тим вища однорідність переміщуваного лікеру.

Після закінченні процесу змішування обертання зупиняється, зверху на привідний вал встановлюється ливарна форма в робочий об’єм подається повітря під тиском за допомогою якого відбувається витіснення шлікера через отвір приводного валу і заповнення порожнини ливарної форми.

Ливарна форма для лікерного литва являє собою замкнутий об’єм, форма і розміри якого відповідають кінцевій сформованій деталі. У нижній частині ливарної форми є отвір, через який шлікер під тиском її заповнює.

Після заповнення форми вона знімається з шлікерної машини розбирається і встановлюється назад. Після цього в робочий об’єм знову подається тиск, форма знову заповнюється і так далі.

Відпал пластифікатора проводиться за температури вигорання органічної зв’язки, яка складає у середньому кілька сотень градусів ( приблизно 250 ⁰С) для парафіну.

Технологічна операція просочування і наступного відпалу наявна не завжди, а тільки у випадку формування виробів з низькою залишковою пористістю. У випадку формування конструкційних елементів які не будуть нести значних навантажень і для яких допускається значна залишкова пористість операції просочування і наступного відпалу можуть бути не наявні.

Методом шлікерного литва виготовляють керамічні деталі складної геометричної форми, які не можуть бути отримані іншими способами формування:

• лопатки робочих коліс газотурбінних двигунів;

• тонкостінні циліндри;

• деталі із змінним по висоті перерізом;

• деталі з малим поперечним перерізом.

Основною перевагою шлікерного методу формування є можливість одержання виробів складної форми.

Як недолік шлікерного формування слід відмітити складність або неможливість одержання щільних безпористих деталей з високими фізико-механічними властивостями.