Лекция 7 Теория формования керамики

Лекция 7.

Теория формования керамики.

Для получения изделия керамическому материалу необходимо придать специфическую форму с контролируемыми допусками и заданные свойства:определенную… 1. формование изделия из глиносодержащей (или другой материалосодержащей)… 2. формование вязких стекол при повышенных температурах с последующим охлаждением изделий для придания им прочной…

Подготовка материалов.

Грубозернистые материалы имеют малую пластичность и низкую прочность в высушенном состоянии, но быстрее обезвоживаются и имеют малую усадку в… Помимо размера частиц важно также их распределение по размерам. Для шихты из… Теоретическое изменение плотности при заполнении формы материалом различного размера можно проследить на примере…

Рис.1. Схема подготовки порошка для получения керамического изделия.

Сухое прессование.

При сухом прессовании используют различные прессы, давления и материалы для пресс-форм. Небольшие изделия часто формуют на скоростных механических… Техническая керамика чаще всего прессуется из совершенно сухих порошков при…  

Рис.2. Влияние давления на объемный вес и усадку при обжиге BeO.

Объемный вес;

Усадка.

 

Основные стадии автоматического, сухого прессования показаны на рис. 3. В 1-й стадии нижний пуансон опускается в положение наполнения, а рукав питателя подает однородный материал в полость пресс-формы. В следующей 2-й стадии рукав питателя отодвигается, и верхний пуансон входит в форму до постоянной глубины или до постоянного давления.

 

 

 

Рис.3. Основные стадии автоматического сухого прессования.

 

Объем спрессованного изделия приблизительно равен половине объема свободно насыпанного материала. В 3-й стадии нижний пуансон поднимается и выталкивает спрессованное изделие. В 4-й стадии рукав питателя сдвигает изделие с пресса и повторяется первая стадия.

Главная трудность, возникающая при автоматическом, сухом прессовании, заключается в появлении в спрессованных изделиях трещин, которые могут быть вызваны износом формы, наличием в прессованном изделии воздуха, чрезмерным давлением, высокой скоростью прессования и другими причинами.

Одним из ограничений применения сухого прессования является отношение длины к диаметру изделия, при котором оно может быть равномерно пропрессовано. Изменение давления по массе изделия возникают из-за неравномерного заполнения сложной формы, или из-за трения о стенки в длинной форме. При одностороннем прессовании цилиндров возникают различия в распределении давления по форме, когда соотношение высоты к диаметру цилиндра больше 1, рис. 4. Это положение может быть улучшено двусторонним прессованием. Однако имеется предел соотношения высота – диаметр, при котором может быть получено одинаково пропрессованное изделие.

 

Рис.4. Распределение давлений в уплотняемом порошке при одностороннем прессовании в цилиндрической форме. (На рисунке обозначены линии постоянногo давления. L : D — отношение длины формы к ее диаметру)

Полусухое прессование.

В результате прессования увеличиваются контактная поверхность между частицами и их сцепление. При прессовании снижается размер крупных пор и… Вода при полусухом прессовании участвует в передаче давления. Максимальное… При полусухом прессовании объем получаемого изделия в 1,5 – 2 раза меньше объема свободно насыпанной массы.…

Изостатическое (гидростатическое) прессование.

Одним из путей уменьшения неравномерности распределения давления по высоте изделия является изостатическое прессование, при котором изделие помещают в резиновую или пластиковую форму, а давление прикладывают через соответствующую жидкость. Порошок с влажностью до 3%засыпают в резиновую форму и помещают в цилиндр с жидкостью (водная эмульсия, глицерин, масло), подвергают вибрации и вакуумированию. Затем системой насосов создают давление жидкости. Порошок всесторонне обжимается. Получаемое изделие обладает равномерной плотностью и изотропной текстурой. Гидростатическое прессование технологически удобно для получения изделий больших размеров.

Вибрационное формование.

При вибровоздействии отдельным частицам порошка сообщаются индивидуальные скорости и ускорения, в результате чего ослабляются силы внутреннего… Порядок вибрационного формования заключается в следующем. Массу засыпают в… Интенсивность вибрации выражают виброускорением в единицах ускорения силы тяжести. Максимальное ускорение равно сумме…

Шликерное литье.

Термин «шликерное литье» исторически связан с получением фарфоровых и других керамических изделий из шликеров – водных суспензий глин и каолинов. В настоящее время получают суспензии многих тугоплавких веществ и не только водные, но и в других жидкостях. Под термином «шликер» понимают «литейную керамическую систему».

Сущность этого метода заключается в следующем. Водную суспензию керамической массы – шликер – заливают в пористую, чаще всего гипсовую, форму. Вода из шликера проникает в поры формы, а твердые частицы отлагаются и упаковываются на стенках. В технологии керамики этот процесс получил название «набирание тела заготовки». После набора массы до требуемой толщины избыток шликера удаляют, заготовку предварительно подсушивают, извлекают из разборной формы, сушат и обжигают. Различают два метода шликерного литья – наливной и сливной, рис. 5.

Рис.5. Наливной (а) и сливной (б) способы шликерного литья в гипсовых формах.

1 – шликер залит в форму; 2 – вода абсорбирована формой; 3 – после набирания тела

заготовки избыток шликера слит; 4 – горловина изделия зачищена; 5 – готовая отливка.

 

Шликерное литье применяют для получения тонкостенных изделий или изделий больших размеров и сложной формы. В настоящее время благодаря коренному усовершенствованию метода шликерного литья он позволяет получать наиболее плотные заготовки в сравнении со всеми другими методами формования, включая взрывное формование.

Приготовление шликера проводят различными методами: одностадийным, мокрым измельчением твердого компонента, двухстадийным – предварительным сухим помолом и затем мокрым домолом; суспендированием – смешением сухого порошка с водой; методом дополнительного насыщения, при котором в суспензию вводят сухой порошок в 2-3 этапа с последующим перемешиванием.

Частицы шликера, 10^-4 см, много крупнее коллоидных частиц 10^-5-10^-7 см. Шликер как суспензия обладает некоторыми свойствами коллоидных систем: частицы шликера несут двойной электрический слой или сольватную оболочку, коагулируют, образуют пространственные коагуляционные структуры, обладают тиксотропией, т.е. ожижаются при перемешивании и переходят обратно в коагуляционное состояние при покое.

Шликеры обладают и своими специфическими свойствами: седиментацией, фильтрацией и кольматацией или вмывом тончайших частиц в крупные поры фильтрующего слоя.

Хороший литейный шликер должен удовлетворять разнообразным требованиям:

­ иметь достаточно низкую вязкость для обеспечения хорошей текучести;

­ давать чистую поверхность и высокое качество изделий;

­ быть высокоустойчивым;

­ обеспечивать возможность быстрого освобождения изделия из формы;

­ обеспечивать низкую усадку изделий при сушке и высокую прочность в высушенном состоянии;

­ иметь удовлетворительную скорость «набора тела»;

­ шликер, предназначенный для получения плотных изделий должен быть свободным от пены, газовых пузырей и других включений»

­ иметь предельно высокое содержание твердого компонента.

Свойство шликеров описывают коллоидная химия, реология и технология.

Подбор подходящих шликерных составов является своего рода искусством, уровень которого меняется в зависимости от опыта, накопленного на данном предприятии.

Термопластифицированные шликеры. В таких шликерах дисперсионной средой служит парафин и ПАВ при температуре 50-60°С. Шликер при этой температуре даже при массовой доле твердой фазы 85% представляет собой ньютоновскую жидкость с невысокой вязкостью. Пластифицированный шликер льют в металлическую форму, где он охлаждается и твердеет. Отливку вынимают из металлической формы, помещают в засыпку специального порошка и нагревают при 1100-1150°С. При этом происходит предварительное спекание и удаляется пластификатор. Полученный таким образом полуфабрикат обжигают. Такой метод шликерного литья позволяет отливать изделия очень сложной формы, проводить перед спеканием их механическую обработку, использовать долговечные металлические формы. Основные недостатки – необходимость удаления связки и ее вредность.

Сушка.

Изделие, сформованное сухим или полусухим прессованием, пластическим формованием, шликерным литьем обычно содержит определенное количество влаги. Для получения готового керамического изделия сырец должен быть высушен, оплавлен и обожжен при высокой температуре. Большая часть дефектов, появляющихся в изделии при проведении процесса его изготовления получаются на стадиях сушки и обжига. Наиболее распространенными из них являются коробление, образование трещин и деформация изделий.

Установлено, что при сушке керамических изделий начальная скорость сушки не зависит от количества воды в изделии, а зависит исключительно от температуры, влажности и скорости движения воздуха над его поверхностью. Скорость сушки равна скорости испарения воды со свободной поверхности сырца. Снижение скорости сушки вызывается увеличением сопротивления поступлению воды к поверхности изделия.

Изменение усадкив процессе сушки показывает, что наибольшая ее часть наблюдается во время периода постоянной скорости сушки. В этом периоде сушки усадка по существу заканчивается. В начальной стадии сушки каждая частица массы отделена от других частиц водяными пленками, рис. 6. Толщина водяных пленок уменьшается вплоть до критической точки, в которой скорость сушки и усадки резко меняются за счет того, что частицы приходят в контакт друг с другом, что приводит к окончанию усадки и снижению скорости сушки.

 

Рис.6. Процесс сушки глинистой массы.

а – влажная масса; б – масса в критической точке; в – сухое изделие.

Дефекты, образующиеся на стадии сушки, обычно возникают в период усадки, когда в части изделия образуется твердая структура, свободная от водяных пленок, а в остальных частях усадка еще продолжается. В результате этого в изделии возникают напряжения, коробление, трещины.

Для управления сушкой необходимо проводить строгий контроль влажности и скорости движения воздуха над изделием: чем суше воздух и выше скорость его движения, тем выше скорость сушки. Высокие температуры также приводят к увеличению скорости сушки.

Помимо контроля сушки, скоростью усадки можно управлять, контролируя водосодержание в сырце. При уменьшении числа водяных пленок между частицами усадка при сушке уменьшается. Для уменьшения усадки могут быть добавлены грубозернистые материалы. Однако их введение снижает пластичность массы при формовании. Поэтому здесь нужен разумный компромисс.

При автоматических процессах формования требуется высокая скорость сушки для того, чтобы свести к минимуму ее продолжительность. Следовательно, в этом случае для предупреждения образования дефектов необходим тщательный контроль, а также хорошо налаженное оборудование для проведения этого процесса.

Изделия большого размера, сформованные вручную можно высушивать с небольшой скоростью при комнатной температуре и атмосферной влажности, или в специальной закрытой камере, чтобы уменьшить скорость сушки.

Для сушки со средней скоростью используют подовые сушилки. Дымовые газы или пар проходят через подовые каналы и нагревают изделия, расположенные на поду. При этом скорость сушки невелика.

Инфракрасная сушка применяется для тонкостенных изделий, сформованных автоматическим пластическим формованием. В этом случае формы с автоматической формовочной машины вместе с изделиями продвигаются на ленте транспортера между двумя рядами инфракрасных ламп.

При сушке изделий, для которых важен точный контроль условий сушки, используют сушилки с контролируемой влажностью. При сушке таких изделий начальную влажность повышают настолько, чтобы обеспечить низкую начальную скорость сушки во время периода наибольшей усадки. При этом поднимают температуру для повышения скорости на более поздних стадиях процесса. Эти приемы позволяют быстро провести весь процесс не вызывая образования дефектов в изделиях.