Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Природознавство arrow Теорія і технологія пресування порошкових матеріалів
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Формування шлікерним литтям

Загальні засади формування шлікерним литтям

Суть методу шлікерного лиття полягає у формуванні порошкових виробів із суспензій (шлікерів), що складаються з частинок порошку і рідини, у формах. Залежно від процесів, які лежать в основі формування виробів цим методом, розрізняють три основні способи шлікерного лиття:

– шлікерне лиття в пористих формах;

– формування зі шлікерів електрофоретичним методом;

– лиття з термопластичних шлікерів.

Шлікерне лиття в пористі форми проводять відповідно до схеми, показаної на рисунку 131, о. Шлікер заливають у пористу форму, де і відбувається формування виробу за рахунок укладання твердих частинок порошку на стінках форми під дією потоків рідини, які виникають завдяки капілярним силам всмоктування. Після формування виробу останній сушать і спікають. Цей спосіб дає змогу одержувати мало- і великогабаритні вироби складної форми з рівномірно розподіленою щільністю за об'ємом. Основні недоліки цього способу – тривалість процесу і потреба у великій кількості форм.

Формування зі шлікерів електрофоретичним методом відрізняється від попереднього вищою швидкістю формування виробу. Це зумовлено тим, що формування виробу з твердих частинок шлікера відбувається під дією спеціально створюваного електричного поля (рис. 131, б). При цьому рух частинок відбувається до протилежно зарядженого їм електрода, яким є форма. Цей спосіб має обмеження, пов'язані з неможливістю отримання виробів складної форми, обумовлені можливостями електроперенесення.

Якість готових виробів, одержуваних шлікерним литтям, багато в чому залежить від властивостей шлікерів, які складаються з дисперсних частинок твердої фази і рідини, за яку використовують воду, спирти, органічні розчинники, парафін. Найчасті-

Схема шлікерного лиття в пористі форми (а) і електрофоретичним методом (б)

Рисунок 131 – Схема шлікерного лиття в пористі форми (а) і електрофоретичним методом (б)

Шлікер повинен мати достатню текучість, високу агрегативну і седиментаційну стійкість, містити максимально можливу кількість твердої фази і добре заповнювати форму. У той же час шлікер у більшості випадків не повинен мати тиксотропію або дилатансію. тобто збільшення в'язкості шлікера в часі. Для тиксотропії характерне збільшення в'язкості системи, зумовлене утворенням коагуляційних структур за рахунок сил Ван-дер-Ваальса. які діють між частинками твердої фази менше 5 мкм, ослабленими прошарками рідини. При струшуванні відбувається руйнування коагуляційних структур і повернення шлікера до первинних властивостей. Для тиксотропних шлікерів характерні властивості бінгамівських тіл. тобто перебіг їх починається при перевищенні певної межі текучості.

Дилатннсія спостерігається для шлікерів, що складаються з грубодисперсних порошків з недостатньою кількістю рідкої фази. В цьому випадку рідка фаза займає проміжки між твердими частинками, внаслідок чого шлікер дещо збільшується в об'ємі і стає жорсткішим. При цьому зростає в'язкість шлікера. Залежно від властивостей шлікера змінюються його реологічні характеристики (рис. 132). Найбільш прийнятні для лиття шлікери, які мають властивості ньютонівських тіл. Тиксотропія допустима тільки в тих випадках, коли вона підвищує стійкість шлікерів.

Під стійкістю шлікерів мається на увазі їх здатність не розшаровуватися протягом часу. Розшарування шлікерів можливе за рахунок седиментації і агрегатування.

Седиментація спостерігається при осіданні частинок під дією сил тяжіння і залежить від розміру частинок. їх густини, вмісту в шлікері. Седиментаційні процеси можуть бути охарактеризовані швидкістю осадження частинок твердої фази в рідині відповідно до закону Стокса, см/с:

(8.1)

де d – діаметр частинок твердої фази;

- густина матеріалу частинок;

-відповідно густина і в'язкість рідкої фази.

Стосовно процесів седиментації в шлікерах при розрахунках необхідно замістьівикористовувати значення густини і в'язкості шлікерів -і. Інакше обчислена швидкість осадження частинок іноді на порядок вища реально існуючої. Проте навіть при використанні в розрахунках густини і в'язкості шлікера дійсна швидкість осадження може виявитися нижчою. Останнє перш за все може бути зумовлене тикстропією і дилатансією шлікерів, внаслідок чого в'язкість їх змінюється в часі. Крім того, на швидкість осадження можуть впливати взаємодія

Загальний вигляд кривих реологій для шлікерів

Рисунок 132 – Загальний вигляд кривих реологій для шлікерів

частинок, ущільнення шлікера, а також виникнення висхідних потоків рідини. За інших рівних дюв на седиментаційну стійкість шлікерів істотний вплив має розмір частинок твердої фази. Для отримання стійких шлікерів максимальний розмір частинок за Ю. Е. Лівійським не повинен перевищувати деякого критичного діаметра:

(8.2)

де- статистична межа текучості шлікера (дотичні напруги. що виникають під впливом сил тяжіння на поверхні частинки в оточуючій її суспензії);

- коефіцієнт форми, залежної від кривизни оточуючих частинки струменів. Для випадку шлікерів з розміром частинки менше 1 ммпокладається рівним 0.3;

- густина відповідно твердих частинок і шлікера.

Статистична межа текучості залежить від розмір}- частинок і їх густини і збільшується з їх збільшенням (рис. 133). З наведеної залежності також слідує, що для досягнення однієї і тієї ж стійкості шлікера використання важких речовин вимагає тонкого їх подрібнення.

Вплів агрегації на стійкість шлікерів залежить від багатьох чинників і пов'язаний із силами, які сприяють укрупненню

Залежність від розміру частинок і густини шлікера:

Рисунок 133 – Залежність від розміру частинок і густини шлікера:

частинок. Укрупнення частинок твердої фази в шлікерах може проходити двома шляхами. У першому випадку воно відбувається за наявності розчинності твердої фази в рідкій за рахунок процесів розчинення-осадження. При цьому відбувається розчинення дрібних частинок і зростання крупніших. Інший шлях обумовлений злипанням частинок і утворенням конгломератів, які поводяться подібно до частинок більшого діаметра. Рушійними силами злипання (флокуляції) частинок є їх велика питома поверхня і пов'язаний із нею великий запас поверхневої енергії, що зумовлює її термодинамічну нестійкість. Зниження питомої поверхні за рахунок укрупнення частинок приводить систему в стійкіший стан.

Для запобігання процесам флокуляції до складу шлікерів вводять речовини-дефлокулятори, якими можуть бути кислоти (соляна, оцтова) і луги (NaOH-, ΚΟΗ-, NH4OH) – електроліти. Суть у тому, що іони, які містяться в дисперсійному середовищі шлікера, при адсорбції на поверхні твердої фази утворюють адсорбційний поверхневий шар з позитивним або негативним знаком заряду. При введенні електролітів дефлокуючу дію чинять іони, заряд яких аналогічний заряду частинок твердої фази, за рахунок зростання сил електростатичного відштовхування. Регулювання властивостей шлікерів, стабілізованих електролітами, здійснюють зміною pH шлікерів через збільшення в розчині концентрації іонів Н+ або ОЬГ.

Необхідно враховувати, що при приготуванні шлікерів дисперсна фаза частково розчиняється в дисперсійному середовищі, наприклад воді, змінюючи значення її pH (для води pH = 7). При цьому всі матеріали можна розділити на дві групи: підкислюючі дисперсійне середовище (pH < 7) і лужне (pH > 7). Шлікер можна стабілізувати, змінюючи pH від 0 до 14 додаванням кислот або лугів. Максимальна стабілізація у шлікерів з підкислюючими матеріалами спостерігається при додаванні лугів (NaOH), а з лужними – при додаванні кислот (НСl).

У тих випадках, коли сили електричної взаємодії незначні, стабілізацію шлікера можна проводити за рахунок сольватації частинок твердої фази, що проявляється у взаємодії їх з рідкою фазою і утворенні на поверхні содьватних оболонок, які перешкоджають флокуляції частинок. Для забезпечення стабілізації шлікерів по цьому механізму необхідно, щоб адсорбційні шарп мали структурну в'язкість, пружність і механічну міцність. У цьому випадку при зіткненні частинок твердої фази шарп не витісняються з їх поверхні і тим самим перешкоджають флокуляції. Сольватні шари можуть утворюватися як у водних, так і в термопластичних (парафінових) шлікерах. При недостатній змочуваності твердої фази або низькій міцності сольватних шарів у шлікер вводяться поверхнево-активні речовини.

У цілому механізм стабілізації шлікерів за рахунок дефлокуляції залежить від типу адсорбції – іонної або молекулярної. При адсорбції на поверхні частинок іонів дефлокуляції в основному сприяють електричні силі, а при адсорбції молекул – розклинювальні сили содьватних шарів.

Як наголошувалося раніше, важливі характеристики шлікерів – в'язкість і пов'язана з нею текучість. В'язкість шлікерів визначає їх здатність заповнювати форми. За інших рівних умов в'язкість шлікера можна регулювати співвідношенням в ньому твердої і рідкої складових.

При збільшенні вмісту твердої фази в шлікері в'язкість його росте спочатку поволі, а потім інтенсивніше. При цьому інтенсивне зростання в'язкості призводить до зниження кінцевої щільності відливок (рис. 134).

Залежність в'язкості (1) шлікера і щільності відливки (2) від вмісту твердої фази в шлікері

Рисунок 134 – Залежність в'язкості (1) шлікера і щільності відливки (2) від вмісту твердої фази в шлікері

На в'язкість шлікорів можна було б впливати, змінюючи pH середовища за допомогою розглянутих прийомів. Значення pH, за яких шлікер має потрібну текучість, називають ливарним інтервалом. Залежно від складу шлікера оптимальні ливарні інтервали мають місце в області як кислих, так і лужних середовищ.

Типові залежності в'язкості і щільності відливок від значень pH показані на рисунку 135.

Важливим у процесі шлікерного лиття в пористі форми і електрофоретичним методом є приготування шлікера.

За Ю.Е. Півінським і А.Г. Ромашиним приготування шлікерів можна здійснювати трьома способами: одностадійним, двостадійним і способом граничного насичення додаванням порошку твердої фази в дисперсійне середовище.

Найбільш ефективний одностадійний спосіб, який поєднує процес розмелювання вихідних порошків до необхідного ступеня подрібнення і змішування з дисперсійним середовищем. При цьому дисперсійне середовище виступає в ролі рідини, що інтенсифікує процес подрібнення.

Двостадійний спосіб передбачає спочатку сухе розмелювання твердої фази, а потім мокре з метою отримання шлікера. Цей спосіб менш ефективний, оскільки триваліший, а також не забезпечує необхідної якості шлікера через наявність у певних кількостях на поверхні частинок адсорбованого повітря. Видалення повітря вимагає тривалого мокрого помелу. Прискорення двоста- дійного процесу приготування шлікерів можливе введенням по

Залежність в'язкості (1, І') шлікерів і щільності відливок (2, 2') від pH середовища

Рисунок 135 – Залежність в'язкості (1, І') шлікерів і щільності відливок (2, 2') від pH середовища

верхнево-активних речовин, що інтенсифікують процес сухого подрібнення і поліпшують змочування рідиною.

Метод граничного насичення дає змогу одержувати шлікери з максимально можливою густиною. Суть його полягає в тому, що якщо перемішуванням вдається понизити в'язкість шлікера, то до нього додають наступну порцію порошку і продовжують перемішування до наступного пониження в'язкості. Процес ведуть до тих пір, поки не припиняється дія ефекту зниження в'язкості.

Приготований шлікер заливають у спеціальні форми, виготовлені з матеріалу, здатного поглинати вологу. Найприйнятнішим матеріалом є гіпс. Для виготовлення форми гіпс замішують з водою, виготовляють форму і потім її сушать за температури 50- 65 °С до вологості 5-10 %.

Гіпсові форми мають низку недоліків, що полягають у низькій продуктивності лиття, недовговічності, зменшенні швидкості лиття при повторному використанні за рахунок закупорки порових каналів тощо. У зв'язку з цим перспективним є застосування дешевих форм одноразового використання з паперової маси, керамічних форм, а також перфорованих металевих форм із використанням вакууму.

Після заливки шлікера у форму починається власне процес формування виробу, механізм якого полягає в тому, що частинки шлікера осідають на стінках пористої форми в процесі всмоктування рідини під дією капілярних сил. При цьому спостерігається направлене осадження під дією потоків рідини, спрямованих до поглинаючих її стінок форми.

Важливим є співвідношення швидкості вбирання рідини формою і швидкості підходу рідини до межі розділу стінка форми-формований виріб. Ці швидкості повинні бути приблизно рівними. У випадку, якщо швидкість вбирання перевищує швидкість доставки рідини до стінок форми, можливе інтенсивне обезводнення зовнішніх шарів формованого виробу, що призводить до виникнення в ньому тріщин і відшаровування від стінок форми.

На швидкість перенесення рідини мають вплив розмір частинок і їх гранулометричний склад, які повинні забезпечити максимально можливу щільність відливки при оптимальній швидкості лиття. Зазвичай при великому розмірі частинок первинні шари, що утворилися біля стінок форми, мають високу вологопроникність, що забезпечує високу швидкість лиття. Проте швидкий набір маси призводить до відшаровування виробу від стінок і його деформації.

Вологопроникність і, відповідно, швидкість набору маси зменшуються зі зменшенням розміру частинок. Особливо різко зменшується швидкість набору маси при утворенні шарів з пористістю менше 14 %.

За малої швидкості вбирання у стінок форми накопичується надлишок рідини, що призводить до розмивання відливки і приклеювання її до стінок форми. Швидкість вбирання можна регулювати первинною вологістю гіпсової форми, оптимальні значення якої повинні лежати в межах 5-10 %. Для збільшення швидкості вбирання можна обдувати зовнішню поверхню форми теплим повітрям, що сприяє інтенсифікації випаровування рідкої фази з її поверхні і виникненню градієнта вологості по перерізу форми. Останнє прискорює рух рідини по порових каналах до зовнішньої поверхні форми і тим самим до збільшення швидкості вбирання.

Як було відзначено, на швидкість лиття також впливає співвідношення твердої і рідкої фаз у шлікері та ступінь його стабілізації. Швидкість набору маси за інших рівних умов знижується зі збільшенням вмісту рідкої фази, оскільки за однієї і тієї ж швидкості вбирання на стінках форми осідає менша кількість твердої фази.

Збільшення ступеня стабілізації шлікера призводить до зменшення швидкості набору маси внаслідок збільшення уявної щільності відливки.

Швидкість набору маси за І.Я. Ярчуком й ін. відповідно до методу гіпсових стрижнів становить, г/(см2 хв):

(8.3)

де- маса стрижня, виготовленого з матеріалу, аналогічного матеріалу форми, перед зануренням у шлікер, г;

р – маса стрижня після занурення в шлікер;

- вологість шлікера, яка може бути визначена зважуванням залишку після висушування шлікера або з такого співвідношення, %:

- відповідно густина твердої фази і шлікера;

S – площа поверхні занурення стрижня в шлікер, см2.

Серед технологічних чинників, які істотно впливають на процес шлікерного лиття в пористі форми, слід зазначити температуру шлікера, дію вібрації, вакуумування шлікера.

Вплив температури може бути двояким. Підвищення температури шлікера допустиме в тих випадках, коли поліпшується текучість шлікера за рахунок зниження в'язкості, збільшується рухливість іонів, що адсорбуються на поверхні частинок, а також інтенсифікується дегазація шлікера, що поліпшу змочуваність твердих частинок рідкою фазою.

У деяких випадках підігрівом шлікера до 60 °С можна збільшити швидкість лиття майже в 2 рази. Підігрів до вищих температур призводить до швидкого зносу гіпсових форм за рахунок дегідратації гіпсу. Нагрів шлікера небажаний у тих випадках, коли підвищення температури призводить до інтенсифікації процесу взаємодії твердої і рідкої фаз або підвищення тиксотропії. Пі-

дігрів шлікерів, схильних до загустіння, можливий ТІЛЬКИ в тих випадках, коли одночасно застосовується вібрація, яка дає змогу понизити в'язкість тиксотропних шлікерів на один-два порядки. В цілому застосування вібрації у всіх випадках сприяє зниженню в'язкості шлікерів. При цьому чим вища в'язкість шлікера, тим ефективніше застосування вібрації. Вібрація також сприяє збільшенню стійкості шлікерів за рахунок запобігання осадженню частинок незалежно від їх густини і розмірів.

Вакуумування шлікерів проводять з метою видалення повітря, розчиненого в рідині, або наявної на поверхні частинок твердої фази у вигляді газових міхурів. При цьому чим краща змочу- ваність, тим більш повно відбувається видалення міхурів. Вакуумування покращує технологічні властивості шлікерів, зменшуючи їх в'язкість, а також забезпечує отримання якісних виробів без наявності газових пустот. Вакуумування здійснюють за тиску 40- 55 кПа, за нижчого тиску починається кипіння шлікера.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси