double arrow

Шликерное формование в неадсорбирующие формы, литье из термопластичных шликеров, электрофоретическое литье шликеров


Классификация методов шликерного литья изделий

Шликер – устойчивая суспензия металлического или неметаллического порошка в жидкой среде. Шликерное формование – формование путем заполнения шликером пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера. Приведенное определение относится только к шликерному формованию в пористых адсорбирующих и неадсорбирующих формах – наиболее распространенной разновидности этого метода. Другой разновидностью шликерного формования является формование термопластичных шликеров, состоящих из твердой фазы и термопластичной связки, которая при комнатной температуре твердая, а при нагреве плавится и придает шликеру необходимые литейные свойства.

Еще одна разновидность шликерного формования – это электрофоретический метод, при котором заготовку получают путем постепенного наращивания слоя из твердых частиц шликера, которые под влиянием электрического поля перемещаются к электроду-форме и осаждаются на нем.

Шликерное формование (его иногда продолжают называть «шликерное литье») позволяет получать изделия сложных форм, мало- и крупногабаритные, полые с равномерной толщиной стенок, с высокой чистотой поверхности и точных размеров.

Существенными недостатками шликерного формования являются высокая суммарная длительность процесса получения заготовок, необходимость изготовления и хранения больших количеств адсорбирующих форм, потребность в мощном сушильном хозяйстве.

К основным свойствам шликера (реологические свойства), определяющим качество получаемых из него заготовок, относят: текучесть; седиментационную и агрегативную устойчивость при высоком содержании твердой фазы; способность заполнять форму.

Текучесть шликера – величина, обратная вязкости, – характеризует его способность литься, заполнять форму, набирать массу заготовки. Устойчивость шликера связана с его способностью не расслаиваться в течение длительного времени. Седиментационная устойчивость определяется скоростью оседания твердых частиц под действием силы тяжести и зависит в основном от размера частиц и их концентрации в шликере. Агрегативная устойчивость связана со склонностью мелких частиц к агрегатированию (слипанию под действием электростатических сил). Для получения шликеров с хорошими свойствами необходимо, чтобы твердые частицы смачивались жидкой фазой. Улучшение или ухудшение смачивания можно осуществить добавками к шликеру поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Дисперсность частиц твердой фазы, распределенных в шликере, определяет его устойчивость, вязкость и влияет на плотность получаемых заготовок. При уменьшении размеров частиц и их плотности стабильность свойств шликера улучшается в связи с уменьшением скорости оседания частиц под действием гравитационных сил.

Жидкая фаза для приготовления шликера должна иметь низкое давление пара, низкие воспламеняемость и токсичность, малую вязкость и не должна активно химически взаимодействовать с твердой фазой. Наиболее часто в качестве основы для получения шликера используют воду (литье в пористые адсорбирующие или неабсорбирующие формы) или парафин (термопластичный шликер).

Шликерное формование в пористых адсорбирующих формах. Технологический процесс предусматривает выполнение следующих операций: изготовление пористой формы; приготовление шликера (подготовка дисперсной фазы, дисперсионной среды и их смешивание); формование заготовки и извлечение из формы; сушка заготовки; обжиг (спекание) заготовки.

Для изготовления пористых адсорбирующих форм можно использовать любой материал, способный поглощать жидкую фазу шликера, химически инертный к нему и имеющий достаточную прочность. Наиболее часто для изготовления впитывающих форм используют гипс, который в обезвоженном состоянии активно поглощает воду. Подготовка дисперсной фазы шликера включает операцию получения порошков такой дисперсности, которая обеспечивает максимальную плотность их упаковки без ухудшения технологических свойств шликера. Грубые (достаточно крупные) порошки дают неустойчивые шликеры и заготовки пониженной прочности, а тонкодисперсные порошки обеспечивают шликеру высокую седиментационную устойчивость и достаточную прочность заготовкам, но скорость набора массы заготовки и ее плотность понижены, что приводит к короблению изделия при усадке и проявлению анизотропии свойств после обжига (спекания).

Для оптимизации дисперсной (твердой) фазы шликера путем предварительного измельчения материала получают оптимальный фракционный состав порошков. Измельчение можно проводить как в жидкой среде, так и сухим помолом. Однако при последующем перемешивании измельченного всухую порошка с жидкостью не весь адсорбированный частицами газ удаляется с поверхности частиц, часть его остается, что ухудшает свойства шликера.

Дисперсионной средой при измельчении чаще всего является вода, как правило, предварительно очищенная. Кроме воды используют спирт, четыреххлористый углерод, изобутил уксусной кислоты и др. Для металлических порошков, частицы которых быстро оседают в воде, применяют более вязкие жидкости (водные растворы альгинатов аммония или натрия, карбоксил-метилцеллюлозы, поливинилового спирта, масла и др.). В качестве добавок, препятствующих агрегатированию частиц, используют соляную, уксусную и другие кислоты, в ряде случаев щелочи. Они одновременно стабилизируют раствор, придавая ему необходимую седиментационную устойчивость.

Приготовление шликера [содержание твердой фазы около 50–70 % (об.)] осуществляют одностадийным или двустадийным способом, а также способом предельного насыщения с добавкой зернистого наполнителя. При одностадийном способе предварительно раздробленный материал подвергают мокрому размолу в выбранной дисперсионной среде. При двустадийном способе вначале проводят сухой помол материала, а затем смешивают полученный порошок с жидкостью. В этом случае шликер имеет большую влажность, плотность и прочность получаемых порошковых заготовок ниже, чем при одностадийном приготовлении шликера.

При подготовке шликера по способу введения зернистого наполнителя, на стадии перемешивания твердой фазы с дисперсионной средой к шликеру добавляют крупнозернистый порошок (зернистый наполнитель). Подобный шликер применяется для получения крупногабаритных и толстостенных изделий, так как обеспечивает большую скорость набора массы заготовки и малую ее усадку при сушке.

Формование заготовок осуществляют «наливным» или «сливным» способами. Наливной способ используется для получения цельных (не полых) или толстостенных изделий. Шликер наливают в форму в несколько этапов, поддерживая постоянным уровень ее заполнения. Толстостенные изделия получают путем установки в матрицу стержней различного профиля, которые способствуют получению в изделии внутренних полостей правильной формы.

Сливной способ отличается от наливного тем, что после заливки шликера в форму ему дают некоторое время «отстояться», а затем не успевший осесть на стенки формы шликер удаляют из нее, либо переворачивая форму, либо отсасывая шликер с помощью насоса, либо сливая его через отверстие в основании формы. При использовании этого способа на стенке формы образуется слой порошка определенной толщины.

Для придания отлитым изделиям необходимой прочности их подсушивают в форме. При этом происходит усадка отлитого изделия (до 1 %), которая облегчает последующее извлечение заготовки. После извлечения заготовку оправляют и сушат при температуре 110–150 °С на воздухе в сушильных шкафах или сушилках. Во избежание растрескивания заготовок необходимо осуществить медленный и равномерный прогрев изделий. Относительная плотность заготовок составляет 60–80 % от теоретической. Связь между отдельными частицами обусловлена контактными явлениями и зацеплением. Обжиг или спекание высушенных заготовок проводят в печах по режимам, зависящим от материала заготовки.

Шликерное формование широко применяют для изготовления изделий из оксидов, карбидов, боридов, силицидов и других тугоплавких соединений, твердых сплавов, керметов и различных композитов, в том числе армированных дискретными волокнами. Существенным достоинством этого метода при получении изделий из тугоплавких материалов является то, что путем оптимизации фракционного состава можно получать изделия с плотностью, равной 0,8–0,9 % теоретической плотности материала.

В отдельных случаях для получения пустотелых изделий (тел вращения) из металлических порошков или сечки (дискретных волокон) используют центробежное формование изделий: подготовленный шликер заливают во вращающуюся форму.

Шликерное формование в неадсорбирующих формах. Удаление дисперсионной среды из шликера можно осуществить, не прибегая к ее впитыванию материалом формы. Подобный вариант шликерного литья осуществляют различными способами:

1) формованием под вакуумом в перфорированных металлических формах (отверстия диаметром 0,7–1,1 мм, суммарной площадью 30–40 %). Изнутри стенки формы покрывают слоем бумажной массы, а снаружи создают разрежение около 20–25 гПа, которое и обеспечивает отвод жидкости из шликера;

2) формованием под давлением (порядка нескольких мегапаскалей) в разъемных формах со стенками из пористого материала (спеченный стеклянный порошок, пластик), за которыми находятся полости для отвода выдавливающейся из шликера жидкости;

3) вымораживанием жидкости (например, помещая неадсорбирующую форму со шликером в смесь бензина и твердой углекислоты с температурой –40 °С, с последующей «сушкой» (сублимацией) замороженного изделия в вакуумной камере.

Формование термопластичных шликеров. Общая технологическая схема процесса получения изделий по этому способу включает следующие операции:

подготовка дисперсной фазы (чаще всего – измельчение неметаллических тугоплавких материалов (карбидов, боридов, нитридов и пр.)) и термопластической связки (подготовка навески необходимого объема);

приготовление шликера (смешивание термопластичной связки с дисперсной фазой);

подготовка форм к заполнению шликером и формованию (отливки) заготовки;

заполнение шликером формы и отверждение отливки;

удаление связки и спекание.

Приготовление дисперсной фазы проводят по технологиям, сходным с технологиями подготовки материала для водных шликеров. Термопластичная связка должна обеспечить образование текучего шликера с малой вязкостью в жидком состоянии, который хорошо смачивает твердую фазу и не образует вокруг частиц порошка толстых оболочек. Для улучшения смачивания частиц твердой фазы в состав связки вводят ПАВ (олеиновую, стеариновую, пальмитиновую кислоты, животные жиры, пчелиный воск, растительные масла и др.). Содержание ПАВ зависит от величины удельной поверхности частиц порошка и обычно не превышает 0,05–0,2 %.

Смешивание составляющих термопластичного шликера осуществляют в специальных смесителях, рабочая камера которых нагревается до температуры, превышающей температуру плавления связки (до 60–120 °С). Содержание связки составляет от 25 до 40 % от общего объема материала (8–15 % по массе).

Формы для литья термопластичными шликерами обычно изготавливают из меди, бронзы, алюминиевых сплавов, стали, термостойких пластмасс и пр.

На практике широко применяют формование под давлением из термопластичных шликеров на парафиновой основе. Термопластичный шликер, разогретый до 70–100 °С, заливают в герметичный резервуар, в котором постоянная температура поддерживается нагревательными элементами. Жидкий шликер для предотвращения расслоения по высоте постоянно перемешивают. Под давлением сжатого воздуха (0,3–0,6 МПа) шликер из резервуара поступает в металлическую форму, которая помещается на рабочем столе установки. Чтобы в процессе усадки не изменилась форма получаемой заготовки, давление на шликер не снимают до тех пор, пока не произойдет его полного затвердевания. После отверждения шликера форму разнимают и извлекают из нее изделие.

Из пластифицированных шликеров можно получать тонкостенные заготовки по способу намораживания шликера на холодную поверхность, литьем в кокиль, непрерывной подачей шликера в холодную фильеру (по типу мундштучного формования) и другими способами.

Удаление связки осуществляют путем медленного нагрева заготовок в предварительно прокаленных адсорбентах (оксиде алюминия, оксиде магния), которые активно впитывают расплавленную связку. Продолжительность каждого этапа удаления связки зависит от размеров и конфигурации заготовки, ее свойств, применяемого адсорбента и способа, который может предусматривать удаление связки полностью или частично. Операцию выжигания связки ведут при поэтапном подъеме температуры и, как правило, совмещают с операцией припекания (начальным этапом процесса спекания) изделия. Последняя операция необходима для придания изделию некоторой, сравнительно небольшой, механической устойчивости, обеспечивающей его сохранность при извлечении из засыпки и транспортировки к печи обжига.

Электрофоретическое формование. Этот способ применяют преимущественно для получения тонкостенных и крупногабаритных изделий сравнительно простой конфигурации из керамических шликеров. Изделия получают при пропускании тока (анодная плотность 0,0015–0,03 А/см2, напряжение 2–4 В) через водный шликер. Для осаждения шликера применяют тонкостенные медные формы, которые выполняют функцию анода. Стержневой катод находится в центре формыанода. Объемная масса получаемых заготовок выше, чем у заготовок, полученных в гипсовых формах или формованием термопластичных шликеров. Время формования заготовки зачастую не превышает нескольких минут.


Сейчас читают про: