Формование порошковых масс
Принципиальное различие перечисленных методов формования состоит, с одной стороны, в применении различного количества временных связок (пластификаторов): при прессовании от 0 до 10% по массе, при пластичном формовании от 7 до 15% и при шликерном литье от 15 до 35%, а с другой, — в том, что при переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются технологические… Читать ещё >
Формование порошковых масс (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ
В настоящее время в технологии тонкой технической керамики принципиально осуществимы все керамические методы формования, которые можно условно разделить на три основные группы:
- 1. Прессование, под которым в керамике понимают процесс оформления порошков в изделия под действием сжимающего давления. При этом происходит уплотнение порошка за счет уменьшения объема пор, повышения удельной поверхности соприкосновения частиц, увеличения текучести порошка, который более или менее равномерно заполняет формовочное пространство. Кроме того, под влиянием давления порошок претерпевает унругопластические деформации.
- 2. Пластичное формование, которое характеризуется применением сравнительно малых давлений, так как в состав формовочных масс вводятся пластификаторы, увеличивающие их текучесть.
- 3. Шликерное литье, в котором для формования используются жидкие суспензии. Высокая текучесть суспензий позволяет снизить давление формования. Для придания керамическим порошкам из непластичных тугоплавких соединений способности приобретать заданную форму, плотность и прочность в процессе формования, а также для сохранения их после сушки (вплоть до спекания) вводятся временные связки.
В технологии машиностроительной и другой тонкой технической керамики временными связками служат растворы, смеси и эмульсии органических соединений. Примерный состав компонентов и их функций в составе связок приведен в табл. 4.1. Выбор связок и относительное их содержание определяется адгезионными свойствами порошков, их дисперсностью и химическим составом. Как нравило, временные связки содержат несколько компонентов: вещество, обладающее склеивающими свойствами (собственно связка), и поверхностно-активные вещества — пластификатор, эмульгатор, антивспсниватель. Иногда ограничиваются двумя компонентами, если склеивающие вещества обладают достаточными поверхностноактивными свойствами. Выбор состава связок ограничен следующими требованиями:
- 1) компоненты связок не должны вступать с керамическим порошком в химическое взаимодействие, которое сопровождается заметным изменением состава порошка (имеются в виду, прежде всего, реакции сольволиза, окисления, восстановления, обмена);
- 2) компоненты связок должны быть химически совместимы между собой;
- 3) количество временных связок должно быть минимальным для выбранного вида формования;
- 4) связки, а также продукты их пиролиза или окисления (восстановления) не должны обладать токсичностью или могут иметь минимальную допустимую токсичность;
- 5) в процессе обжига или до него временные связки должны достаточно легко удаляться полностью, иметь минимальный остаток в виде золы или продуктов пиролиза.
Перечисленные в табл. 4.1 компоненты связок пиролизуются или окисляются в интервале температур 500 — 800 К. В ряде случаев состав керамических порошков подбирают таким образом, чтобы продукты пиролиза связки (в результате высокотемпературного взаимодействия с исходным керамическим порошком или средой обжига) способствовали бы формированию необходимых состава и свойств готового изделия после его обжига. Так, коксовый остаток пиролиза фенолформальдегидных смол, использующихся при формовании изделий из карбида кремния, вступает во взаимодействие с кремнием, вводимым в изделие, или его парами, поступающими в зону обжига.
В результате во время обжига образуется в спеченном материале вторичный карбид кремния, что способствует повышению плотности и Таблица 4.1.
Компоненты временных связок для формования керамики из непластичных материалов.
Компонент связок. | Общая формула или ее основной фрагмент. | Рекомендуемая область применения. | Достоинство. | Недостаток. |
Поливиниловый спирт. | — СН. — СИ — СИ, — СИ — СН, он он. | 4−5%-ный раствор в воде для получения сухого прессования, 15−20%-ный раствор для пластичного формования. | Высокая прочность заготовок, малый зольный остаток. | Коробление при сушке, необходимость добавок смазок и пластификаторов. |
Поливинилбутираль (основа клеев БФ). | — СН, — СН — СН, — СН — СИ. I I. О — СН — О. I. СН. — СН. — СН,. | 2−5%-ный растворы в низкомолекулярных спиртах или толуоле для полусухого прессования и более высокой концентрации — для пластичного прессования. | Незначительное взаимодействие с порошками, отличная пластичность. | Высокая стоимость, быстрая потеря растворителя в процессе подготовки к применению. |
Полиэтиленгликоль и полиэфирные смолы фтапевого ряда. | HO-[-OC-R-OC-R1 -О-]—И Примеры: с6н4(соос2н5)г — диэтилфталат с6н4(соос4н,)2 — диб>тилфталат. | Для пластичного и полусухого формования в качестве пластифицирующей добавки к клеям в растворах и эмульсиях. | Низкая температура разложения, значительное повышение пластичности связок. | Малая склеивающая способность. |
Компонент связок. | Общая формула или ее основной фрагмент. | Рекомендуемая область применения. | Достоинство. | Недостаток. |
Эфиры целлюлозы. | / 0 — R С6Н 7 — 0 — R О — R. R — этил, метил и т. п. | В пластичном формовании используется как пластификатор, а в шликерном литье в виде водных и в виде неводных растворов как связка и стабилизатор при изготовлении особотонкостен-ных изделий сложной формы. | Высокая пластичность, хорошая отдслясмость от прессформы и гипса. | Повышенная скорость гелеобразования, слабая склеивающая способность. |
Карбо; ксиметил; цсллюлоза. | [с*нто2(он)3_, (осщсооэ)]. Э-Na*", К, NHJ ИТ. П. | Для изготовления керамических тонких пленок в качестве пластификатора. | Высокая пластичность. | Высокая стоимость, наличие натрия и аммония. |
Крахмал. | сн, он н '_" н с с 1 1 п L н ОМ J. | Стабилизатор шликеров, пластификатор при полусухом прессовании и пластичном формовании. | Эффективность при малых дозах, хорошая растворимость. | Гелеобразование и тиксотропия шликеров. |
Декстрин. | Продукт частичного гидролиза крахмала. | Для всех видов формования в качестве пластификатора и связующего. | Хорошая растворимость в воде. | Нестабильность состава, высокая зольность. |
Компонент связок. | Общая формула или ее основной фрагмент. | Рекомендуемая область применения. | Достоинство. | Недостаток. |
Тсрмореативныс смолы на фенолоформальдегидной основе (резол, трикрезол и др.). | ? х. F. R — продукт полимеризации оксибснзилового спирта. | Спиртовые растворы для прессования и пластичного формования крупногабаритных, длинномерных и сложной формы изделий. | Самая высокая прочность заготовок, отсутствие трещин и коробление при сушке. | Значительный зольный или коксовый остаток, токсичность, необходимость дополнительной термообработки при 400 — 450 К. |
Термопластичные смолы: полистирол поли; акрилы, полиакрилаты полиацетаты. | -СЪ -сн — ®2- L Jn. сн2-сн; I. оcorJ2 R — мстил, этил и т. п. СН3СООН = СН2 — винилацетат. | Шликерное литье под давлением, пластичное формование с добавками пластификаторов, гранулирование пресс-порошков высокой дисперсности; применяется в качестве связующего в виде расплава или раствора в спиртах или ароматических углеводородах, иногда в виде эмульсий. | Высокая прочность заготовок в сочетании с защитными от атмосферного воздействия свойствами. | Высокая стоимость, нестабильность состава за счет различного количества и разнообразия моно-меров. |
Компонент связок. | Общая формула или сс основной фрагмент. | Рекомендуемая область применения. | Достоинство. | Недостаток. |
Парафины, воски, цезерсиы и т. п. | Смесь высших алканов. | Пластичное формование, горячее литье шликеров под давлением; применяется в качестве пластификатора, обладающего связующими свойствами; растворяется в жидких алканах. | Высокая пластичность, низкая стоимость, отсутствие прилипания к стенкам прессформ. | Необходимость удаления перед обжигом и подогрева в процессе формования при точном контроле температуры. |
Каучуки, латексы. | сн,-с =снСН,. I. R. Я R — Н, СН3 и др. | 5−15%-ные растворы в органических растворителях, эмульсии для получения прессования и прокатки тонких листов. | Высокая эластичность заготовок, отсутствие взаимодействия с керамическими порошками любого состава. | Слабая склеивающая способ-ность, возможность прилипания к прессформам, значительный коксовый остаток. |
Ллыиновая кислота и ее соли. | JrVa. Щ лун н оА нн н н. | Антивспениватель, эмульгатор и разжижитель шликеров, пресспорошков и пластичных масс на основе термопластичных связующих. | Необходимость очень небольших количеств. | Кислая или щелочная реакция шликеров, за счет этого происходит быстрый износ гипсовых прессформ. |
Компонент связок. | Общая формула или ее основной фрагмент. | Рекомендуемая область применения. | Достоинство. | Недостаток. |
Соли жирных кислот: стеараты пальмиаты олеаты и на их основе глиталевые лаки. | (Ci7H35COO)2Zn; C17H35COONH4 C|5H3, COONa; c15h3icoonh4 CI7H33COONa; C17H33COONH4 | Добавка в связующие для уменьшения коэффициента трения между частицами порошка и стенками пресс-форм, а также для предотвращения прилипания к стенкам прессформ, снижения вязкости связующего и пенообразования шликеров. | Высокий поверхностноактивный эффект. | Зольный остаток содержит соединения металлов солей. |
Отходы целлюлозно-бумажного производства на основе лигносульфоновой кислоты и ее солей. | hso3 — о/Л|.Г ^=^0, 0. фрагмент лигносульфоновых кислот. | Анионная поверхностно-активная добавка, отличающаяся свойствами пластификатора, связки, дезагрегатора и разжижителя; применяется для полусухого прессования крупногабаритных изделий из грубозернистых порошков. | Низкая стоимость. | Значительный зольный остаток, нестабильность состава. |
прочности карбидокремниевой керамики. Аналогично образуется нитрид кремния при взаимодействии паров кремния с азотом, в среде которого спекают изделия из нитрида или карбида кремния. Следует избегать использования в качестве связок пищевых продуктов (крахмала, рыбьего жира и т. п.), особенно при больших объемах производства. Оптимальный состав связок и последовательность введения в них отдельных компонентов подбирается, как правило, эмпирически и представляет технологический секрет предприятий. Состав связок непрерывно пополняется все новыми веществами, за счет этого эффективнее и разнообразнее становятся их свойства.
Для неводных связок в качестве растворителей применяются: ацетон, диацетон, бензол, толуол, ксилол, бромхлорметан, метилизобутилкетон, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, циклогексанол, этанол, бутанол, изопропанол, метанол. В них растворяют связующие компоненты, обладающие высокой клеющей способностью и прочностью, такие как этилцеллюлоза, ацетобутерат целлюлозы, кумароноинденовые смолы, полиэтилен, поли метилстирол, поливинилбутираль, полиакриловые эфиры, полиметилметакрилаты, поливинилхлорид, поливинилацетат, поливиниловый спирт, политетрафторэтилен. С целью увеличения способности к образованию и сохранению необходимой формы, а также текучести шликеров, вводят пластификаторы, к которым относятся: бензобутилфталат, дибутилфталат, полиэтиленгликоль, диоктилфталат, смесь сложных эфиров фталевой кислоты, метилабиетат, дипропилгликольдибензоат. Для повышения смачивающей способности связок и равномерного распределения между частицами порошка (размером в согни и даже десятки нанометров) необходимы поверхностно-активные вещества: например, жирные кислоты, в частности, глицерилтриолеат, рыбий жир, бензол сульфокислота, алкилированные полиэфирные спирты, этиловый эфир полиэтиленгликоля, этилфенилгликоль, полиоксиэтиленацетат, полиоксиэтиленовый эфир, алкиловый эфир полиэтиленгликоля, продукт присоединения (аддукт) оксида этилена и олеиновой кислоты. Временные связки, в которых вода служит растворителем или дисперсионной средой, могут содержать в качестве связующего: акриловые полимеры (растворы или эмульсии), полимер оксида этилена, гидроксиэти л целлюлозу, метилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиуретан, эмульсии поливииилацетата и акрилового сополимера латекса; пластификаторы: бензилбутилфталат, этилтолуоловые сульфонамиды, глицерин, полиалкиленгликоль, триэтиленгликоль, три-п-бутилфосфат, полипропиленгликоль и антивспениватели.
(поверхностно-активные вещества на основе силикона). Однако некоторые исследователи отмечают, что идеальных связок не существует. Именно это обстоятельство и служит стимулом увеличивающегося разнообразия комбинаций их составов и свойств.
Принципиальное различие перечисленных методов формования состоит, с одной стороны, в применении различного количества временных связок (пластификаторов): при прессовании от 0 до 10% по массе, при пластичном формовании от 7 до 15% и при шликерном литье от 15 до 35%, а с другой, — в том, что при переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются технологические возможности изготовления сложных по своей конфигурации изделий. При этом возрастают технические трудности, связанные с процессом сушки заготовок и удаления из них пластификаторов. Поэтому при прочих равных условиях процессу прессования отдается предпочтение особенно в тех случаях, когда изготовляемые изделия имеют сравнительно простую форму (изометричные пластины, диски, кольца, втулки и т. п.).
В технологии производства огнеупорной керамики и керметов, когда широко используются непластичные по своей природе материалы1, также наибольшее распространение получил метод прессования.
Следует отметить, что прессование, пластичное формование и шликерное литье различаются и пределами применяемых давлений. Так, в процессе прессования обычно применяются удельные давления до 103 МПа и более. При пластичном формовании удельные давления значительно меньше: от 0,98 до 200 МПа, а при шликерном литье практически уменьшаются до 0,98 МПа. Условность разделения методов формования на эти три группы состоит в том, что развитие и механизация технологических процессов приводят к таким способам, которые сочетают в себе одновременно элементы прессования и литья (под давлением), пластичного формования и прессования и др.
'В технологии фарфорофаянсовой керамики методы пластичного формования и шликерного литья применяются значительно шире ввиду структурных особенностей глинистых материалов.
Высокодисперсные порошки со средним размером частиц менее 1мкм образуют комки-агрегаты размером 101 — 102 мкм, которые препятствуют получению однородных высокоплотных изделий как при формовании, гак и при спекании. В связи с этим при подготовке формовочных масс следует принимать меры, обеспечивающие предотвращение образования и разрушение образовавшихся агрегатов.