Литье из водных шликеров

Для изготовления заготовок методом шликерного литья в гипсовые формы применяются сливной и наливной способы. При сливном методе шликер заполняет всю гипсовую форму, отбор влаги происходит на поверхности соприкосновения формы и шликера. После образования заданной толщины стенки заготовки избыток шликера сливают. При наливном способе шликер заливают между двумя гипсовыми поверхностями, с которых происходит отбор влаги. При этом полость между двумя гипсовыми поверхностями образует соответственно наружную и внутреннюю конфигурацию заготовки. Это обеспечивает ее заданную толщину и форму. Налив шликера должен обеспечивать отсутствие раковин и других дефектов в заготовке. Поэтому при наливном способе часто используют литье шликера под некоторым избыточным давлением, а шликер перед литьем вакуумируют и добавляют в него антивспениватель. Следовательно, сливной способ проще и применим для изготовления заготовок, в которых внутренняя конфигурация изделия аналогична наружной, а толщина стенок не очень строго контролируется. Наливной способ — это более интенсивный метод литья; он позволяет получать изделия меньшей влажности и более сложной формы, что сопряжено, однако, с применением и более сложных литьевых форм, требования к точности изготовления которых выше, но при этом соответственно и ниже срок их эксплуатации. В настоящее время разработаны методы шликерного литья керамики из любых порошков, в том числе металлов, карбидов, оксидов и т. п. материалов, которые традиционно считаются непластичными. Основная проблема, которая возникает при подготовке шликера, — это создание устойчивой суспензии с наибольшей концентрацией твердой фазы при наименьшей вязкости. Проблема эта во многом противоречива. С увеличением содержания твердой фазы вязкость суспензии возрастает. Для определения этой зависимости приводят несколько формул, например:

где r| — коэффициент вязкости суспензии; г|_ж — коэффициент вязкости дисперсионной среды; V_T — объемная доля твердой фазы;

K_max — объемная доля твердой фазы, при которой шликер переходит в твердое состояние (Ктх ~ 0,74).

Материалы на основе тугоплавких соединений в отличие от глинистых материалов недостаточно гидрофильны, и их суспензии быстро расслаиваются, когда плотность материалов значительно превышает плотность дисперсионной среды. Такие суспензии относят к твердообразным (делатантным). Прочность и вязкость образующегося осадка весьма велики, и для разрушения его требуются большие напряжения сдвига. Суспензия, пригодная для шликерного литья, должна быть жидкообразной, т. е. характеризоваться небольшими предельными напряжениями сдвига и незначительной вязкостью. Для стабилизации суспензий, в которых твердая фаза обладает высокой плотностью и достаточной гидрофильностыо, прибегают к увеличению вязкости дисперсионной среды и введению стабилизаторов в виде электролитов и водорастворимых полимеров (дефлокулянтов), а также пептизагоров — новерхносгно-акгивных веществ; применяют порошки в высокодиспсрсном состоянии, что способствует уменьшению скорости оседания (расслоения) и увеличению поверхности взаимодействия порошков со стабилизаторами. Поскольку роль дефлокулянтов и поверхностно-активных веществ сводится к увеличению лиофильности твердой фазы за счет образования сольватных оболочек вокруг частиц твердой фазы, повышение вязкости суспензий возрастет с увеличением объема лиосферы частиц:

где г| — коэффициент вязкости шликера; г|_ж — коэффициент вязкости дисперсионнной среды; р_к — плотность твердой фазы; <�р — удельный объем лиосферы; V_r — объемное содержание твердой фазы в шликере.

В частности, при подготовке водных шликеров для литья изделий из А1₂0з и Zr0₂ установлено образование на их поверхности оксихлоридов при добавке в шликер соляной кислоты. В сильнокислой среде при малых pH двойной электрический слой, состоящий из оксихлоридов, сжимается и суспензия коагулирует (вязкость ее резко возрастает) (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Влияние величины pH на вязкость г) водного шликера а-А1₂0з При увеличении pH с добавлением ионов ОН^- происходит полимеризация оксихлоридов и вязкость шликеров вновь резко увеличивается. В интервале pH, где вязкость минимальна, пептизация частиц достигает максимума (рис. 4.4). Следовательно, при литье из водных шликеров имеются два литейных интервала, в которых (при одинаковом содержании твердой фазы и размерах частиц) вязкость шликера минимальна, а суспензия остается устойчивой. Оба эти интервала используют в технологии шликерного литья. В этом интервале pH (как и следовало ожидать) кажущаяся плотность отливки и скорость ее образования (скорость набора черепка) возрастают. Однако в сильнокислых и высокощелочных средах резко уменьшается срок эксплуатации гипсовых форм, поэтому при литье стараются выбрать предельно возможный интервал pH ближе к нейтральной среде за счет применения поверхностно-активных веществ. Вязкость и литейные свойства шликера существенно изменяются во времени вследствие образования тиксотропной структуры во всем объеме суспензии.

При необходимости изготовления особо тонкостенных или пленочных отливок вязкость шликера должна быть больше (порядка 0,70 Па с) за счет использования большого количества дефлокулянтов: каучука, поливинилового спирта, растворимой целлюлозы или ее эфиров, акриловой кислоты и т. гг, а также за счет увеличения количества поверхностно-активных веществ: гсптадеци л сульфата, алгинатов натрия или аммония, олеиновой кислоты. Для упрочнения отливок сложной формы с тонкими стенками их пропитывают фенолформальдегидными или мочевииоформальдегидными смолами, а также солями фосфорной кислоты.

Для практической оценки реологических параметров шликеров следует воспользоваться рекомендацией В. Ю. Трегинника, который считает важнейшим параметром структурированных жидкостей, к которым относится и шликер, величину статического напряжения сдвига, а после нахождения в покое жидкости в течение одной С и десяти ою минут. Эти напряжения могут быть определены с помощью вискозиметра ротационного типа Реотест-2 при скоростях сдвига в пределах от 4 до 20 с'¹. Коэффициент стабильности (к_с) шликера рассчитывается по формуле.

где р — плотность шликера. Способность к восстановлению тиксотропной структуры шликера определяют по формуле:

Эти реологические свойства могут быть использованы взамен эмпирических технологических параметров шликеров, таких как условная вязкость, суточный отстой, загустеваемость и др. Более полная информация о свойствах шликеров может быть получена на основании определения таких реологических свойств, как эластичность, пластичность, период истинной релаксации, коэффициент устойчивости. Дело в том, что только анализ развития деформационного процесса в суспензиях позволяет оценить недостатки формирующихся в них коагуляционно-тиксотропных структур и избрать наиболее эффективный способ направленного регулирования их реологических параметров. В табл. 4.2 даны обобщенные результаты определения оптимальных условий шликерного литья непластичных материалов, а в табл. 4.3 приведены в качестве примера практически опробованные составы шликеров для литья из АЬОз с удовлетворительной скоростью набора черепка и высокой плотностью отливок.

Таблица 4.2.

Характеристика шликеров и отливок.

Таблица 4.3.

Сравнительные характеристики водных шликеров и отливок дли изготовлении алюмооксидной керамики.

В пересчете на сухое вещество, в процентах.