6 Керам04 (Лекции), страница 3

Рис.6.4. Двустороннее прессование; 1-верхний пуансон, 2-матрица, 3-нижний пуансон

Спрессованные заготовки практически не изменяют своих размеров (усадка составляет 1-2%); они имеют незначительную влажность и обжигают их часто без предварительной сушки.

Полусухим прессованием изготовляют заготовки плоской формы с небольшими выступами и углублениями (ламповые панели, платы, гребенки, втулки и др.).

Мокрое прессование в магнитном поле обычно используют для изготовления анизотропных постоянных магнитов из магнитотвердых ферритов. Сущность процесса заключается в уплотнении частиц порошка под действием внешних сил и ориентации ферромагнитных частиц в определенном направлении под действием внешнего магнитного поля. Магнитное поле создается катушкой с протекающим по ней постоянным электрическим током. Внутри катушки располагается пресс-форма, верхний и нижний пуансоны которой изготовлены из магнитной стали, что позволяет им вместе с ферритовой прессуемой массой образовывать замкнутую магнитную цепь. А матрицу изготовляют из немагнитного материала.

Прессуемый материал - это водная эмульсия порошков феррита. Её приготовляют перемешиванием твердой и жидкой фазы в шаровых или в вибрационных мельницах, их которых она загружается определенными объемами в пресс-форму, где частицы феррита ориентируются вдоль магнитно-силовых линий. Затем прилагается давление, вода при этом фильтруется через стенки матрицы пресс-формы, которую изготовляют из пористого материала или немагнитного металла с отверстиями. Пластификатором в этом случае является поливиниловый спирт или метилцеллюлоза.

Разновидностями мокрого прессования являются сырое прессование, мундштучное выдавливание, прессформование.

Сырое прессование применяют для изготовления в массовом производстве заготовок самой различной конфигурации, в том числе и самых сложных: длинных трубчатых каркасов, катушек с резьбой на поверхности (наружной и внутренней).

Сырым прессованием (штамповкой) изготовляют изделия из керамических масс, полученных из сухих “коржей” увлажненных водой и связкой до 20-25% влажности после помола на вибромельницах. Штамповка выполняется в стальных пресс-формах на рычажных, винтовых или фрикционных прессах.

Давление формования 5-8 МН/м² (50-80 кгс/см²).

Недостатком способа является высокая усадка после обжига (12-18%). Размеры деталей после обжига не являются стабильными. Изделия имеют значительную пористость и, как следствие этого, пониженную механическую и электрическую прочность.

Протягивание через мундштук - распространенный способ формирования различных изделий из пластичной керамической вакуумированной массы: стержней, трубок и цилиндров различных сечений, часто используемых в качестве заготовок для дальнейшего формирования механическим путем более сложных изделий.

Керамическую массу для протяжки приготовляют из порошка, в который добавляют до 15-18% воды со связкой. Получают при этом тестообразную массу. Заложенная в цилиндр 2 (рис.5) вакуумированная масса 4 выдавливается со скоростью до 0.016-0.05 м/с через мундштук 5 с помощью механических, винтовых или гидравлических прессов. Процесс характерен своей непрерывностью. Обычно стержни или трубки длинной 250-300 мм отрезают струнным резаком; при такой длине удобно принимать их из-под пресса и укладывать в технологическую тару.

Рис.6.5. Схема мундштучного выдавливания: 1-основание,2-загрузочная камера,3-поршень,4-выдавливаемый материал,5-матрица, 6-выдавленное изделие,7-рассекатель,

8-стержень.

Керамические трубки для трубчатых конденсаторов постоянной емкости и стержни - основания резисторов изготовляют только таким путем.

Изготовление изделий прессформованием имеет меньшее распространение, его выполняют в гипсовых или стальных пресс-формах. Заготовка из пластичной массы влажностью 18-20% подпрессовывается в пресс-форме и затем в той же пресс-форме обрабатывается вращающимся шаблоном внутренняя поверхность изделия, внешняя поверхность изделия формируется стенками прecc-формы. Этим способом изготовляют изделия с внутренней поверхностью типа тела вращения, конуса, толстостенного цилиндра и др. Формование изделия выполняют на специальных станках, позволяющих вращать шаблон или пресс-форму при неподвижных пресс-форме или шаблоне. После предварительной подсушки (провяливания) горячим воздухом в специальных камерах изделие можно подвергать механической обработке на металлорежущих станках: токарных, фрезерных, сверлильных.

Гидростатическое прессование обеспечивает равномерное давление на пресспорошок по всей длине, что позволяет получать изделие с однородной по всей длине плотностью. Этот способ применяют для изготовления изделий с большим отношением высоты к диаметру (толщине стенки). Схема установки для гидростатического прессования изделия трубчатого сечения представлена на рис.6.6.

Рис.6.6. Схема гидростатического прессования;1-крышка, 2-стержень, 3-эластичная

оболочка, 4-зона засыпки пресспорошка, 5-каркас-ограничитель, 6-камера, 7-вибрационная площадка, 8-труба к вакуумному насосу.

Пресспорошок загружают в рабочую полость между эластичной оболочкой 3 и стержнем 2. Воздух из камеры прессования 6 и эластичной оболочки 3 откачивают по трубам 8 вакуумным насосом. Для равномерного распределения порошка по зоне прессования применяют вибрацию установки. Для ограничения растяжения эластичной оболочки 3 в установке предусмотрен каркас-ограничитель 5, содержащий отверстия, через которые передается давление жидкости (воды) на эластичную оболочку под высоким давлением ( около 400 МН/м²) в камеру 6. После прессования снимают давление, сливают воду, открывают крышку 1 и вынимают с сердечником 2 изделие. Изделие снимают с сердечника. Для генерации виброколебаний используют пневматические, электромагнитные и механические вибраторы.

Недостатки гидростатического прессования: невысокая производительность, сравнительно низкое качество поверхности изделия отформованной эластичной оболочкой, сложность процесса подготовки к прессованию.

Горячее прессование. Горячее прессование сочетает в себе 2 операции: прессование и спекание. Это позволяет получать новые свойства у изделий. Причем качественные изделия получают при значительно меньших давлениях и температуре (по сравнению с другими способами прессования.).

Процесс горячего прессования выполняют в следующей последовательности: 1- после загрузки пресспорошка в пресс-форму порошок предварительно уплотняютс а затем температуру порошка с пресс-формой поднимают до некоторой температуры Т_пр меньшей температуры спекания; 2- увеличение давления до нужной для окончательного прессования величины; 3- увеличение температуры до температуры спекания и выдержка при этой температуре под давлением; 4- снятие давления, охлаждение и съем изделия (рис.6.7).

Рис.6.7.График изменения температуры -1 и давления -2

Этим способом получают изделия простой формы из которых путем механической обработки (резания, сверления, шлифования и т.д.) получают изделия более сложной формы, но меньших размеров. Для нагрева пресс-формы применяют индукционный нагрев, нагрев в печах и нагрев элементами электросопротивления. Среда (окислительная или восстановительная) определяется природой получаемого материала.

Оборудование для горячего прессования: прессы для горячего прессования, обеспечивающие приложение давления и нагрев по заданному режиму в автоматическом цикле или обычные гидравлические прессы, переделанные для установки на них подогреваемых пресс-форм.

Прессформы работают в тяжелых условиях. Материал пресс-форм должен быть огнеупорным и корозионностойким с высокой теплопроводностью, химически нейтральным по отношению к компонентам шихты и составляющим газовой среды при высоких температурах. Обычно обрабатываемый материал приваривается к стенкам пресс-формы, которая из-за этого приходят в негодность, а свойства изделия резко ухудшаются. Для предупреждения приваривания в пресс-форму насыпают порошок тугоплавкого оксида, разделяющего изделие и пресс-форму. Этот способ разделения эффективен только при простой форме изделия. Требуемую точность размеров и конфигурацию изделий получают путем механической обработки (резанием, шлифованием и т.п.).

Горячее прессование применяют для изготовления беспористых изделий с контролируемым размером зерен (до 0.1 мкм), отличающимися повышенной прочностью и плотностью, что улучшает магнитные характеристики: магнитную проницаемость, индукцию, время перемагничивания.

Особенно пригодным является этот метод при изготовлении ферритов для магнитных головок устройств магнитной записи и воспроизведения звука - и видеосигналов, ферритов СВЧ - диапазона и пьезокерамики, которые невозможно изготовить обычными методами.

Сложность метода горячего прессования способствует получению большого количества брака; характерными для этого метода являются следующие виды брака: науглероживание (форма из графита), одновременные пережог и перепрессовка, приваривание к пресс-форме. Для предупреждения брака следует строго соблюдать температурный и механический режимы процесса и правильно выбирать материал пресс-формы.

Шликерное литье. Литье нетермопластичных шликеров. Существует несколько разновидностей литья шликеров: наливной, сливной, стержневой. Сливной и стержневой способы используют для получения полых изделий. При сливном способе шликер наливают в форму и выдерживают до образования необходимой толщины стенок, а излишек шликера сливают. При стержневом способе толщина стенок ограничена стержнем-вставкой, формирующей внутреннюю поверхность изделия. Литейные формы часто изготовляют из гипса и стали. Гипс хорошо поглощает влагу из шликера, химически нейтрален к компонентам шликера, достаточно прочен, обеспечивает хорошее качество поверхности. Стальную форму изготовляют из листов (толщиной 0.5 мм) с отверстиями диаметром 0.7-1 мм, площадь отверстий составляет 1/3 рабочей площади листа. Промежутки между листами с отверстиями заполняют фильтрующим слоем, изготовленным на основе бумажной или тканевой массы для удаления влаги. Для ускорения удаления влаги ее отсасывают вакуумным насосом.

Процесс изготовления деталей заключается в выполнении следующих операций: подготовка формы, подготовка шликера, литье, извлечение отливки из формы, сушка отливок, механическая обработка. Иногда после извлечения из формы с отливок снимают заусенцы, выступы, излишки затвердевшего шликера и т.п. Отливки удаляют из формы только после достижения ими определенной прочности, которая обеспечивает отсутствие деформации в процессе удаления. В процессе сушки изделия получают прочность достаточную для выполнения последующих операций. Процесс этого литья обычно автоматизирован.

Другие способы (в том числе и литье под давлением) применяют реже.

Литье термопластичных шликеров больше распространено, чем литье нетермопластичных шликеров. Качество изделий выше, чем при литье нетермопластичных шликеров. Технологический процесс литья термопластичных шликеров: подготовка твердой фазы и связки; приготовление термопластичного шликера; литье изделий; охлаждение шликера; удаление из формы изделий. Литье изделий выполняется на специальных установках. Шликер в литейную форму поступает под действием давления сжатого воздуха (сравнить с литьем под давлением пластмасс). Для формирования качества изделия опытным путем определяют режимы процесса: давление воздуха, скорость впуска, температуру шликера и формы, время выдержки (затвердевания). Литье шликеров имеет ряд разновидностей: сливное, центробежное, намораживанием, непрерывное, горячая штамповка и др. Литье шликеров не обеспечивает высокой точности размеров.

Контроль изделий в производстве выполняют по следующим параметрам: по точности формы и размеров, массе, механической прочности.

Выжигание органической связки перед спеканием предохраняет изделие от возникновения трещин и пор в процессе спекания. Для выжигания органический связки изделия закладывают в специальные емкости (капсули) и пересыпают порошком, который впитывает вытекающую расплавленную связку. Сначала температуру повышают до 80-100^ОС и расплавленная связка впитывается порошком. Более глубокие слои изделия в начальный момент содержат большее количество связки, поэтому связка из этих слоев по капиллярам мигрирует к наружным слоям и затем впитывается порошком. Нагрев до температуры плавления производится медленно для предупреждения коробления изделия и при температуре плавления производится выдержка до тех пор пока удаляется связка. Затем медленно поднимают температуру до 300ºС для разложения связки на газообразные продукты и полного выжигания ее при дальнейшем медленном нагреве до 600 ºС. Изделия после этого становятся непрочными и поэтому их продолжают нагревать до 900-1200ºС для частичного спекания. После удаления связки изделия отделяют от порошка засыпки.

Сушка. Сушке подвергают отформованные керамические заготовки, содержащие влагу, перед обжигом. В процессе сушки с поверхности изделия испаряется влага. Поэтому наружные слои имеют меньшую влажность, чем внутренние. Пониженная влажность наружных слоев приводит к диффузии влаги из глубины изделия к его поверхности и выделению воды в виде паров в окружающую среду. Удаление влаги - сложный физико-химический процесс, при котором удаляют из керамической массы связанную с ней воду (различают химическую, физико-химическую и физико-механическую связь влаги с материалом). Химическая связь характерна для воды, входящей в состав вещества или минерала. Химически связанная вода имеет самую прочную связь с материалом. Физико-химическая связь образуется при адсорбции (рис.6.3 позиция 1) влаги на поверхности и в структуре изделия. Наличие свободной энергии поверхности твердой фазы материала способствует адсорбции влаги из окружающей среды. Физико-механическая связь обусловлена поверхностным натяжением и капиллярным давлением в микро- и макрокапиллярах. Влага содержащаяся в макро- и микрокапиллярах называется свободной.

При сушке удаляют влагу, имеющую физико-химическую и физико-механическую связь; химическая связь в процессе сушки не нарушается. При сушке уменьшаются размеры изделия; более влажные внутренние слои препятствуют усадке в результате чего возникают напряжения, которые при определенных параметрах сушки могут привести к образованию трещин и деформации детали.

После сушки влажность изделия составляет 0.2-1%.

Сушка изделий осуществляется естественным путем - на воздухе, или принудительным путем в специальных установках.

Сушка естественным путем выполняется для небольших по размерам изделий и является длительным процессом, так как температура воздуха в помещении 20-25ºС.

Принудительная сушка осуществляется конвективным (обдувом подогретым воздухом), радиационным и конвективно-радиационным способом в сушилках периодического и непрерывного действия.