Технологическая схема производства шликерного литья
«Завод технической керамики» с 1992 года успешно работает в России на рынке производства изделий из тонкой технической керамики, твердых сплавов и их полуфабрикатов.
Предприятие создано на базе ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов».
«ЗТК» занимается производством керамических режущих сменных многогранных пластин (СМП) и износостойких изделий для различных отраслей промышленности и техники, а также разработкой новых композиционных материалов для режущих инструментов.
Производство изделий из тонкой технической керамики имеет полный технологический цикл: от размола и обжига керамического сырья до производства готовых шлифованных изделий, включая высокотемпературное газостатическое доуплотнение изделий. Завод оснащен передовым высокопроизводительным технологическим оборудованием.
Коллектив «ЗТК» составляют ученые и инженеры, прошедшие школу основоположников науки о твердых сплавах, а также опытные квалифицированные специалисты.
Заказчиками «ЗТК» являются предприятия в различных отраслях промышленности, использующие конструкционную керамику, наплавочные порошковые материалы и режущий инструмент для металлообработки.
2. Описание изделия
На заводе технической керамики изготовляются изделия-тигли из смеси ЦМ 332 рис.1. Масса изделия составляет 28 г. Годовой выпуск продукции 3600штук в год.
Рис.1 Изделие- тигель из смеси ЦМ 3322.
. 2.1 Состав и характеристики компонентов смеси
2.1.1 Состав смеси
- Оксид алюминия ГН по ГОСТ 30559-98
- Оксид магния по ГОСТ 4526-75 (в количестве 0,6% масс.)
2.1.2 Характеристики компонентов смеси
1. Оксид алюминия ГН по ГОСТ 30559-98
(ГОСТ 30559-98 Глинозем неметаллургический. Технические условия:
Настоящий стандарт распространяется на глинозем, представляющий собой кристаллический порошок оксида алюминия различных модификаций: с высоким содержанием альфа-оксида алюминия - для производства электроизоляционных, электро- и радиокерамических изделий, специальных видов керамики, электрофарфора, огнеупоров, шлифовальных и абразивных материалов; с низким содержанием альфа-оксида алюминия - для производства высокоглиноземистых цементов в качестве катализаторов и др.) Так же существуют другие ГОСТы. рис.2
Рис. 2 ГОСТы по глинозему
Настоящий стандарт распространяется на глинозем, представляющий собой кристаллический порошок оксида алюминия различных модификаций:
с высоким содержанием альфа-оксида алюминия — для производства электроизоляционных. электро- и радиокерамических изделий, специальных видов керамики, электрофарфора, огнеупоров, шлифовальных и абразивных материалов;
с низким содержанием альфа-оксида алюминия — для производства высокоглиноземистых цементов в качестве катализаторов и др.
В зависимости от физико-химического состава выпускают марки глинозема, указанные в таблице I.
Неметаллургический глинозем выпускают в соответствии с требованиями настоящего стандарта.
По физико-химическим показателям глинозем должен соответствовать требованиям, установленным в таблице 2.
Массовая доля влаги в глиноземе всех марок не должна быть более 1.0 %. При определении массы партии глинозема влажность не учитывают.
В глиноземе марки ГН содержание монозерен размером более 11 мкм не должно быть более 8 %.
В глиноземе всех марок не допускаются видимые невооруженным глазом посторонние включения, технологически не связанные с производством.
По степени воздействия на организм человека глинозем относят 4-му классу опасности (вещества малоопасные) по ГОСТ 12.1.005 и ГОСТ 12.1.007.
Глиноземная пыль оносится к аэрозолям, преимущественно фиброгенного действия, предельно допустимая концентрация глиноземной пыли в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м 3 по ГОСТ 12.1.005.
Воздушную среду рабочей зоны контролируют в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005, ГОСТ 12.1.007. Анализ проб воздуха на содержание глиноземной пыли проводят по методикам, утвержденным Министерством здравоохранения.
Глинозем пожаро- и взрывобезопасен.
На предприятиях—производотелях и потребителях глинозема должна быть разработана нормативная документация по безопасности труда на производстве, применении и хранении глинозема в соответствии с ГОСТ 12.1.007.
Для индивидуальной зашиты органов дыхания от глиноземной пыли применяют респиратор ШБ-1 «Лепесток» по ГОСТ 12.4.028.
2. Оксид магния по ГОСТ 4526-75 (в количестве 0,6% масс.)
Настоящий стандарт распространяется на оксид магния, представляющий собой белый порошок, почти нерастворимый в воде, хорошо растворимый в кислотах: на воздухе постепенно поглотает углекислый газ и влагу.
Показатели технического уровня, установленные настоящим стандартом, предусмотрены для высшей категории качества.
Молекулярная масса (по международным атомным массам 1971 г.) — 40,31.
Оксид магния должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.
По химическим показателям оксид магния должен соответствовать нормам, указанным в табл. I.
Оксид магния может вызывать раздражение слизистых глаз и носа.
При работе с препаратом следует применять индивидуальные средства зашиты (респираторы типа «Лепесток», резиновые перчатки, зашитые очки), а также соблюдать правила личной гигиены.
Помещения, в которых проводятся работы с оксидом магния, должны быть оборудованы обшей приточно-вытяжной вентиляцией.
Глинозём марки ГН, химическая формула Al2O3. Содержание примесей в глиноземе должно быть минимальным. Насыпная плотность 0.9-1 г/см3.
Оксид магния препятствует росту кристаллов и является хорошим связующим средством.
2.2 Применение смеси
Смесь ЦМ-332 обладает высокой твердостью, её красностойкость достигает 1200°С. Она отличается низкой прочностью при изгибе (350-400 МН/м 2 ) и большой хрупкостью. Существенным недостатком смеси является её крайне низкое сопротивление циклическому изменению температуры. Применяется для обтачивания чугуна, сталей, неметаллических материалов и некоторых сплавов на основе цветных металлов.
Технологическая схема производства шликерного литья
Подготовка дисперсной фазы
Размол Подготовка термопластичной связки
Подготовка формы к заполнению шликером
Заливка под давлением
Низкотемпературный отжиг, удаление связки
Операция Т, ᵒС Время, t Давление, Р Оборудование Подготовка дисперсной фазы Размол от нескольких часов до нескольких суток - ШВМ, планетарные центробежные мельницы, вихревые мельницы Сушка 100-150 о С 2-3 ч. - Сушильные шкафы Подготовка термопластичной связки (Парафин,воск,олеиновая кислота)-смешение Подготовка шликера Загрузка - - - Установка для вакуумирования шликера (емкость, оборудованная пропеллерной мешалкой, подключенная к ресиверу и вакуумному насосу) Расплавка 60-80 о С - Вакуумирование 5-6 мин 0,8 атм Подготовка формы к заполнению шликером - - - Форма собирается вручную.
Заливка под давлением 70-100 о С до 60 мин 0,3 – 0,6 МПа Подается в форму от установки для вакуумирования шликера Низкотемпературный отжиг 650-700 С 3 - 4 ч - Печи различных типов Удаление связки 1200 – 1300 о С Будет зависеть от используемой связки-основы - Печи предварительного спекания Высокотемпературный отжиг 1690 – 1700 о С 2-4 ч - Печь с выкатным подом и высокотемпературные печи
Шликерное формование позволяет получать изделия сложных форм, мало- и крупногабаритные, полые с равномерной толщиной стенок, с высокой чистотой поверхности и точных размеров.
К основным свойствам шликеров относят текучесть, характеризующую его способность течь, заполнять форму и увеличивать массу заготовки, и устойчивость, то есть способность не расслаиваться в течение длительного времени. Различают седиментационную и агрегативную устойчивость. Седиментационная устойчивость определяется скоростью оседания твердых частиц в жидкости. Она зависит от плотности материала порошка, формы и размера частиц (размера в большей степени), а также от концентрации твердой фазы в шликере. Чем тяжелее частицы, чем ближе их форма к сферической, тем быстрее произойдет расслоение.
Агрегативная устойчивость связана со слипанием отдельных частиц в более крупные агломераты под действием электростатических сил Величина этих сил зависит от природы твердой и жидкой фаз, дисперсности порошка, формы частиц, величины удельной поверхности, поверхностных энергий обеих фаз, характера процессов на межфазных границах.
Обычно концентрация твердой фазы в шликерах от 40 до 70%, в данном случае около 80%.
Дисперсность порошка, используемого при приготовлении шликеров составляет от 1 – 3 мкм (W, Mo) до 5 – 10 мкм (Fe, Ni, Cu). Предельным значением видимо является 40 мкм (Al и другие легкие металлы).
Жидкая фаза шликера должна иметь низкую упругость пара, быть нетоксичной, пожаровзрывобезопасной (желательно), не должна активно взаимодействовать с твердой фазой, одновременно хорошо смачивая ее. Смачиванием можно управлять, добавляя в жидкость поверхностно-активные вещества (ПАВ). Наиболее часто в качестве основы жидкой фазы используют воду, которая обеспечивает шликеру достаточную жидкотекучесть, хорошее заполнение формы и даже возможность прокачки по трубопроводам. Для нашего случая используется олеиновая кислота.
Подготовка дисперсной фазы включает в себя получение или выделение порошка заданной дисперсности и формы, что призвано обеспечить максимальную плотность укладки без ухудшения технологических свойств шликера. Крупные порошки дают неустойчивые суспензии и заготовки с пониженной прочностью. Высокодисперсные порошки (обеспечивая шликеру хорошую седиментационную устойчивость, а заготовкам достаточную прочность) имеют низкую скорость набора массы; полученные формовки могут коробиться при спекании из-за анизотропии усадки. Измельчение порошка для шликера целесообразно проводить в жидкости во избежание адсорбции на его поверхности газов, ухудшающих смачивание. Затем идет просушка.
При приготовлении термопластичных шликеров (ТПШ) в качестве связки чаще (и в нашем случае тоже) всего используют парафины (предельные углеводороды) с общей формулой CnH2n+2: от нонадекана C19H40 до пентатриоктана C35H72. Температура плавления этих соединений меняется в диапазоне от 49 до 54 о С. Парафины легко растворяются в органических растворителях. Кроме них можно использовать церезины и полиэтилен. Последний хорошо смешивается с парафинами, и его применяют в качестве добавки, увеличивающей устойчивость шликеров. Есть упоминания об использовании при приготовлении ТПШ воска, твердых жиров, пеков, фенолформальдегидных смол.
Любая связка в расплавленном состоянии должна смачивать твердую дисперсную фазу и не должна образовывать вокруг ее частиц толстые структурированные оболочки с аномально высокой вязкостью.
Термопластичные шликеры готовят, перемешивая порошок с расплавленной связкой, причем частицы твердой фазы часто предварительно подогревают до 60 – 80 о С. Содержание связки (пластификатора) в ТПШ 8 – 15% (14,35%).
Обычно формы для этой разновидности шликерного формования изготавливают из стали; при производстве небольших партий изделий их делают из меди, алюминиевых сплавов, пластика и даже гипса. В нашем случае использовалась стальная форма.
Термопластичные шликеры на парафиновой основе формуют, предварительно разогревая их до 70 – 100 о С и заливая в равномерно подогретые резервуары, откуда шликеры будут перекачиваться в формы под избыточным давлением 0,3 – 0,6 МПа. Помимо перекачки это давление обеспечит хорошее заполнение всего объема формующей полости, особенно тонких каналов и сечений.
Важно, чтобы избыточное давление поддерживалось в системе до момента полного затвердевания шликера, чтобы естественно возникающая усадка не изменила геометрию заготовки.
Очень важной операцией при формовании ТПШ является отгонка пластификатора, которая в большинстве случае сочетается с начальным (неизотермическим) периодом спекания. Она осуществляется при медленном нагреве, с промежуточными изотермическими выдержками. В качестве поглотителя расплавленного пластификатора используют ламповую сажу, активированный уголь, оксид алюминия, прокаленный при 1200 – 1300 о С. В нашем случае изделие спекалось при 1150 о С при первом низкотемпературном отжиге для удаление связки.
Процесс удаления связки включает в себя ее плавление, улетучивание легких фракций углеводородов, пиролиз (термическое разложение) тяжелых фракций, выгорание углеродного остатка. Общая продолжительность этого процесса, длительность отдельных его этапов, скорости подъема температуры, температуры и время изотермических выдержек будут зависеть от используемой связки-основы ТПШ.
Второй раз мы спекаем в печи высокотемпературного отжига при 1690 – 1700 о С.