9.2.2. Основи теорії пресування виробів напівсухим способом

Із керамічних прес-порошків вологістю ⁷...12 % способом напівсухого пресування виготовляють стінову і лицьову цеглу _та керамічні камені, а також плитки різного призначення. Прес-порошки є трифазною сипкою масою, що складається з твердої (глини, каоліну, кварцу, польового шпату та ін.), рідкої (води і технологічних зв'язок) і газоподібної (повітря, пари води тощо) складових. Для виробництва деяких кера­мічних виробів як зв'язку використовують неводні рідини, які називають «пластифі­катором», або «технологічною зв'язкою». За мінералогічною основою і грануло­метричним складом прес-порошки поді­ляють на такі групи: 1) глинисті породи; 2) грубозернисті непластичні матеріали і матеріали глиняної зв'язки; 3) грубозер­нисті з непластичних матеріалів; 4) тонко-керамічні глинисті; 5) безглинисті тонко­подрібнені маси з органічними зв'язками-пластифікаторами. Для виробництва кера­мічних будівельних виробів застосовують прес-порошки, які належать до груп 1, 2 і 4. На ступінь ущільнення виробів вплива­ють як вихідні характеристики прес-порош­ку (гранулометричний склад, пластичність глинистої сировини, сипкість тощо), так і технологічні параметри процесу пресуван­ня (тиск і способи його застосування, три­валість і швидкість пресування).

Вільно засипаний у прес-форму поро­шок має пухку нестійку структуру, яка під час пресування зазнає змін. При пре­суванні прес-порошок стискується, внас­лідок чого змінюється його структура і виникають складні процеси механічного і молекулярного характеру.

На початковій стадії стиснення поро­шок під дією пресувального штампа за­знає простого ущільнення — переходу _від сипкого стану до консолідованого, з більш щільним розподілом мінеральних части­нок. Повітря інтенсивно виходить в атмо­сферу крізь проміжки між частинками, і обсяг засипаного прес-порошку різко зменшується. На цій стадії практично не відбувається перерозподілу води (зв'язу­вання), що міститься в прес-порошку, про­те за рахунок консолідації мінеральних частинок і зменшення відстані між ними макроструктура прес-порошку змінюєть­ся. Різко збільшується щільність і з'яв­ляється плівкова вода на мінеральних частинках, яка є зв'язкою у результаті силповерхневого натягу. Ця плівка має відносно малу товщину — 10^-5...10^-4мм.

Основна маса води, що зумовлює во­логість прес-порошку, концентрується біля пустот-пор. Ступінь однорідності розпо­ділу води в порах, так само як і ступінь ущільнення виробу, залежить від ступеня однорідності порошку. При подальшому збільшенні тиску розмір пор зменшуєть­ся й одночасно з механічним процесом де­формації окремих частинок утворюється порова структура матеріалу. Деформація частинок може бути пружною, пластичною і крихкою. На наступній стадії стиснення пористість зменшується до розмірів капі­лярності. Відомо, що найбільш ущільне­ними шарами виробу є ті, які безпосеред­ньо примикають до штампів. Саме в цих шарах діаметр капілярності різко змен­шується, водночас у центральних шарах виробу діаметр капілярності зменшуєть­ся набагато повільніше. Оскільки тиск у тонких капілярах нижчий, ніж у ширших їхніх каналах, то порова вода починає про­никати в периферійні шари виробу.

Цьому процесу, крім того, сприяють си­ли поверхневого натягу. При значному зменшенні діаметра капілярів (збільшенні ступеня капілярності) сили поверхнево­го натягу збільшуються. На останній ста­дії стиснення вода рухається від центра виробу до периферійних частин (за гідро­динамічним законом переміщення із облас­ті підвищеного в область зниженого тис­ку). Після зняття стиснення відбуваєть­ся капілярний рух води до периферії під дією сил поверхневого натягу.

Кількісні характеристики міграції води при пресуванні залежать від властивостей вихідного прес-порошку. Так, під час пре­сування високопластичних глин із вели­ким ступенем вологості й малою здатніс­тю до пружних деформацій ступінь капі­лярності порівняно невеликий і при збіль­шенні тиску пресування прес-порошок швидко досягає критичного ущільнення і пластичні деформації в ній закупорюють капіляри, що утворюються. Закупорена в порах, як у капсулах, нестислива вода пе­решкоджає зближенню частинок під час пресування, збільшує частку пружної деформації маси і сприяє утворенню пере-пресувальних тріщин і розшаруванню. Ди­фузія води в процесі перерозподілу воло­гості має невелике значення.

Однією з головних причин появи пере-пресувальних тріщин і розшарування — основного браку виробів напівсухого пре­сування — є запресовування повітря. Вміст повітря в прес-порошку безпосередньо за­лежить від його пористості й за невелико­го тиску спостерігається значне осідання прес-порошку. Повітря активно виходить насамперед із периферійних шарів виро­бу, адже саме там повітропровідні канали дуже швидко зменшуються в перерізі. При збільшенні тиску пресування швидкість виходу повітря із прес-порошку знижуєть­ся, що пов'язано з подальшим зменшен­ням перерізу пор, а також із частковим їхнім заповненням водою, що витискуєть­ся з центральних частин. За великого пресувального тиску (понад 15...20 МПа) пори в периферійних шарах прес-порош­ку стають настільки малими за об'ємом, що майже цілком заповнюються плівко­вою водою, яка є склеювальною зв'язкою. Утворений пластичний прошарок (частин­ки по вузьких зонах контактів обволіка­ються плівкою води) не пропускає повітря з центральної частини прес-порошку, що пресується, а подальше підвищення тиску пресування приводить до стиснення за­пресованого повітря.

При знятті тиску пресування пластич­ний прошарок, зумовлений деякою плин­ністю самого матеріалу порошку, не зни­кає, оскільки плівкова вода добре зчіп­люється з частинками, а отже, повітропро­відні канали не звільняються. Після знят­тя тиску запресоване повітря починає розпирати сирець зсередини.

Ущільнення прес-порошку характери­зується коефіцієнтом стиснення k_ст (осіданням), як бачимо на схемі двобічного пресування (рис. 9.27)

k_ст = Н₃/h,

де Н₃ — висота засипання прес-порош­ку у форму, мм; h — товщина сирцю, мм. Якщо коефіцієнт стиснення прес-по­рошку досить великий (k_CT > 2), то частка

Рис. 9.27. Схема двобічного пресування:

а — перед пресуванням; б— момент стиснення прес-порошку з обох боків; 1 — прес-форма; 2 — верхній штемпель; 3 — нижній штемпель; Н₃ —висота засипання; h_o — осідання прес-порошку; h — товщина виробу

об'єму, яку займає газоподібна фаза k_Г , стає дуже малою. Отже, коефіцієнт k₃ зменшення об'єму повітряних пор також малий, а тиск р_з.п запресованого по -вітря дуже великий. При більшому кое­фіцієнті k_ст стиснення з певною точністю можна вважати, що матеріал прес-порош­ку поводиться як пружне середовище.

Пружне розширення, мм, сирцю після зняття зусилля пресування

 (2k),

де p — збільшення тиску пресування, МПа; h — товщина сирцю, мм; k — мо­дуль зсуву, МПа.

Зважаючи на це, можна оцінити тиск запресованого повітря, що зумовлює ефект розшарування сирцю.

Справді, щоб виникло розшарування, потрібно, аби у сирці з'явилися розриви суцільності, розмір яких не перевищує 1мм, нерівності частинок чи порошку діамет­ра d дрібних частинок

l d

Тоді пороговий тиск, МПа, запресова­ного сирцю

р_{п з} = 2dk/h.

Беручи розміри нерівності частинок прес-порошку, тобто діаметр дрібних час-тинок, d = 0,1...0,3 мм, товщину сирцю Н = 66 мм, модуль зсуву k = 1000... 5000 МПа, дістанемо граничне значення тиску, МПа, запресованого в сирець повітря, що при­зводить до розшарування сирцю при одно-двоступінчастому пресуванні залежно від гранулометричного складу, вологості й модуля зсуву вихідного прес-порошку:

P_п.з 3...45,5.

Оцінювання цієї формули засвідчує, що при одно-двоступінчастому режимі з тиском пресування 20...30 МПа і вище тиск запресованого повітря перевищує гранич­не значення, що призводить до тріщин і розшарування сирцю.

Відомо, що пружне розширення сирцю після зняття пресувального тиску складає­ться переважно з пружних реакцій міне­ральних частинок, повітряної фази і води. Оскільки вода має дуже незначний мо­дуль стиснення, то при знятті тиску пресу­вання вона дає дуже незначний ефект роз­ширення — не більше ніж десяті частки мікрометра, що загалом не порівнянне з діаметром дрібних частинок. Отже, пруж­ним розширенням води можна знехтува­ти при оцінюванні причин виникнення розшарування і тріщин сирцю. Головною причиною цього браку є наявність запре­сованого повітря і пружного розширення мінеральних частинок прес-порошку, а також вплив стискальних зусиль стінок прес-форми при поверненні їх після пре­сування у початковий стан.

Для усунення тріщин і розшарування сирцю застосовують багатоступінчасте (більш як два ступеня) пресування. За­лежно від характеристики вихідної гли­нистої сировини має бути чотири-п'ять ступенів пресування з плавним нарощу­ванням тиску від ступеня до ступеня. На першому ступені рекомендується тиск пресування, що становить 10... 15 % кінце­вого. При п’яти ступінчастому пресуванні відсоткове співвідношення тисків буде та­ким: перший ступінь 10... 15 %; другий — 30...35 %; третій - 40...50 %; четвертий -70...80 %; п'ятий - 100%.

Вибір кінцевого тиску пресування за­лежить від фізико-механічних характе­ристик порошку.

Щільність сирцю, кг/м^3, залежить від коефіцієнта стиснення і щільності вільно насипаного у форму порошку

р_с = р_н k_{ст ,}

де р_н — щільність порошку в насипаному стані, кг/м³.

Вплив тиску пресування на щільність сирцю можна орієнтовно визначити з ем­піричного рівняння

k_ст = арⁿ

де а,n— коефіцієнти, що залежать від влас­тивості маси, а = 1,2. ..2,6, n= 0,07...0,01; р — тиск пресування, МПа.

Тиск пресування, що залежить від абсо­лютної вологості прес-порошку,

p = F/S,

де F — зусилля пресування, Н; S — пло­ща поперечного перерізу сирцю в наси­паному стані, м^2.

У разі зниження вологості прес-порош­ку потрібно різко збільшити тиск пресу­вання. Характерною ознакою кривих стиснення є зміна кута між кінцевою гіл­кою діаграми і віссю ординати залежно від зміни вологості порошку (рис. 9.28).

Під час пресування більша частина тис­ку пресування витрачається на ущільнен­ня порошку, а інша — на подолання сил тертя частинок порошку об стінки фор­ми. Зусилля, Н, потрібне для подолання сили тертя об стінки форми, площею 5_б:

F_с = fp_б S_б,

де f— коефіцієнт тертя частинок об метал форми, що залежить від вологості й фізи­ко-механічних властивостей порошку, f= 0,5...0,155 при відповідній вологості 7...12,5 % (за даними М. Я. Сапожникова); р_б — бічний тиск порошку на стінки форми, МПа.

Тиск, МПа, порошку, що передається на стінки форми:

p_б = pk_p (9.6)

де k_p— коефіцієнт бічного тиску, що характеризує рухомість порошку, k_p = 0,50...0,7 при вологості 7... 14 %.

Рис. 9.28. Залежність осідання h₀ прес-порош­ку від тиску р пресування

Рис. 9.29. Розподіл ущільнених зон по перерізу

виробу:

1,5 — верхній і нижній штемпелі; 2,8 — прес-форми; 3,7 — бічні ущільнені зони; 4, 9 — периферійні ущільнені зони; 6 — найменш ущільнені середні шари

Спресований сирець по товщині має не­однакову щільність, що спричинено згасан­ням тиску від периферійних шарів сир­цю до центральних шарів (рис. 9.29). На нерівну щільність сирцю по товщині впли­ває також коефіцієнт бічного тиску k_p. Із формули (9.6) маємо

k_p = p_б р.

Коефіцієнт бічного тиску можна виз­начити за рівнянням

k_p = k₀W + c

де k₀ = 0,021, с = 0,26 — коефіцієнти рівняння, що характеризують грануломет­ричний склад порошку і спосіб стиску; W — абсолютна вологість порошку, %.

Сумарне бічне зусилля, Н, порошку на стінки прямокутної форми

F_б = р_бh2(l + b) (9.7)

де l і b — довжина і ширина прямокут­ної форми, м.

Втрата зусилля, Н, пресування, що вит­рачається на подолання сил тертя части­нок порошку об стінки форми:

F_c = fp_б = 2pk_ph (l + b)f (9.8)

Тиск, який передається на стінки фор­ми, становить 40...80 % від тиску пресу­вання.

На ущільнення сирцю впливає швид­кість пресування. Під швидкістю пресу­вання розуміють швидкість взаємного зближення штампів. Уповільнене пресу­вання сприяє виходу повітря із сирцю, релаксації напружень, що виникають у сирці, і підвищує його щільність. Із до­слідницьких даних відомо, що при швид­кості стиснення понад 9 мм/с і тиску пресування порядку 10... 11 МПа зни­жується якість сирцю і з'являються трі­щини.

Осідання прес-порошку, м,

H_oc =   , (9.9)

де — коефіцієнт, що відображає вилив гранулометричного складу, при W< 11,5 %  - 1,1... 1,13; ф — коефіцієнт, що зале­жить від пластичності глиняної сирови­ни, при W < 10,5 % для глин середньої і малої пластичності  1,0, для глин висо­кої пластичності  1,04.

Висота засипання, м,

H₃ = (9.10)

Зусилля виштовхування сирцю із фор­ми залежить від багатьох факторів: во­логості й гранулометричного складу по­рошку; значення і способу прикладення тиску пресування; жорсткості стінок фор­ми. Напружений стан прес-порошку

_x= _y = k_p_z

де _x_y і _z - напруження в порошку у напрямі координатних осей прес-фор­ми Ох, Оу і Ог, МПа.

Зусилля виштовхування, МПа,

F_B = k_p_zfS_б S

де S_б — площа бічної поверхні сирцю, м².

Тиск виштовхування для глиняних прес-порошків становить 3...8 % тиску пресу­вання при вологості 8... 12 %.