3.5. Шликерное формование

Общие положения

Основу шликерного формования составляет заполнение пористой формы шликером и удаление из шликера жидкости. Шликер представляет собой устойчивую суспензию металлического порошка. Существует несколько разновидностей шликерного формования, из которых наиболее распространены формование в пористых адсорбирующих и неадсорбирующих формах. Эти виды шликерного формования раньше называли шликерным литьем. Шликерное формование позволяет получать сложные по форме изделия, в том числе мало – и крупногабаритные, полые, с тонкой равномерной толщиной стенок и высокой чистотой поверхности. К недостаткам шликерного формования надо отнести продолжительность процесса получения заготовок во времени и потребность в мощном сушильном хозяйстве. Качество получаемых заготовок, прежде всего, определяется свойствами шликера. От шликера требуется текучесть и хорошая способность заполнять форму, седиментационная и агрегативная устойчивость при высоком содержании твердой фазы. Седиментационная устойчивость шликера это его способность не расслаиваться в течение длительного времени, чему препятствует оседание частиц под воздействием сил тяжести. Очевидно, что седиментационная устойчивость шликера зависит в основном от размера частиц, их плотности и концентрации. Агрегативная устойчивость шликера это способность противостоять слипанию частиц под действием электростатических сил.

Для получения шликеров с хорошими свойствами следует использовать дисперсные порошки, причем порошковые частицы должны хорошо смачиваться жидкой фазой. Улучшить смачивание можно добавками в шликер поверхностно-активных веществ (ПАВ). Жидкая фаза шликера должна иметь низкое давление пара, малую вязкость, низкие характеристики токсичности и воспламеняемости и не должна химически взаимодействовать с твердой фазой. Обычно для приготовления шликера используют воду. Вода придает шликеру необходимую текучесть, обеспечивает беспрепятственную передачу шликера по трубопроводу и хорошее заполнение пористой формы.

Формование в адсорбирующих формах

Эта технология включает следующие операции: изготовление пористой формы; подготовку исходных материалов, приготовление шликера, формование заготовки; извлечение заготовки из формы; сушку заготовки, спекание заготовки. Лучшим материалом для пористых форм является гипс в обезвоженном состоянии, активно адсорбирующий воду. Такой гипс получают измельчением и сушкой природного гипса (СаSO₄ ∙ 2Н₂О → СаSO₄ ∙ 0,5Н₂О). Сушку проводят при 140 – 175 ºC. После сушки в обезвоженный гипс добавляют воду до консистенции крема. Из такого «крема» с помощью специальных матриц или моделей делают гипсовую форму. Форму сушат при 50-65 ºC в течение 4 – 150 ч. После сушки, форма, содержащая 5 –10 % Н₂О, готова к использованию. Иногда для лучшего отделения шликерных формовок (отливок) от формы на поверхность гипсовой формы наносят антиадгезионную пленку из бумаги, графита, талька и др. Долговечность гипсовых форм (70 – 125 формовок) значительно ниже, чем металлических.

Порошки для шликера должны иметь оптимальный гранулометрический состав. Слишком крупные частицы снижают седиментационную устойчивость шликера и прочность формовок. Очень мелкие частицы, хотя и повышают устойчивость шликера, но одновременно снижают скорость набора массы и плотность заготовки. В результате наблюдается анизотропия усадки и коробление заготовки при спекании. Для формовок из порошков Fe, Cu, Ni рекомендуется набор частиц < 40 мкм. Для W и Мо, плотность которых значительно выше, требуются порошки с размером частиц < 3 мкм.

Приготовление шликера, содержащего 40 – 70 % (объемн.) твердой фазы, включает предварительное дробление и последующий мокрый размол гипса в выбранной дисперсионной среде. В качестве дисперсионной среды чаще всего применяется вода с добавками дефлокулянтов (кислоты, щелочи), препятствующих укрупнению частиц. Иногда применяют и другие дисперсанты (спирт, четыреххлористый углерод и др.).

Формование заготовок осуществляют наливным и сливным способами. Наливной способ представляет собой заливку шликера в форму с выдержкой до полного затвердевания шликера. Такой способ применяется для изготовления толстостенных и сплошных заготовок. Сливной способ применяется для изготовления заготовок с контролируемой толщиной стенки. Механизм формования заготовок одинаков и представляет собой осаждение частиц твердой фазы шликера на стенку гипсовой формы. При этом часть жидкости шликера отсасывается стенкой гипсовой формы под действием капиллярных сил и диффузии. Скорость роста толщины затвердевшей корки называют скоростью формования. Обычно она составляет 1 – 2 мм/мин.

Заливку необходимо вести непрерывной струей, поскольку при перерыве струи на стенках формовки могут возникнуть дефекты – складки. При сливном способе после набора нужной толщины стенки заготовки избыток шликера сливают из формы. Время набора толщины (массы) заготовки может быть длительным (до 60 мин), поэтому иногда стремятся ускорить процесс подогревом наружной поверхности формы и самого шликера до 50 – 60 ºC, наложением вибрации и вакуумированием.

Для придания затвердевшим заготовкам необходимой прочности их некоторое время сушат в формах. Происходящая за это время усадка (до 1 %) облегчает последующее извлечение заготовки из формы. После извлечения из формы заготовку оправляют (удаление прибыли, зачистка) и сушат при 100 – 150 ºC в сушильных шкафах. Важно обеспечить равномерный нагрев для предотвращения возможного растрескивания заготовок.

Формование в неадсорбирующих формах

Стремление сократить цикл шликерного формования и соответственно повысить производительность процесса послужили стимулом для применения неадсорбирующих форм. Существует несколько вариантов шликерного формования в неадсорбирующих формах. Один из них основан на применении вакуума и металлических форм с перфорированными стенками. Диаметр отверстий 0,7-1,1 мм, суммарная площадь отверстий – 30-40 %. Изнутри стенки формы покрывают бумагой, а снаружи создают разрежение 20-25 Па, которое обеспечивает отвод жидкости из шликера. Другой вариант предусматривает применение давления порядка нескольких МПа и разъемных форм со стенками из пористого материала (спеченный стеклянный порошок, пластик).

В порошковой металлургии известен также способ шликерного формования с вымораживанием жидкости. В этом варианте неадсорбирующую форму со шликером помещают в ванну из смеси бензина и твердой углекислоты с температурой минус 40 ºC. Замороженные заготовки извлекают из форм, помещают в вакуумную камеру, где происходит сушка сублимацией жидкости, а затем спекают.

Формование термопластичных шликеров

Термопластичные шликеры обычно применяются при формовании изделий типа карбидов, боридов, нитридов и силицидов тугоплавких металлов. Приготовление дисперсной фазы такое же, как и в предыдущих вариантах. Термопластическая связка состоит из легкоплавких веществ (парафин, воск, жиры, смолы и др.) с малой вязкой в жидком состоянии. Связка должна хорошо смачивать твердые частицы и не создавать вокруг них толстых оболочек с повышенной вязкостью. Для снижения вязкости в шликер добавляют ПАВ (органические кислоты, жиры, масла и др.) в количестве от 0,05 до 0,2 %. Твердые частицы и связку смешивают в смесителе при температуре более высокой, чем температура плавления связки. Количество связки 8-15 % по объему. Обычно для формования термопластичных шликеров применяют стальные формы, но при изготовлении небольшой серии изделий формы делают и из менее прочные материалов (медные и алюминиевые сплавы, пластмассы, гипс и др.).

Пример формования термопластичного шликера. Шликер с парафиновой связкой нагревают до 70 – 100 ^оС и помещают в резервуар, в котором поддерживают заданную температуру и однородный состав. Резервуар соединен с формой и с источником сжатого воздуха. Заполнение формы происходит под давлением воздуха 0,3 – 0,6 МПа. Давление не снимается до полного затвердевания шликера. Этим предотвращается усадка и возможная деформация заготовки. Удаление связки перед спеканием осуществляется медленным нагревом заготовок в адсорбентах (ламповая сажа, активированный уголь, прокаленный порошок оксида алюминия и др.). Адсорбенты активно впитывают расплавленную связку. Удаление связки и очистка заготовок от адсорбентов длительный и трудоемкий процесс, что является недостатком рассматриваемой технологии.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятиям «шликерное формование» и «шликер».

2. Какие Вы знаете способы шликерного формования?

3. Из каких материалов делают формы для шликерного формования?

4. Какие дисперсанты применяют при изготовлении шликеров?