Химическая технология ситаллов и композитов. Прессование презентация

Пресс М.В. Ломоносова
Экспонат дома-музея Ломоносова в Санкт-Петербурге (Кунсткамера).
Это малогабаритный гидравлический пресс, по габаритам напоминающий современный ПГПР (с максимальным усилием 4 т).
Пресс Ломоносова, в отличие от нынешнего, имеет не один, а два нагнетательных цилиндра.
М.В. Ломоносов использовал его для проведения опытов с порошком свинца

ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Порошковая технология – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.
Характерной особенностью порошкового метода является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров.
Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента (~0,7 Тпл).
Порошковыми методами изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Основные достоинства порошковой технологии
возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;
значительная экономия материала за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);
возможность получения материалов максимальной чистоты;
простота порошковой технологии.
возможность изготавливать части изделий, а не изделия целиком.

Основные недостатки порошковой Технологии
Порошки дороги по сравнению с компактными материалами аналогичного состава. Пресс-оснастка для наиболее распространенных методов формования дорогая
Большинство методов формования порошков не позволяют получать изделия сложной формы.
До сих пор существует проблема достижения заданной (т.е. довольно высокой) точности изделий после спекания и высокой чистоты поверхности.
Далеко не всегда порошковые методы позволяет получать материалы со свойствами, аналогичными свойствам компактных материалов, в первую очередь из-за остаточной пористости.
Порошковые методы – это методы "малых форм". Существуют большие трудности в изготовлении изделий большого размера, которые связаны, в первую очередь, даже не с формованием, а со спеканием.
Пожаровзрывоопасность и токсичность, присущая всем порошкам

Обобщенная технологическая схема порошковой технологии

Классификация методов получения порошков

Молотковые дробилки

Шаровые вращающиеся мельницы
а) Периодического действия
1 – Опора;
2 – Барабан;
3 – Привод (зубчатый венец и ведущая шестерня);
4 – Загрузочный люк;
5 – Размольные тела
б) Непрерывного действия
1 – Полая цапфа (ввод размалываемого материала); 2 – Полая цапфа (вывод размолотого материала); 3 – Барабан;
4 – Привод (зубчатый венец и ведущая шестерня);
5 – Загрузочный люк

Валковая и кассетная мельницы

Аттриторы

Вибрационные мельницы

Планетарно-центробежные мельницы

Вихревые мельницы

Установка для ультразвукового измельчения

Схемы установок для диспергирования расплавов
Leybold Heraeus

Установки серии «Туман» испарение - конденсация

Схемы электролизеров ящичного типа

Классификация методов приготовления смесей порошков

Прессование
Прессование порошка – формование порошка в пресс-форме под воздействием давления.
Прессовка – порошковая формовка, полученная прессованием порошка.

Способы формирования заготовок для спекания
Прессование – ручное, на гидравлических или пневматических прессах в пресс-формах (временная технологическая связка полимеризующиеся спирты и др. )
Изостатическое прессование (газовое, жидкостное)
Литьё под давлением термопластичных шликеров
Горячая экструзия
Горячее прессование
Взрывное (детонационное) формование
Вибрационное уплотнение
Формование электромагнитным импульсом

Устройство простейшей пресс-формы
а – для одностороннего прессования
б – для двустороннего прессования
1 – матрица
2 – верхний пуансон
3 – нижний пуансон

Прессование
полусухое
изостатическое
А - оболочка
Б - заготовка
В - рабочая жидкость
Расчет навески для прессования
М = VdkQ K1K2
V - объём спеченного изделия [см3]; dk - плотность беспористого изделия [г/см3];
Q - относительная плотность (Q = 1-П/100, где П - пористость в %);
K1 – коэффициент потери порошка при прессовании (1,005 - 1,01),
K2 - коэффициент потери массы при спекании (удаление примесей и др.), 1,01 - 1,03.

Расчет навески порошковой прессовки
M = V⋅γK⋅ϑ⋅K1⋅K2
V – габаритный объем изделия после спекания;
γK – плотность компактного материала (пикнометрическая плотность порошка,
аддитивная плотность смеси или плотность беспористого материала);
ϑ⋅– относительная плотность материала после спекания;
K1 – коэффициент, учитывающий убыль массы при прессовании (1,005 – 1,01);
K2 – коэффициент, учитывающий убыль массы при спекании (1,01 – 1,03).
a1, a2…– массовые содержания компонентов смеси, %;
γ1, γ2… – пикнометрические плотности компонентов смеси.

Зависимость прочности прессовок от давления прессования

Распределение плотности по объему прессовки

Упругое последействие порошковой прессовки

Расслой
Куполообразное выгибание тонкой прессовки при снятии давления

Механические прессы "DORST"
(начало 70-х годов XX века)

Механический пресс "DORST"
(начало XXI века)

Горячее прессование
1 — графитовый пуансон;
2 — трубка для термопары;
3 — изоляционная засыпка;
4 — графитовая матрица формы;
5 — прессуемый порошок;
6 — нагреватель;
7 — конструкционные детали

Горячее прессование
Горячим прессованием называют одновременное прессование и спекание порошков. Совмещение прессования и спекания в одной операции позволяет реализовать наблюдаемое при повышении температуры увеличение текучести материалов и получать фактически беспористые изделия и изделия из большого класса материалов, для которых применение других методов затруднительно или даже невозможно (например, карбидов, боридов и других сверхтвёрдых материалов.
Наиболее существенными достоинствами горячего прессования следует считать максимально быстрое уплотнение материала и получение изделия с минимальной пористостью при сравнительно малых удельных давлениях прессования.

Шликерное литье
Более общее определение шликера – система, состоящая из формуемого порошка и связки (например, парафина или электролита), которая при придает массе текучесть, а так же добавок поверхностно-активных веществ и ускорителей затвердевания заготовок
Существует несколько вариантов литья: горячее и холодное, литьё намораживанием, литьё в кокиль (специальная форма с каналами для вытеснения воздуха).
Шликер это водная суспензия на основе глины, содержащая дефлоккулянты - разжижители (например, жидкое стекло, кальцинированную соду и т.д. — в количестве 0,1-0,5 %), используемая для формования керамических изделий методом литья в пористые, как правило, гипсовые формы.
Чем меньше влажность шликера, тем быстрее происходит формирование слоя плотной массы на поверхности гипсовой формы , меньше усадка при сушке и деформация изделий.

Шликерное литье представляет собой процесс формования заготовок из порошков, суспензированных в жидкости (шликеров).
Объемное содержание жидкости в шликерах составляет 70 - 80 %.
Чем выше плотность твердой фазы, тем меньше оптимальная влажность шликеров при одинаковом объемном содержании.
Например, влажность шликеров из карбида ниобия составляет около 18%, а фарфорофаянсовых изделий — около 35%.
Дисперсионная среда (жидкость) из шликера после заливки в форму отводится либо под действием капиллярных сил при литье в пористые формы, либо под действием центробежных сил, а также вакуума через пористые перегородки.
Готовая отливка имеет влажность не более 5- 10%.
Горячее литье под давлением производится в стальные формы при температурах выше температуры размягчения (плавления).
После остывания заготовка извлекается из формы, ставится на пористую подставку или погружается в засыпку из мелкодисперсного инертного вещества (чаще всего глинозема с удельной поверхностью 10-20м2/г) и постепенно нагревается несколько выше температуры плавления термопластичной среды.
Засыпка всасывает жидкость, и после остывания заготовка, извлеченная из засыпки, содержит не более 0,5 % пластификатора.
Основное достоинство шликерного литья — это возможность изготовления тонкостенных изделий практически любой сложной формы, а недостатки — сравнительно низкая производительность процесса.

Литье под давлением
1 - форма,
2 - термостат,
3 - резервуар,
4 – емкость со шликером,
5 - контактный термометр,
6 - прижимное устройство,
7 - редуктор,
8 - вакуумный насос.

Изостатическое формование
Изостатическое формование – формование порошка в эластичной или деформируемой оболочке в условиях всестороннего сжатия.
К изостатическим методам относят гидростатическое и газостатическое формование

Преимущества:
Возможность получения крупногабаритных заготовок, в том числе и с большим отношением высоты к поперечному размеру;
Возможность получения изделий с высокой степенью равноплотности (с малой анизотропией свойств);
Возможность формования хрупких и малопластичных материалов до бóльших плотностей, чем при прессовании в пресс-формах. Для этих материалов усадка при спекании оказывается меньше, соответственно меньше возможное искажение формы;
Возможность одновременного осуществления формования и спекания, а также получения практически беспористых изделий (при газостатическом формовании);
Возможность изготовления изделий сложной формы за один технологический цикл (при газостатическом формовании и принятии специальных мер);
Недостатки:
Более сложное и дорогое аппаратурное оформление процессов (более дорогие аппараты, с бóльшими затратами на эксплуатацию, в том числе затратами на обслуживающий персонал, и производственные площади);
Более длительный технологический цикл, обусловливающий низкую производительность;
Значительный уровень опасности для обслуживающего персонала (особенно в случае газостатического формования) и соответствующие большие расходы на защитные меры.

Гидростатическое формование

Уплотнение порошка при
гидростатическом формовании

Упрочнение рабочей камеры гидростата

Вибрационное формование
Применение вибрации при засыпке и утряске порошка в пресс-форме или в процессе уплотнения позволяет значительно уменьшить давление прессования и повысить равноплотность получаемых прессовок сложной формы.
Положительное воздействие вибрации на процесс уплотнения порошка связано с преобразованием исходной структуры (в частности, разрушением арок) и улучшением взаимоподвижности частиц, в результате чего достигается высокая плотность их укладки (90 % и выше от теоретически возможной).
Наиболее эффективно вибрация проявляется при уплотнении порошков, представляющих собой набор фракций частиц различного размера. Если рассматривать многофракционную смесь из крупных, средних и мелких частиц, то для получения наиболее плотной укладки размер частиц каждой последующей фракции должен быть в 5–10 раз меньше размера частиц предыдущей фракции.

Схема пресса для вибрационного формования

Муншдтучное формование
Этот метод похож на обычное прессование, однако существенное отличие между ними заключается в том, что, просто продавливая порошок через отверстие, формовку получить нельзя.
Мундштучное формование (иногда его называют экструзией) можно успешно осуществить, применяя пластификаторы (связки), в качестве которых используют парафины, крахмал, синтетический каучук, бакелит, поливиниловый спирт. Некоторые из перечисленных связок вводятся в виде растворов на основе бензина, этилового спирта, воды. Оптимальное количество пластификатора составляет обычно 6 – 10%.
Скорость выдавливания материала через мундштук не превышает 5 – 10 мм/с. При более высоких скоростях появляется неравномерность в распределении пористости при последующем спекании.

Схема мундштучного формования порошков

Мундштучное формование полых длинномерных изделий

Дистанционный метод формования металлических порошков порохами

Взрывное формование
Взрывное формование – формование порошка, при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 секунду.
Преимущества метода:
Возможность создания очень высоких давлений;
Возможность получения формовок с высокой относительной плотностью (близкой к 100%) и соответственно уменьшения усадки при спекании;
Возможность соединения разнородных материалов;
Возможность получения поверхностей высокой чистоты с сокращением отделочных операций;
Сравнительно низкая материалоемкость установок для осуществления этого формования.
Недостатки метода: использование мощных источников энергии, требующих специальных мер безопасности, как технических, так и административных.

Электромагнитное формование порошка в пресс-форме

Электромагнитное формование
Этот метод уплотнения порошков основан на использовании энергии мощного импульсного магнитного поля (при его напряженности 300 кЭ можно обеспечит давление 400 МПа). Первая информация о прямом деформировании металлов электромагнитными полями появилась в 1964 году (патент США).
Электрическая энергия, запасенная в конденсаторе, при его разряде преобразуется индуктором в энергию импульсного магнитного поля, воздействующего непосредственно или через пуансон на порошок или порошковую формовку.
В первом случае деформирование тела обеспечивается силами, возникающими при взаимодействии токов в нем и током, протекающим через индуктор. Выделение энергии происходит очень быстро (в течение 10 – 30 мкс), и некоторая ее часть тратится на нагрев обрабатываемого тела. Эффективность такого формования зависит от удельного электросопротивления материала частиц. Наилучшие результаты получаются при деформировании металлов с высокой электропроводностью (ρ менее 15 мкОм/см): золота, серебра, меди, алюминия, низкоуглеродистой стали.
Во втором случае ток, протекающий в индукторе, взаимодействует с током, возбужденным не в порошке, а в теле, которое будет осуществлять уплотнение (пуансон, оболочка) или создавать усилие, передаваемое формуемому порошку (специальные пластины-толкатели и т.п.). Этот способ оказывается эффективным при обработке материалов с низкой электропроводностью

Керамические и стеклянные порошки представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердой минеральной части, жидкой фазы и воздуха.
Одним из способов уменьшения внешнего трения и повышения плотности брикета является применение смазки при прессовании. Используемые смазки могут быть активными и инертными.
Активные смазки изменяют физико-механические свойства порошковых частиц, понижают прочность поверхностных слоев частиц, что облегчает их деформирование и способствует уплотнению. Инертные смазки не оказывают какого-либо воздействия на материал порошка, но способствуют уменьшению сил трения.
В качестве смазок чаще всего используют стеариновую кислоту и её соли, парафин, олеиновую кислоту, глицерин, камфору и другие вещества.

Сыпучесть, заданный зерновой (гранулометрический) состав и влажность пресс-порошков влияют на их прессуемость - способность к максимальному уплотнению при минимальном давлении с образованием при этом изделий, обладающих однородной плотностью, минимальным упругим расширением и отсутствием трещин расслаивания.
Пониженная (против оптимальной) влажность обусловит сухой контакт частиц порошка, повышенное внутреннее трение и пониженную плотность прессовки, а превышение оптимальной влажности — образование водных пленок между прессуемыми частицами и исключит их непосредственное контактирование, что в конечном счете также понизит плотность прессовки.

Начало прессования хрупкого порошка сопровождается его уплотнением за счет смещения частиц относительно друг друга и их сближения.
Это является первой стадией уплотнения.
При этом происходит частичное удаление воздуха из системы.
Следующая (вторая) стадия уплотнения характеризуется необратимой деформацией частиц.
При этом увеличивается контактная поверхность между частицами.
Одновременно с этим уплотнение каждой элементарной частицы сопровождается выжиманием влаги из ее глубинных слоев на контактную поверхность частицы.
Оба эти фактора обусловливают возрастание сцепления между частицами.
Вода вместе с содержащимися в ней глинистыми коллоидами цементирует крупные частицы прессовки, а с увеличением контактной поверхности возрастает эффект такой цементации.
В этой стадии уплотнения может иметь место защемление и упругое сжатие воздуха, который не успел удалиться из порошка.

В третьей стадии уплотнения наступает упругая деформация частиц.
Такие деформации наиболее вероятны для тонких удлиненных частиц в виде игл и пластинок, которые могут изгибаться по схеме зажатой консоли или балки, опирающейся на две опоры.
Последняя стадия уплотнения сопровождается хрупким разрушением частиц, при котором прессовка получает наибольшее уплотнение и наибольшее сцепление вследствие сильного дальнейшего развития контактной поверхности.
Для осуществления хрупких деформаций требуется очень большое давление, которое при полусухом прессовании большинства изделий практически не достигается.
После прекращения действия прессующего усилия и освобождения изделия из формы происходит его упругое расширение, достигающее в отдельных случаях 8%.
Упругое расширение не дает возможности получать прессовки с максимальной плотностью и является причиной образования других пороков изделий, спрессованных из порошков.
Причины упругого расширения - обратимые деформации твердых частиц, расширение запрессованного воздуха, а также адсорбционное расклинивание контактов влагой, выжатой при прессовании из контактных поверхностей в более крупные поры.

Компрессионные кривые порошков
Графическую зависимость между осадкой и удельным давлением прессования изображают в виде компрессионной кривой. Она является основной характеристикой деформативных свойств (прессуемости) порошка.
Из графика видно, что с увеличением удельного давления и влажности осадка возрастает.
Зависимость между осадкой и удельным давлением прессования кермического порошка при его влажности (в% )
1—0,004; 2—8,1; 3—11,15; 4—13,25; 5—15,95

Расслаивание прессовок
1. Чрезмерно большое прессовое давление
2. Упругое расширение запрессованного воздуха
3. Упругое сжатие прессформы
4. «Барический рельеф», соответствующий различным давлениям и смещениям, которые испытывали отдельные участки изделия во время его прессования.
5. Слишком медленное выпрессовывание изделия
6. Изделия сложной формы
Трещины расслаивания в изделиях после прессования