Предыдущая глава | Содержание | Следующая глава

7. Формование заготовок керамических изделий.

7.3 Холодное прессование в пресс-формах.

7.2 Изостатическое прессование.

7.3 Литьё под давлением и мундштучное прессование.

7.4 Горячее прессование.

Операция формования [12] предназначена для придания заготовкам из порошков формы, размеров и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий, обладающих комплексом заданных функциональных и механических свойств. Как правило, это может быть достигнуто приложением давления к заготовке тем или иным способом. Окончательные свойства получаемых изделий во многом зависят от плотности сформованных заготовок и распределения плотности по их объёму. Общая относительная плотность заготовок и характер распределения плотности по объёму определяются рядом факторов:

1.Способом формования (прессования).

2.Прикладываемым давлением.

3.Средним размером зерен или частиц порошка.

4.Гранулометрическим составом материала.

5.Состоянием поверхности частиц.

6.Степенью искажения кристаллической решетки частиц порошка.

7.Состоянием поверхности стенок пресс-форм в случае их использования.

8.Наличием смазок при формовании в пресс-формах.

К основным видам процессов формования заготовок относятся следующие:

        -Прессование на гидравлических или пневматических прессах в пресс-формах

        -Изостатическое прессование (газовое, жидкостное)

        -Горячее литьё под давлением из термопластичных шликеров

-Мундштучное прессование на экструзионных машинах

-Горячее прессование

-Взрывное (детонационное) формование

-Вибрационное уплотнение

-Формование электромагнитным импульсом

Порошки сложных оксидов состоят как правило из высокодисперсных частиц, являются низкотекучими, обладают низкой пластичностью. При формовании из них заготовок, в частности методом прессования, часто возникает потребность в применении пластификаторов или связующих веществ, обычно органической природы.

К пластификаторам предъявляются определенные требования:

1.Высокая пластифицирующая способность, т.е. обеспечение эффекта при относительно небольшом их количестве, добавляемом к порошкам.

2.Высокая летучесть при относительно небольших температурах.

3.Отсутствие нелетучих примесей, загрязняющих материал изделия (данный параметр может быть охарактеризован т.н. коксовым числом, показывающим в процентах не удаляющийся в процессе обжига при конкретной температуре остаток пластификатора).

4.Низкая абразивность и коррозионная активность для уменьшения износа материалов пресс-форм и пуансонов (деталей, при помощи которых оказывается непосредственное воздействие на формуемый порошок и передается к нему усилие от пресса).

5.Небольшая гигроскопичность.

6.Способность к равномерному распределению в порошках.

Помимо пластификаторов могут быть использованы также смазки для пресс-форм и пуансонов, уменьшающие трение между ними и потери усилия пресса. В качестве пластифицирующих веществ используют растворы органических высокомолекулярных соединений (полимеров) в воде (поливиниловый спирт - ПВС, метилцеллюлоза - МЦ и пр.), в органических растворителях (растворы каучуков в бензине, полиметилметакрилата в летучих растворителях и т.п.). Могут быть применены парафины, глицерин, различные масла. В качестве твердых пластификаторов иногда берут графит, нитрид бора и пр., если это не ухудшает эксплуатационных свойств получаемых керамических изделий. Как смазки выступают обычно некоторые из пластификаторов, а также стеариновая кислота или стеараты, пальмитаты, олеаты (мыла). Целесообразно, например, использовать стеараты тех металлов, которые входят в состав получаемого материала, для предотвращения его загрязнения инородными примесями, скажем, при прессовании порошков никель-цинковых феррошпинелей можно взять стеарат цинка. Следует помнить о том что не всегда желательно присутствие в пластификаторах воды, которая способна при контакте с порошками привести к гидролитическому разложению полученных фаз заданного состава. Это относится к порошкам иттрий-бариевых купратов и другим подобным материалам.

Остановимся на наиболее употребимых способах формования заготовок керамических изделий для электронной техники.

7.1 Холодное прессование в пресс-формах.

Иногда такой вид формования называют полусухим прессованием, т.к. применяемые пресспорошки представляют собой достаточно сыпучую массу, из которой после смешивания с пластификатором (смесители шнекового и других типов) и протирания через сетки для формирования гранул, путем подсушивания удаляют часть растворителя до достижения кондиционных свойств. Иногда применяются с целью получения пресспорошков и такие агрегаты, как устройства для распылительной сушки. К контролируемым параметрам пресспорошков или “крупки” относятся:

Насыпную массу определяют, засыпая порошок в специальный мерный стаканчик выше его краев и сравнивая поверхность пластиной, после чего проводят взвешивание. Сыпучесть определяется путем измерения скорости прохождения порошком калиброванного отверстия специальной воронки с задвижкой.

пресс-формы по своей конструкции должны иметь как можно более простую конфигурацию для уменьшения возможных напряжений в сформованных заготовках. Соотношение высоты и поперечного сечения получаемых заготовок чаще не превышает ~3:1 - 5:1 с использованием смазок и ~2:1 - без них. Высота прессовки ограничена неравномерностью распределения давления в заготовке, трением порошка и пуансонов о стенки пресс-формы. Сами пресс-формы бывают выполнены конструктивно в разборном варианте и неразборном, когда для извлечения заготовки необходимо её выталкивание одним из пуансонов. На рисунке 7.1. приведены схемы одностороннего и двухстороннего прессования заготовок и соответственно распределения давления прессования по высоте засыпки порошка.

pic17.gif (32943 bytes)

Рисунок 7.1.

Различные варианты прессования.

Сверху - прессование с одним пуансоном.

Посередине - прессование с двумя пуансонами.

Внизу - прессование с автоматически заполнением пресс-формы и выталкиванием готовой прессовки.

u - направление усилия
m - матрица пресс формы
p - пуансон
v - прессуемое вещество (порошок)
b  - бункер-питатель
d - спрессованая деталь

Навеска пресспорошка для получения заготовки рассчитывается по формуле

F = 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, учитывающий потери порошка при прессовании (обычно 1,005 - 1,01), зависит от требуемой точности изготовления детали;

K2 - коэффициент потери массы при спекании (удаление примесей и др.), обычно 1,01 - 1,03.

Засыпка крупки, при изготовлении деталей на полуавтоматических прессах производится в режиме объёмного дозирования бункером-питателем, удаляющим в приёмник уже сформованную в предыдущем цикле заготовку и вытолкнутую нижним пуансоном Перед непосредственным процессом спекания осуществляется предварительная сушка отпрессованных заготовок, чтобы предотвратить их разрушение или коробление при нагревании, в ходе которого происходит равномерное распределение остатков растворителя в заготовке.

“Основное уравнение прессования” (приведенный закон Гука) выглядит следующим образом

lgP = -mlgb + lgPmax

P - давление прессования; Pmax - давление, обеспечивающее максимально достижимую плотность прессовки; b - относительный объём заготовки; m - постоянная, учитывающая природу прессуемого материала (показатель прессования).

Скорость прессования не должна быть слишком высока, т.к. при этом может происходить захват заготовкой воздуха, не успевшего вытесниться в окружающую среду, что снижает плотность заготовки и приводит к её последующему разрушению.

Полное давление прессования (брутто) выражается как

Р = Р1 + (-Р2) + Р3

Р1 - нетто-давление, необходимое собственно для уплотнения материала; Р2 - расходуется на трение частиц о стенки пресс-формы; Р3 - сверхдавление, связанное с неравномерностью распределения давления по объёму.

Общее давление прессования обычно составляет 1-6 Тс/см2. Слишком высокие его значения приводят к появлению расслоения заготовок (т.н. перепрессовке). Необходимо также приложить некоторое давление для того, чтобы извлечь заготовку из неразборной пресс-формы.

Частицы порошков при прессовании взаимодействуют между собой различным образом (Рисунок 7.2.).

pic18.gif (34153 bytes)

Рисунок 7.2.

Различные типы взаимодействия частиц:

А - контакт без деформации
Б - пластическая деформация
В - отталкивание (упругое взаимодействие)
Г - скольжение
Д - разрушение (хрупкая деформация

В ходе прессования с увеличением давления плотность заготовки увеличивается в соответствии с графиком, приведенным на рисунке. 7.3. На участке (а) происходит укладка частиц в основном за счет их скольжения и контактов без деформации с разрушением арок и мостиков, образуемых частицами. Участок (б), который не всегда ярко выражен на реальных кривых, характеризуется проявлением упругой деформации (отталкивания). На участке (в) наблюдается хрупкое разрушение или пластическая деформация. После извлечения заготовок происходит некоторое обратное расширение прессовок за счет действия сил упругой деформации частиц что ведет иногда к дальнейшему возрастанию пористости изделий. Чтобы предотвратить такое явление прибегают к выдержке заготовок при заданном давлении для релаксации напряжений. Ещё одним способом уменьшить пористость полученного после спекания материала является прессование при пониженном давлении или в вакууме, этим самым достигается уменьшение количества захватываемого заготовками воздуха.

pic19.gif (3747 bytes)

Рисунок 7.3.

Зависимость плотности изделия от давления прессования

        Достоинства данного метода формования:

  • принципиальная простота реализации;
  • возможность автоматизации и механизации с высокой производительностью (2-3 тысячи деталей в час);
  • высокая воспроизводимость размеров заготовок;
  • удаление пластификаторов не требует проведения отдельной операции.

Имеются также определенные недостатки:

  • неоднородность распределения плотности;
  • возможность появления расслоения заготовок за счет их пониженной плотности в центральной части;
  • невозможность изготовления изделий высокого класса точности без механической обработки и невозможность получения сложных форм заготовок;
  • высокая стоимость пресс-форм.

7.2 Изостатическое прессование.

Проводится в жидкой (гидростатическое) или газовой (газостатическое) среде. Рабочая среда нагнетается в герметизированную камеру прессования компрессорами и создаёт давление до нескольких тысяч атмосфер. Газостатическое прессование может сочетать высокое давление с повышенной температурой, что позволяет в ряде случаев совместить процесс формования и спекания. Для гидростатического прессования необходимо использование защитных оболочек из резины или другого подходящего материала, изолирующего заготовку от жидкости (минерального масла, спиртоглицериновой смеси и пр.). Порошок после засыпки в оболочки иногда подвергается предварительному вибрационному уплотнению. (Рисунок 7.4.)

pic7-4.jpg (25444 bytes) Рисунок 7.4.

Схема изостатического пресования

А - оболочка
Б - заготовка
В - рабочая жидкость

Достоинства метода:

  • Равномерность распределения давления и плотности в заготовке за счет всестороннего (изостатического) сжатия;
  • отсутствие потерь на трение и необходимости в пластификаторах;
  • отсутствие коробления при спекании;
  • произвольные соотношения высоты и поперечного сечения заготовок.

Недостатки:

  • неточность размеров получаемых заготовок;
  • шероховатость их поверхности;
  • недостаточно высокая производительность оборудования.

К недостаткам можно отнести и весьма высокую стоимость изготовления и эксплуатации высокотемпературных газостатов, применение которых оправдано с экономической точки зрения только для очень ответственных и дорогостоящих изделий или для материалов, которые не представляется возможным сформовать другими методами.

В некоторых случаях прибегают к приёму изостатической допрессовки заготовок, полученных обычным прессованием, что дает ощутимый эффект повышения их плотности и равномерности её распределения в объёме.

7.3 Литьё под давлением и мундштучное прессование.

Осуществляется из шликеров, состоящих из формуемого порошка и связки (например, парафина), которая при нагревании расплавляется и придает массе текучесть. Иногда в шликеры входят разные добавки: поверхностно-активные для улучшения физико-химических свойств композиций; добавки, ускоряющие затвердевание заготовки и пр. Различными вариантами указанных методов являются, например, литьё намораживанием, литьё в кокиль (специальная форма с каналами для вытеснения воздуха). Непрерывное литьё в фильеру позволяет получать длинномерные изделия типа лент, а также и более сложных профилей. Имеется возможность формования ленточных заготовок и путем прокатки вальцами размягченного шликера. Плотности заготовок, полученных по данной группе способов, распределены более равномерно, чем при обычном прессовании, хотя усадка в направлении, параллельном направлению литья, и перпендикулярном может быть различной.

litopres.gif (10322 bytes) Рисунок 7.5.

Блок-схема установки для формирования ферритовых элементов методом горячего литья под давлением

1 - форма, 2 - термостат, 3 - резервуар, 4 -бачок, 5 - контактный термометр, 6 - прижимное устройство, 7 - редуктор, 8 - вакуумный насос.

        Достоинства метода:

  • чистота поверхности заготовок;
  • достаточно однородное распределение плотности по объёму;
  • высокая производительность;
  • возможность получения сложных конфигураций;
  • отсутствие потерь материалов.

Недостатки шликерных методов:

  • необходимость использования значительных количеств пластификаторов;
  • наличие отдельной операции удаления связки, которая осуществляется, в частности, путем установки заготовок на пористые подставки и осторожного нагревания для перевода связки в подвижное состояние, впитывания её подложкой с последующим испарением.

7.4 Горячее прессование.

В данном случае совмещаются процессы формования и спекания изделий в пресс-формах, нагреваемых до нужной температуры (как правило, - до реализации пластических свойств материалов). Стадийность процессов, происходящих при горячем прессовании, во времени можно проиллюстрировать рисунком 7.6. , где имеется три основных стадии:

1. До 90 % от максимально достижимой плотности реализуется сдвиг и скольжение частиц относительно друг друга.

2. Граничное скольжение частиц и объёмная деформация.

3.Объёмная деформация.

pic20.gif (4106 bytes)

Рисунок 7.6.

Процессы, происходящие при горячем прессовании.

Давление прессования по данному методу составляет обычно 200-400 кГс/см2. Примерные режимы и последовательность задания требуемых температур и давлений приведены на рисунке 7.7. При этом время, необходимое собственно для операции спекания, после обычного прессования больше, чем при осуществлении горячего прессования.

pic7-5.jpg (8885 bytes) Рисунок 7.7.

Примерные режимы и последовательность задания требуемых температур и давлений

 

        Достоинства метода:

  • очень хорошие механические (прочностные) характеристики получаемых изделий;
  • минимальные допуски по размерам заготовок;
  • относительно невысокие рабочие давления;
  • сокращение времени спекания.

Недостатки метода:

  • необходимость использования жаропрочных дорогостоящих пресс-форм, их быстрый износ;
  • невысокая производительность.

г А.А. Oстроушко, Ю.В.Могильников 1998 г.