Изготовление литых деталей из металлических сплавов (стр. 5 из 6)
3.2. Изготовление исходной керамической массы
Важнейшими предпосылками для получения высокого качества керамической массы при изготовлении деталей радиоэлектронной аппаратуры являются:
1. Точность дозирования шихтового состава.
2. Толщина (зернистость) помола.
3. Химическая чистота компонентов шихты.
Способы приготовления керамических масс сводятся к двум видам: шликерному (водному) и бесшликерному (сухому). Шликер - это наименее концентрированная водная суспензия, обладающая хорошей текучестью. Шликерный способ применяется для изготовления пластичных масс из высокоглиноземистых корундовых и корундомуллитовых материалов, содержащих глину (более 10 %).
Бесшликерный, сухой способ, применяется для приготовления пластичных масс из высокочастотных керамических материалов, не содержащих пластичных глин или имеющих их в небольших количествах.
На рисунке 7.1 представлена схема укрупненного технологического процесса приготовления керамических масс водным способом для материалов типа радиофарфора и ультрафарфора.
Измельчение - помол компонентов. Эта операция является основной в процессе приготовления керамической массы. Схема основана на мокром помоле и смешивании компонентов, что дает возможность получать высокую степень помола, достигающую размера частиц до одного микрометра.
Измельчение исходных материалов производят раздавливанием, истиранием и ударом. Раздавливание применяют для среднего и крупного дробления (размер частиц 104 – 105 мкм) на шнековых и валковых дробилках. Для получения более мелких частиц (102 - 104 мкм) применяются бегуны, в которых сочетается истирание и раздавливание.
Тонкий помол производят в шаровых мельницах сухим и мокрым способами.
Шаровая мельница представляет собой металлический барабан, внутренние стенки которого футерованы керамическими плитками. Измельчение материала в шаровой мельнице производится с помощью фарфоровых шаров.
При вращении барабана вокруг своей оси шары поднимаются и падают вниз, производя, таким образом, дробление и истирание, то есть помол исходного материала. Сухой помол применяется при измельчении более крупных частиц исходных материалов. В этом случае ударное действие мелющих тел (шаров) дает большой эффект, чем истирающее действие при мокром помоле.
При мокром помоле наблюдается меньший дробящий эффект шаров, а истирающий больше вследствие расклинивающего действия воды, попадающей в микротрещины частиц измельчаемого материала.
После сухого помола исходных компонентов (талька, мрамора) производят первый мокрый помол с добавлением около 5 % глины и поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве ПАВ применяют различные вещества, например триэтаноламин, сульфатно-спиртовую смесь и др. ПАВ интенсифицируют процесс мокрого помола вследствие быстрого и равномерного распределения частиц по поверхности, а также проникания в имеющиеся микротрещины.
При втором мокром помоле достигается измельчение и смешивание всех компонентов, составляющих керамическую массу.
После второго мокрого помола следуют операции механической и магнитной сепарации.
Механическая сепарация заключается в продавливании полученной массы через сито с 10000 отв/см2, что составляет размер измельченных частиц около одного микрометра.
Магнитная сепарация применяется для удаления из шликера частиц магнитных материалов, которые могут ухудшить электрофизические свойства керамических изделий.
Обезвоживание является последней операцией технологического процесса. Эта операция выполняется на специальных фильтр-прессах.
После выполнения этой операции в массе остается около 30 – 35 % влаги. Влажная масса в фильтр-прессах формируется в виде коржей. Коржи направляют на последующие операции по формообразованию деталей из керамики.
Рассмотренная технологическая схема является типовой для приготовления исходной массы из других видов керамики.
3.3. Методы изготовления керамических деталей
Формование деталей осуществляется прессованием, штамповкой, выдавливанием через профильные отверстия, горячим литьем под давлением. Каждому способу формообразования предшествует ряд технологических операций подготовки исходной керамической массы.
Прессование. Прессованием изготовляют небольшие плоские детали с небольшими выступами или углублениями (например, пьезокерамические преобразователи). При формообразовании деталей методом прессования коржи, полученные на пресс-фильтрах, просушивают с последующим помолом в шаровых мельницах для получения нужной дисперсности (тонины помола). В процессе помола производится пластификация керамической массы добавлением 10 - 17 % парафина или 15 % водного раствора поливинилового спирта. Для сокращения времени прессования предварительно полученную массу формообразуют в виде брикетов при относительно низком давлении (15 – 40 МПа). Собственно прессование является основной операцией изготовления из пресс-порошка или брикетированной массы. Прессование производится в металлических пресс-формах, устанавливаемых на гидравлических, пневматических или специальных пресс-автоматах с удельным давлением 30 - 150 МПа. Для повышения равномерности распределения используют пресс-формы, обеспечивающие давление как сверху, так и снизу (рис. 7.2). Размеры оформляющих поверхностей пресс-форм определяются из соотношения:
, где ln - размер формирующей поверхности пресс-формы (мм); l0 - соответствующий размер детали после обжига (мм); Ky - коэффициент усадки, величина которого зависит от типа керамики и определяется экспериментальными исследованиями или берется по справочным данным и нормативам. Для некоторых типов керамик коэффициент усадки доходит до 1,20 - 4,25 %.После прессования детали, изготовленные из пластифицированной керамической массы, подвергают сушке при температуре 60 – 70 оС в специальных сушильных шкафах. Высушенная деталь содержит влаги не более 3 %.
Обжиг является заключительной операцией изготовления деталей с заданными свойствами. Обжиг керамических деталей осуществляется в печах периодического или непрерывного действия при температурах от 1200 °С до 1750 °С в зависимости от типа керамики. Например, детали из стеатитовой керамики обжигают при температуре 1380 - 1400 оС, из тикондовой керамики -1200 – 1300 оС, из ультрафарфора – 1360 – 1380 оС, а из алюминооксидной керамики типа ВК94 – 1580 оС.
Наиболее совершенными являются туннельные печи непрерывного действия.
В процессе обжига происходит превращение механической смеси исходной массы в монолитную структуру керамики. Твердые частицы массы, нагретые до высокой температуры, приобретают пластические свойства, переходя в вязкотекучее состояние. В результате диффузионных процессов и химического взаимодействия происходит слияние этих частиц с образованием кристаллической и аморфной фаз.
На электрические и механические свойства деталей из керамики влияют химический состав исходных материалов, размер частиц исходной массы и режим обжига. Малый размер частиц исходной массы способствует лучшему прилипанию их, взаимной диффузии элементов в процессе спекания, уменьшению количества пор. А это обусловливает меньшее значение коэффициента усадки, снижение дефектности и повышение качества.
Основными параметрами режима обжига являются: конечная температура нагрева Тк, время нагрева заготовки до конечной температуры обжига τн, время выдержки при конечной температуре τк и время охлаждения τо (рис. 7.3). Эти параметры существенно влияют на электрические и механические свойства керамических деталей. Например, при быстром нагреве в керамической массе не успевают произойти процессы гомогенизации и спекания частиц, химического образования новых кристаллических фаз и стеклофазы, повышается количество пор, что снижает качество керамики. Обычно режимы спекания деталей из различных типов керамики рассчитываются теоретически и проверяются экспериментально.
После спекания возможна механическая обработка керамических деталей для придания точных размеров. Механическую обработку производят шлифованием абразивными кругами на основе карбида кремния или алмаза.
Штамповка. Штамповка отличается от прессования применением более пластифицированной керамической массы и более высокой производительностью. В состав типового пластификатора керамической массы для штамповки деталей средних габаритов входят: вода -12 - 13 %, сланцевое масло - 0,61 %, керосин - 1,4 - 1,6 %, олеиновая кислота - 0,2 %. Штампование выполняют в пресс-формах на быстроходных прессах механического действия и пресс-автоматах. Для штамповки используют различные пресс-формы. Один из типов пресс-форм показан на рис. 7.4.
Способ применяется для изготовления деталей сложной формы, имеющих большую неравномерность распределения массы по рабочему объему пресс-формы. Высокопластифицированная масса хорошо заполняет пресс-форму при сравнительно небольших давлениях (6 - 8 МПа ).
Основными недостатками этого способа являются повышенная неравномерность усадки, приводящая к снижению точности детали, повышенная пористость. Достоинством штамповки является возможность получения деталей сложной конфигурации.
Выдавливание. Это непрерывный процесс формообразо- вания изделий постоянного профиля продавливанием керамической массы через профильное отверстие формующей головки. Для выдавливания технологическим оборудованием являются поршневые и червячные прессы, а в качестве технологической оснастки – формообразующие головки. На рис. 7.5 показана схема конструкции формующих головок для получения трубок и стержней.
Необходимая пластичность керамической массы достигается повышенным содержанием воды (12 - 20 %), с добавками декстрина (4 - 7 %) и тунгового масла (около 5 %). Однородность состава керамической массы обеспечивают предварительным многократным пропусканием ее через червячный пресс-мялку.