автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Разработка технологии получения изделий из оксида бериллия методом литья с ультразвуком

Введение.

Глава 1. Физико-химические и технологические аспекты литья и ультразвуковой активации термопластичных шликеров из оксидов.

1.1. Литейные системы. Структура, реологические и технологические свойства.

1.2. Характеристика и особенности процессов, протекающих при литье термопластичных шликеров.

1.3. Влияние ультразвуковой обработки на процесс литья, свойства шликеров и изделий.

1.4. Цель и направления исследований.

Глава 2. Материалы, аппаратура, оборудования и методика литья с ультразвуком.

2.1. Характеристика исходных материалов.

2.2. Аппаратура и приборы.

2.2.1. Установка для определения плотности связки.

2.2.2. Ультразвуковой ротационный вискозиметр.

2.2.3. Стенд для определения пластической прочности.

2.2.4. Установка для литья термопластичных шликеров с ультразвуком.

2.2.5. Установка дилатометрического контроля.

2.3. Методики исследований.

2.3.1. Характеристики оксидных порошков и дисперсионных сред.

2.3.2. Реологические свойства термопластичных оксидных масс.

2.3.3. Структурно-механические свойства полуфабриката и изделия.

2.3.4. Планирование и обработка результатов экспериментов.

Глава 3. Физико-химические и технологические особенности литья термопластичного шликера из оксида бериллия.

3.1. Закономерности структурообразования и особенности реологии

3.2. Влияние ультразвуковой обработки на структурно-механические свойства.

3.3. Исследование структурно-механических и электрофизических свойств изделий из оксида бериллия, сформованных литьем с ультразвуком.

3.3.1. Особенности спекания.

3.3.2. Основные свойства.

Глава 4. Разработка промышленной технологии и оборудования для литья с ультразвуком термопластичных шликеров из оксида бериллия.

4.1. Технологические принципы и особенности конструирования ультразвукового оборудования.

4.2. Разработка промышленной установки литья с ультразвуком.

4.3. Практическое применение технологии литья термопластичных шликеров с ультразвуком.

Высокоплотные изделия из оксида бериллия находят широкое применение благодаря ряду ценных свойств и, прежде всего, уникальной теплопроводности. Получение высокоплотных, теплопроводных изделий из оксида бериллия представляет сложную технологическую задачу. Для сохранения комплекса свойств необходимо использовать такие технологические приемы, которые обеспечивают минимальное загрязнение материала примесями, максимальную плотность и высокую прочность заготовок после формования и выжига связки.

В настоящее время основным методом формования сложных изделий, а также деталей в виде трубок и стержней остается метод литья термопластичных шликеров. Сущность этого метода формования заключается в придании термопластичному шликеру конфигурации изделия при заполнении под давлением шликером формообразующей полости и последующей фиксации приобретенной формы посредством изменения агрегатного состояния шликера по мере его охлаждения. Данная технология характеризуется относительной простотой реализации и высокой производительностью, что очень важно при организации массового производства изделий.

Однако разработанная в 40-50-х гг. П.О. Грибовским и И.Д. Абрс(мсоном технология просуществовала до настоящего времени без существенных изменений, как в плане усовершенствования рецептур временных технологических связок, так и в организации процесса формования заготовок. Вместе с тем, создание и реализация технологического процесса и оборудования носили эмпирический характер и были проведены без детального анализа физиког химической природы литейных систем. Рассмотрению различных аспектов подготовки и литья термопластичных шликеров на основе оксида бериллия посвящен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Тем не менее, до настоящего времени получение из оксида бериллия целого ряда длинномерных изделий (толстостенных, многоканальных, сложно-фасонных и т.п.) представляет, как показывает практика, значительную трудность. Сложность получения качественных изделий в данном случае обусловлена в первую очередь теплофизическими свойствами оксида бериллия, в частности, его уникальной теплопроводностью. Высокая теплопроводность дисперсной среды обуславливает повышенную «жесткость» литейных систем, что затрудняет управление структурообразованием полуфабриката при литье. В результате на практике зачастую не достигается необходимое качество отливок, низка производительность и выход годных. Увеличение объема жидкой фазы для придания необходимых литейных свойств шликеру не позволяет добиться требуемого эффекта, так как при обжиге «дополнительное» количество связки приводит к появлению структурных дефектов и деформации изделий. Не приводит к желаемому результату также и применение технологических приемов, связанных с повышением температуры и давления. В этой связи для улучшения качества изделий и повышения производительности литья представляется целесообразным использование при формовании динамических методов воздействия на перерабатываемый материал. К числу наиболее эффективных методов такого типа относят обработку ультразвуком.

Однако, исследования по изучению физики процесса, по эффективности использования ультразвука в процессах приготовления шликера и литья, а также по работе специального оборудования немногочисленны. В большинстве своем это работы экспериментального плана, поскольку аналитическое исследование процесса является чрезвычайно трудной задачей, вследствие сложности математического описания поведения шликера при наложении ультразвука.

Кроме того, в известных работах недостаточно освещены или отсутствуют сведения об особенностях структурообразования и характере деформационного поведения дисперсных систем «оксид-термопластическая связка» в условиях ультразвукового воздействия, по влиянию схемы и параметров ультразвуковой обработки шликера в процессе литья на характер протекания процессов консолидации, на структурно-механические свойства отливок и спеченных изделий. Недостаток сведений не позволяет осуществить практическое использование ультразвука в технологии литья термопластичных шликеров.

Задачей настоящей работы является разработка технологии и оборудования для промышленного получения оксидбериллиевых изделий методом литья с ультразвуком, обеспечивающих повышение производительности техпроцесса и качества изделий.

На защиту выносятся: закономерности структурообразования, реологического поведения и усадки термопластичных масс на основе оксида бериллия в технологическом интервале температур и концентраций дисперсной фазы; усовершенствованные методики и приборы для исследования литейных систем при их УЗ активации; закономерности реологических параметров и характера течения термопластичных шликерных масс, свойств отливок и изделий в зависимости от мощности и длительности УЗ активации, температуры и соотношения дисперсной и дисперсионной фаз; метод компенсации температурной усадки в отливках с помощью акустического давления и оптимальные технологические параметры УЗ обработки термопластичных шликеров на различных стадиях процесса литья; конструктивно-технологические принципы построения и расчета технологического процесса литья с ультразвуком термопластичных литейных масс и ультразвуковая литьевая установка.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 137 наименований, содержит 144 страницы машинописного текста, 27 таблиц, 40 рисунков и приложения.

Основные выводы

1. В результате выполненных теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных работ научно обосновано применение ультразвука для активации систем оксид бериллия - термопластичная связка как на стадии подготовки шликера, так и при формообразовании отливки, позволившее разрабо,-тать технологию получения изделий из оксида бериллия методом литья с ультразвуком.

2. Для изучения влияния ультразвука на структурно-механические свойства, деформационное поведение литейных систем и контроля процессов разработаны и изготовлены ультразвуковые приборы: ротационный вискозиметр; пластомер; литьевая установка.

3. Установлены закономерности структурообразования, реологического поведения высокотеплопроводных композиционных систем оксид - термопластическая связка: в технологическом интервале температур и концентраций твердой фазы системы на основе ВеО характеризуются тиксотропно-дилантантными свойствами, «жесткой» зависимостью вязкости и предельного напряжения сдвига от температуры; характер изменения структурно-механических свойств в значительной степени определяется соотношением твердой фазы, кинетически связанной и свободной дисперсионных сред и подчиняется в области как выше интервала отвердевания, так и ниже его уравнению термоактивацион-ного процесса; системы с различным содержанием твердой и жидкой фаз характеризуются единой природой деформирования, при этом течение термопластичного шликера при высоких температурах подобно течению водных систем с развитыми коагуляционными связями, а реологические особенности поведения литейных систем при температурах, близких к температуре кристаллизации, связаны с определяющим влиянием кристаллизации кинетически свободной связки; приращение плотности в процессе охлаждения для литейных систем в технологическом интервале температур и концентрацией твердой фазы составляет 5-^6 %. При этом на интервал твердопластического состояния приходится 70 -г 80 % величины температурной усадки. Нескомпенсированность этой усадки является основной причиной дефектов в полуфабрикатах и изделиях;

4. Установлены закономерности процессов при использовании ультразвуковой активации как на стадии подготовки шликера, так и на стадии формообразования отливки: независимо от содержания связки и температуры рост длительности УЗ обработки вызывает немонотонное изменение вязкости, обусловленное процессами диспергации твердой фазы и интенсивным массообменом на границе раздела фаз. При этом, варьирование интенсивностью и температурно-временными параметрами УЗ обработки позволяет эффективно управлять состоянием поверхности раздела фаз и параметрами абсорбционных слоев и тем самым эффективно воздействовать на реологию термопластичных шликеров; для термопластичных композиционных систем характерна зависимость релаксации реологических свойств от температуры и количества связки; влияние интенсивности ультразвука на величину литьевого давления носит линейный характер и обусловлено вторичными эффектами, вызываемыми ультразвуком в жидких средах: уменьшением вязкости, снижением трения, звуковым давлением; при этом все многообразие процессов, развивающихся в материале при УЗ обработке и способствующих активации его спекания, сводится к гомогенизации вещества, плотной упаковке, увеличению активности дисперсной фазы и эффективной компенсацией усадки. Компенсация усадки в данном случае идет как по классической схеме за счет подпитки

131 жидким шликером, так и за счет деформационного уплотнения под действием статического и звукового давления. ультразвуковая обработка позволяет получить отливки с более мелкозернистой структурой, более высокой механической прочностью (на 30 - 70 %), кажущейся плотностью (7 - 10 %), а изделия из ВеО отличаются более интенсивным спеканием, и имеют по сравнению с изделиями, сформованными без ультразвука, меньшую усадку (на 2,4 - 4,3 %) и температуру спекания (на 50 - 180°С), а также более однородную структуру и более высокие структурно-механические и электрофизические параметры (на 10 - 20%).

5. Сформулированы технологические принципы ультразвуковой активации, даны расчетные показа!ели для их применения и уравнения для определения основных конструктивных и технологических параметров техпроцесса литья и оборудования;

6. Разработанная технология и оборудование внедрены на АО «Керамика» г. Усть-Каменогорска. Высокое качество изделий подтверждают результаты эксплуатации изделий у Заказчика.

1. Грибовский П.О. Горячее литье керамических изделий.// М.: Госэнергоиз-дат, 1961. -400с.

2. Добровольский А.Г. Шликерное литье.// 2-е доп. и перер. изд. М.: Металлургия, 1977. -240с.

3. Абрамсон И.Д.// Керамика для авиационных двигателей. М.: Оборонгиз, 1963.-240с, ил.

4. Технология электрокерамики (под ред. Г.Н. Масленниковой)// М.: Энергия, 1974. -225с.

5. Гогаев К.А., Пантелеев А.Д. Штакун В.А., Иванова Н.И. Моделирование и расчет параметров технологического процесса горячей экструзии порошковых материалов.// Порошковая металлургия. 1995. - № 5-6, - С. 35 - 39.

6. Трунев Г.В. Исследование процесса получения изделий из тугоплавких соединений методом литья термопластичных шликеров (дисс. на соискание ученой степени канд. Техн. Наук).// К., 1972. -184с.

7. Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением. //М.: Машиностроение. 1985. -256с.

8. А.К. Белопухов. Технологические режимы литья под давлением.// М.: Машиностроение. 1985 -270с.

9. Крупа A.A., Городов B.C. Химическая технология керамических материалов.// Киев: Выща школа. 1990. - 399с.

10. Двинских Ю.В., Попильский Р.Н., Костин Л.И. и др. Теплофизические свойства термопластичных литейных шликеров некоторых высокоогнеупорных окислов (Огнеупоры, № 12, 1979, 37-40с).

11. A.C. 137807 (СССР) МКИ В2861/28 Способ изготовления керамических из.-делий из непластичных материалов.// (Грибовский П.О. Бюлл. 1961. -№ 8).

12. A.C. 1130481 (СССР), МКИ В28в 1/24. Способ изготовления безлитниковых керамических изделий.// (И.Н. Курская, С.М. Кубаков, Н.В Ева и др. Бюлл. -1984,-№47).

13. Калинчев Э.Л. Закономерности формования термопластов литьем под давлением и разработка путей развития технологии литья и оборудования (Дисс. на соискание ученой степени доктора техн. Наук.)// М.: 1975. -340с.

14. Зонов A.B., Харитонов Ф.Я. Некоторые оптимальные соотношения параметров, определяющих формование керамических изделий методом горячего литья под давлением.// (Электронная техника. Сер. материалы, вып. 12 (185), 1983.-46-48С.

15. Номофилов Е.В., Двинских Ю.В., Попильский Р.Н. и др. Расчет температурных полей и парамтров процесса непрерывного литья керамических изделий из теплопластичных шликеров.// (Инф.- физ. журнал, № 6, 1981, -1075-1082с).

16. Arakida Yutaka. Формование керамики методом литья под давлением и конструкция литьевых машин.//(«Capamukkyog, Ceram. Yap.» 1987, 22 № 5. -414-422с) яп.).

17. Complex ceramic components fabricated usirg injection moulding technigues. («Ynt. Y. Refract and Hard Metals»).// 1987. 6. « 2-60-67 (англ.).

18. Техника формования новой керамики. Методы изготовления формованных изделий. Канно Такаси. //(«Кочё дзаирё, End Mater», 1983, 31 « 12-29-33 с.)1. ЯП.).

19. Peltsman Y, Peltsman M? Process, Machinery and tooling fot malding of ceramics under low pressure. («Ceram. Eng. And Sei. Proc.»). 1981, 2, № 9-10, 21006-1010c. (англ.).

20. Леонов В.Г. Формование высокоплотных теплопроводных изделий из нитрида алюминия.// (Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: 1990.- 185 с).

21. Крючков Ю.Н., Лашнева В.В. Установка литья под давлением керамических изделий.// Стекло и керамика. 1998. № 10. - С. 19 - 20.

22. Miyavoto К., Mivamoto H, Takahashi H. Preparation of АЬОз ceramics by Y, Low Pressure irjection molding.// («Bull. Ynst. Cbem. Res Kycto Univ»). 1986. 64 №4 287-291 (англ.).

23. Двинских Ю.В., Кулагин B.B. Дефекты непрерывного горячего литья керамических изделий.// Обнинск. 1979.

24. A.C. № 738882. МКИ В28в 1/26// Устройство для формования труб.// Трунов Г.В., Киндышева B.C. Бюлл. -№21. 1980.

25. Гордова М.Р. Исследование условий получения и свойств высокоплотной кераимки из нитрида алюминия.// (Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М: 1975.- 179 с).

26. Физико-химические свойства окислов.//(Справочник под ред. Г.В. Самсоно-ва М.: М.етал.лургия .1978. 256с).

27. Семченко Г.Д. Золь-гель процесс в керамической технологии.// Харьков. 1997.- 144с.

28. Сидоров Ю.И., Киричек A.A., Косток Д.В. и др. Временные органические связки в производстве керамических изделий.// (Стекло и керамика. 1989. -20-22с.).

29. Беляев P.A.// Окись бериллия. Изд. 2, М.: Атомиздат. 1980. 239с.

30. Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика.//М.: Металлургия. 1974. -264с.

31. Пивинский Ю.Е. Основы регулирования реологических и технологических свойств керамических литейных систем.// (Автореферат дисс. на соискание докт. Техн. Наук 1984. 40с.).

32. Пивинский Ю.Е. Объемные фазовые характеристики и их влияние на свойства суспензий и керамических литейных систем. (Огнеупоры № 11, 1982, -50-57с.)

33. Пивинский Ю.Е. О фазовых соотношениях, важнейших технологических свойствах и классификации керамических и других вяжущих систем.// (Огнеупоры № 6. 1982. -49-59C.).

34. Крючков Ю.Н. Оптимизация процесса изготовления керамических изделий шликерного литья.// Стекло и керамика. 1992. № 2. - С. 14-15.

35. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур.// (В кн. Физико-химическая механика дисперсных структур. Отв. ред. П.А. Ребиндер. М.: Наука 1966. -3-16с.).

36. Бакунов B.C., Беляев A.B. К вопросу об анализе структуры керамики.// Неорганические материалы. 1996. Т. 32 - № 2. С. 243 - 248.

37. Ребиндер П.А. Избранные труды. //М.: Наука 1978. -36с.

38. Урьев Н.Б. Физико- химическая механика в технологии дисперсных систем.// М.: Знание 1975. -64с.

39. Щукин Д.Е. О некоторых задачах физико-химической теории прочности тонкодисперсных пористых тел-катализаторов и сорбентов.// Кинетика и катализ. № 6. 1965. 644-650с.

40. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д., Марголис Л.Я. О механической прочности пористых дисперсных тел.// (Докл. АН СССР № 3, 1964, -695-698 е.).

41. Куколев Г.В. Коллоидно-химические свойства и регулирование показателей пластического потока глинистой суспензии.// (В кн. «Физико-химические основы керамики» под ред. П.П. Будникова, М. Гос. изд. Литер по строит. Материалам 1956. -50-65с).

42. Овчарено Ф.Д. Гидрофильность глин и глинистых материалов.// Киев. Изд. АН УССР. 1961.-291с.

43. Круглицкий И.Н. Укр. хим. журнал т. 38 № 4. 1972. -393-394с.

44. Мосин Ю.М. Исследование и разработка технологии пластического формования керамики и огнеупоров из оксидов.// (Дисс. на соискание ученой степени канд. Техн. Наук. М:, 1980. 175 е.).

45. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные системы// М.: Химия. 1980. 320 с.

46. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов.// М.: Металлургия. 1985. 480с.

47. Onoda A. Yhe relogj of organic binder solutions Yn book: Ceramic Processing before firing.// (Ed. Bya. Y. Onoda Sarry L. Hench-New York). 1978 p. 235-25148