Формование керамических изделий осуществляют различными способами

Последние материалы
Химические превращения полимеров или их деструкция Влияние хлоридов. Влияние фторидов. Влияние второстепенных примесей. Влияние дисперсности сырьевых компонентов.

Способы формования керамических изделий

В технологии керамики применяются три способа формования изделий: из пластичных масс, полусухое прессование и литье из шликеров. От этого зависит и способ подготовки массы: для пластического формования готовят пластичные массы с влажностью 18…22%, для полусухого прессования готовят массы с влажностью 6…9%, а для шликерного – с влажностью 45…55%.

Массы подбирают по минералогическому составу, устанавливая требуемое соотношение глины, кварца, полевых шпатов и других добавок. Для грубой строительной керамики массы подбирают чаще по зерновому составу. Приготовление масс осуществляют чаще весовой дозировкой компонентов по утвержденному рецепту. Она дает более точное соотношение, чем объемная.

Формование из пластичных масс применяется для стеновой керамики, если карьерная влажность близка к формовочной (18…22%), а глины содержат мало каменистых включений. Пластичными массами называют такие, у которых сила внутренней связи больше сил поверхностного сцепления (адгезии). Пластическое формование производится: на ленточных прессах, штамповкой в гипсовых или металлических формах и вручную (лепка).

Формовка на ленточных прессах применяется вакуумная и безвакуумная. Ленточный пресс представляет собой закрытый металлический короб, в котором вращается вал с винтообразными лопастями, нагнетающими массу в сторону выходного отверстия. Характер движения массы и ее структура зависят от пластичности массы, влажности и внутреннего трения. Из-за разной скорости движения массы в ленточных прессах ее слои имеют постоянный сдвиг относительно друг друга, что является источником дефектов. Снижают эти напряжения увеличением влажности массы, повышающим её связность. Снижение влажности приводит к перегрузкам и авариям в работе пресса. Добавки крупного песка затрудняют сдвиг (сшивают слои), а мелкий повышает склонность к разрыву сплошности за счет снижения связности глин. Паровое увлажнение повышает способность масс к восстановлению сплошности. Для уменьшения внешнего трения и напряжения в слоях, прилегающих к стенкам пресса, вводят ПАВы. Вакуумирование повышает связность, но при нарушениях сплошности за счет сдвига труднее ее восстановить. Поэтому глубину вакуума снижают для высокопластичных глин и повышают для малопластичных.

Для каждого вида глин подбирают шаг лопастей шнека (меньше для малопластичных глин), а угол их наклона менее 28° и 28. 30° соответственно. Скорость вращения шнека во избежание срыва сплошности должна быть менее 32 об/мин. Она подбирается для каждой массы экспериментально, иначе возможно проворачивание массы (чтобы избежать проворачивания делают рифление внутренней поверхности корпуса). Зазор его у стенки не более 3 мм , иначе увеличится трение, снижая давление.

Площадь выходного отверстия должна быть в пределах:

где F_k и F_n – площадь поперечного сечения корпуса и изделия cоответственно.

Длина головки пресса должна быть 150. 300 мм. Короткая приводит к усилению скорости в центре (влияние шнека), длинная – к усилению бокового трения, что приводит к образованию свилей. Поэтому длина и конусность головки должна обеспечить равномерную скорость движения массы по сечению бруса. Для пластичных масс конусность головки должна быть 10. 15%.

Для обеспечения надежной работы вакуум-пресса необходимо применять решетчатые керамические насадки, где конденсируется влага. Превышение влажности массы или ее занижение приводит к срыву вакуума из-за переполнения вакуум-камеры глиной. На выходе из пресса брус не должен иметь свилей и разрывов сплошности, которые приводят к растрескиванию и браку.

Штамповка из пластичных масс применяется при изготовлении черепицы, электроизоляторов, капселей. Плоские (несимметричные) изделия штампуют в гипсовых или металлических формах, укладывая в них валюшки; применяются салазочные или револьверные прессы. Давление прессования зависит от объема изделия и пластичности массы.

Вытачивание из пластичных масс производится для изделий формы тел вращения (изоляторы, трубы). Оборудование: гончарный круг, станок с вращающимся столом, шпинделями и шаблонами, центробежная форма. Подъемом вращающегося шпинделя пласт глины подводится под шаблон, который обжимает массу и «разводит» ее до необходимой конфигурации, а нижний или внутренний формует внутреннюю поверхность.

Лепка – ручное формование изделий из пластичных масс в гипсовых формах или без них. Это трудоемкий процесс, поэтому лепка применяется для изготовления изделий сложной конфигурации, уникального, малотиражного ассортимента.

Преимущества пластического прессования: возможность использования карьерной влажности глин и изготовления изделий сложной конфигурации.

Недостатки: повышенные энергозатраты на сушку и ее удлинение.

Прессование из полусухих масс (порошков) . Полусухое прессование имеет преимущества: прочнее сырец, точнее конфигурация и размеры, меньше усадка в сушке и обжиге, проще механизация. Поэтому оно применяется чаще, чем пластическое формование (особенно для плоских тонкостенных изделий).

Теория полусухого прессования изучает зависимость свойств изделий от свойств пресс-порошка и условий прессования. Пресс-порошок – трехфазная система: твердое вещество, вода и воздух. Степень его уплотнения зависит от влажности и соотношения фракций. По данным Фуллера, наибольшую плотность имеют порошки, содержащие по 20% фракций 3. 4, 2. 3 и 1..2 мм, по 12% фракций 0,5. 1 и менее 0,1; 10% фракции 0,2. 0,5 мм и 6% фракции 0,1. 0,2 мм. По данным других ученых, эти величины могут быть другими, в том числе, в сторону увеличения размера зерен до 4. 5 мм. Некоторые рекомендуют прерывистый зерновой состав. Для однофракционных порошков применяют высокое конечное давление, повышающее плотность за счет деформации частиц.

Прессование включает три стадии уплотнения порошков:

1. Уплотнение за счет сближения частиц при удалении воздуха.

Пластические деформации частиц с увеличением контактной поверхности, выжимание влаги из глубинных слоев на поверхность частиц и увеличение сцепления силами поверхностного натяжения влаги.
Упругая деформация частиц с их разрушением и максимальным уплотнением за счет развития поверхности контактов между зернами.

После снятия нагрузки и извлечения изделия из формы возможно его расширение, которое может быть до 8%, и растрескивание, так как давление прессования распределяется по толщине изделия неравномерно (затухает по мере удаления от штампа), что зависит от величины бокового трения и от влажности порошка. В центре давление выше, чем у краев. Для его снижения смазывают форму, подогревают ее, повышают влажность порошка, применяют двухстороннее или двухступенчатое прессование, его замедление для удаления воздуха, вызывающего растрескивание за счет обратного последействия.

Пороки прессования: трещины расслоения от перепрессовки. Они располагаются на боковых поверхностях изделия перпендикулярно давлению. Не всегда причиной их возникновения является высокое давление. Это скорее упругое расширение прессовки. Причина этих деформаций – в запрессовке воздуха, упругом последействии его и деформированных частиц. Чем меньше частицы, тем выше должно быть давление. Поэтому нельзя допускать сегрегацию (разделение на отдельные фракции) частиц. Форму надо заполнять решетчатой кареткой, не допускать неравномерной влажности, так как зерна разной влажности требуют разного давления. Исследования показали, что трещины появляются в зоне мелких фракций (с меньшим сопротивлением сжатию). Поэтому крупные и мелкие фракции рекомендуется удалять и применять равномерный зерновой состав, как из распылительных сушил. Выводящие воздух каналы в порошке закрываются при давлении 0,5 МПа для влажности W = 10% и при 5 МПа для W = 8%. Поэтому доля запрессованного воздуха может быть от 0,37 до 0,71, а при большей скорости прессования увеличивается на 50%. Влажные порошки быстрее агрегируют частицы, опережая закупорку каналов. Так как давление запрессованного воздуха во влажном пресс-порошке в 5 раз выше, чем в сухом, для влажного надо снижать давление. Уменьшить запрессовку воздуха и давление прессования можно вакуумированием, но это усложняет технологию. Грубозернистые и отощенные порошки менее подвержены запрессовке воздуха.

Таким образом, для устранения перепрессовки необходимо:

— повышение однородности порошка по зерновому составу и влажности;

— понижение влажности и отощение грубозернистых фракций;

-снижение давления и скорости прессования;

— применение двухстороннего и двухступенчатого прессования,

— вакуумирование массы; снижение бокового трения шлифовкой форм.

Прессы полусухого прессования разделяют по направлению прессования, способу передачи усилия и назначению. По направлению прессования – одно- или двухсторонние. По способу передачи усилия – ударного действия, рычажные и гидравлические; по назначению – для прессования кирпича, плиток, черепицы. Для прессования кирпича применяются отечественные механические прессы СМ-198; СМ-301; СМ-143, ССМ-583 и зарубежные, позволяющие изготовлять пустотелые (дырчатые) камни размером 365х240х175, 365х115х175 мм, пустотность 40. 43%, плотность 1200 кг/м 3 и R_сж до 18 МПа, давление 3000 т двустороннее с вибрированием, одновременно формуют 5 камней, до 6000 шт./ч.

Для плиток применяют прессы: «Робот», КРК_П-125, КРК_П-200 и др. На КРК_П-200 возможно двухслойное прессование двумя каретками. Вначале формуют основной слой, затем отделочный при снижении нижнего штампа. Давление двухступенчатое. Первичное давление снимают для освобождения запрессованного воздуха, а окончательное – для придания плотности и толщины. Толщина отделочного слоя из качественного сырья – 2. 2,5 мм, а основной слой делается из менее качественного сырья (грубозернистого, с повышенной пористостью для лучшего сцепления плиток с раствором при облицовке),что более экономично.

Формование керамических изделий методом литья заключается в отливке керамических шликеров в гипсовую форму, внутренняя поверхность которой отражает наружные размеры изделия – применяется для тонкостенных изделий сложной конфигурации преимущественно в производстве санитарно-технического фаянса, фарфора, декоративных изделий и др. Достоинства гипсовых форм – оптимальная пористость, влагоемкость, простота изготовления и замены. Недостатки – малая оборачиваемость, износ, потеря фильтрационной способности, невысокая прочность на удар. Известен способ (ГИКИ) литья в металлические формы по принципу электрофореза. При наложении электрического поля отрицательно заряженные частицы глин движутся к катоду (стенкам), а шликер является анодом. Но промышленного внедрения метод не получил. Пористые синтетические формы тоже не заменяют гипс.

После заливки в форму частицы движутся по направлению отсоса влаги к стенкам гипсовой формы, где обезвоживаются и уплотняются – идет «набор черепка». Плотный слой маловлагопроводен, поэтому внутренние частицы шликера не ориентированы, и внутренние слои изделия менее плотны, чем наружные. Сопротивление фильтрации R_ф вычисляют по формуле:

где R_ш, R_ч и R_ф – сопротивление влагопереносу шликера, черепка и формы.

Для снижения сопротивления фильтрации осуществляется отощение масс добавками, так как глины обладают большей влагоудерживающей способностью.

Учеными установлено, что качественную внутреннюю поверхность обеспечивает добавка нитрата аммония при толщине стенок 5 мм за 5 мин, затем оксалат натрия, сода, тринатрийфосфат и жидкое стекло. Часто их комбинируют.

Для ускорения набора толщины стенок применяют: подогрев шликера (ускоряет набор в 2 раза); вакуумирование или вибрацию формы и шликера; литье под давлением; смачивание гипсовых форм раствором мочевины (карбамида) перед формованием и т.д. Вибрация и нагрев до 60 °С понижают вязкость шликера, разрушая связи. Это устраняет натеки на внутренней поверхности изделия, снижает влажность отливки, увеличивает R_изг почти на 20%.

Способы формования литьем: сливной, наливной и комбинированный. При сливном способе выливают остаток шликера после набора стенок изделия определенной толщины. Образуется его внутренняя полость. При наливном способе шликер заливают между двумя стенками гипсовой формы, тогда толщина изделия равна зазору между ними. При комбинированном способе часть изделия формуется по сливному способу, часть – по наливному. Достоинства сливного способа – простота формы и ее сборки, меньшая трудоемкость операции по оформлению изделий, возможность механизации процесса отливки. Недостатки – больший расход шликера, повышенная его влажность, неравномерная толщина стенок, применимость только для мелкоразмерных изделий. Преимущества наливного способа: интенсификация набора черепка (в два раза больше контакт с гипсом); возможность получения стенок заданной толщины; пониженный расход шликера и его влажность. Недостатки: усложнение конструкции формы; обязательность разборной формы; затрудненность механизации.

Источник

1.3. Формование керамических изделий

Формование керамических изделий можно вести тремя различными способами: полусухим и изостатическим прессованием из пресс-порошков, пластическим формованием из пластичной массы и шликерным литьем из литейных шликеров. В свою очередь все три способа имеют большое количество разновидностей, отличающихся между собой усилиями формования, способами приложения их к материалу и специальной оснасткой — пресс-формами и различными приспособлениями. Способ горячего литья — литья шликера, содержащего вместо воды расплавленный парафин, в металлическую форму, применяется для формования безглинистой технической керамики. Общая цель всех методов формования — заставить дисперсный материал принять нужную форму и сохранить эту форму без разрушения до обжига, при котором происходит образование единого прочного керамического тела. Для изделий, изготавливаемых из глинистого сырья, достаточно привести частицы массы в состояние контакта и снизить влажность заготовки, высушив ее до влажности 10-15%. При этом мелкие частицы глины служат своеобразным клеем-основой и могут склеивать непластичные частицы песка, полевого шпата и т.п. Если же керамическое изделие производят из непластичных материалов, то для его формования требуется особая связка, которая послужит таким клеем. При горячем литье такой связкой служит парафин, при других способах формования используют синтетические полимеры в виде водных или иных растворов. Сохранить форму изделия в первом случае помогает превращение расплава парафина в твердое тело при его охлаждении в металлической форме, в других случаях — испарение воды или иного растворителя и стягивание частиц, покрытых тонким слоем клеящей связки.

Рассматривая три основных способа формования, можно заметить, что для придания изделию необходимой формы требуются усилия, обратно пропорциональные содержанию связки в формуемой массе (для материалов на основе глин связкой является вода, образующая тонкие пленки между частицами). Так литье шликера в гипсовые формы протекает практически при атмосферном давлении (0,1 МПа); пластическое формование требует ручных или механических усилий, измеряемых 0,5-5 Мпа; прессование производится под давлением 10-100 МПа. Важно отметить еще одну особенность — чем больше усилий мы прилагаем для придания формы, тем больше вероятность получения неравноплотной заготовки изделия, что, в свою очередь, грозит появлением дефектов — трещин, сколов и т.п. Самые сложные изделия получают шликерным литьем — способом, при котором не требуется приложения внешних усилий.

Формование керамических изделий способом шликерного литья состоит в получении из сырьевых компонентов устойчивого литейного шликера, наполнения им пористой гипсовой формы и выдержки для набора массы на внутренней поверхности формы. После значительного обезвоживания массы в результате всасывания воды под действием капиллярных сил в мелкие поры гипсовой формы заготовка уменьшается в размерах (“дает усадку”) и приобретает прочность, достаточную для разборки формы и сушки изделия перед обжигом.

Перед заполнением гипсовая форма должна быть высушена при температуре не выше 65°С и иметь остаточную влажность не менее 4%. Если форму пересушить, процесс набора массы будет идти слишком быстро с образованием дефектов.

Различают два способа шликерного литья: наливной, при котором количество шликера, залитого в форму должно быть достаточно для полного формования изделия, и сливной, при котором избыточное количество шликера выливается (или отсасывается с помощью вакуума) из формы после заранее определенного времени. Первым способом чаще формуют толстостенные и сплошные изделия, например, скульптуры, вторым — большинство полых и тонкостенных изделий: посуду, вазы и т.п. В формах для наливного способа предусмотрена верхняя полость с избытком шликера, поступающего в форму по мере набора массы — так называемая прибыль.

Как было уже сказано, литейный шликер (т.е. шликер готовый для литья в форму) должен быть однороден, не содержать крупных частиц, способных быстро оседать, так как при этом произойдет его расслаивание. Литейный шликер должен содержать как можно меньше воды, но при этом легко заливаться в форму. Минимальное содержание воды в литейных шликерах обеспечивают введением электролитов — химических соединений, влияющих на взаимодействие частиц глин с водой, и регулированием вязкости (текучести) шликера путем изменения основности (рН) среды. При использовании малых количеств (не более 0,5%) таких электролитов, как сода (Na₂CO₃), силикат (Na₂SiO₃) или полифосфат (Na₃PO₄) натрия и др., удается снизить влажность шликеров до 30-33% , тогда как шликер с такой же вязкостью и текучестью из распущенной глины без электролита имеет влажность от 40 до 65%.

Приготовленный шликер поддерживают во взвешенном состоянии (т.е. не допуская оседания твердых частиц), используя механические пропеллерные и лопастные мешалки, перемешивающие большие количества шликера в бассейнах. При перемешивании важно избежать захвата лопастями мешалок воздуха, который может образовать пузыри в отливках.

Наполнение шликером гипсовой формы ведут таким образом, чтобы не захватывать воздух, не создавать сильной струи — медленно и непрерывно, желательно слегка меняя ее направление. Необходимо дать время для выхода воздуха из узких частей формы, не прерывая при этом процесса литья.

После наполнения формы шликером начинается процесс набора массы — образование слоя массы на внутренней поверхности формы. При этом вода, содержащаяся в шликере, всасывается в микропоры (размером 1,5-5 мкм) гипсовой формы. Когда необходимая толщина заготовки достигнута, при сливном способе литья избыток шликера медленно сливают, поворачивая форму по окружности, чтобы не оставлять следов на поверхности заготовки в виде натеков или удаляют с помощью вакуума (в литьевых автоматах). После набора массы влажность образованного на поверхности формы слоя составляет 18-24%. Однако форму еще нельзя разобрать, не разрушив заготовку.

После набора массы наступает второй период — закрепления заготовки. Обычно его проводят в течение более длительного времени — от часа до нескольких суток, исходя из массивности изделия и условий, в которых содержится форма. Форму с заготовкой оставляют на стеллажах мастерской (цеха) или сушат принудительно в сушильных шкафах или сушилах при температурах до 60-65°С. После первого периода сушки — подвялки, когда заготовка отдаст еще несколько процентов воды (слегка “усядет”) и ее поверхности отойдут от стенок формы, форму можно разбирать. Заготовка приобретет прочность, достаточную для того, чтобы можно было взять ее в руки не смяв и не оставив на ее поверхности глубоких следов. Это так называемое “кожетвердое” состояние, в котором заготовка может быть обработана: на ней можно вырезать контррельеф или отверстия, налепить рельеф или приставить детали, ее можно отполировать или придать ее поверхности особую фактуру, наконец, можно замыть или зачистить дефекты поверхности. Приставные, т.е. приклеиваемые детали должны быть из той же самой массы, а их влажность должна соответствовать влажности заготовки. Склеивание ведут тем же шликером, для густоты и увеличения склеивающей способности в него добавляют декстрин.

Операции по удалению дефектов на отформованной, иногда высушенной, но не обожженной заготовке называют оправкой. Замывкой называют удаление с помощью влажной губки натеков, швов от разъема формы и т.д., зачисткой — обработку наждачной бумагой, металлической сеткой или металлическим инструментом (ножом, скребком, шпателем, клюшкой и т.д.). Широко применяется литье в гипсовые формы под давлением, ускоряющим процесс набора массы.

Наиболее древний и универсальный способ формования — это пластическое формование, названное так по пластичному состоянию массы. Так как глины различаются по своей пластичности, разным глинам необходимо разное количество воды для приобретения необходимых формовочных свойств. Влажность керамических масс, формуемых способами пластического формования, колеблется от 18 до 25%. Минимальную требуемую формовочную влажность можно определить, раскатывая в руках жгуты диаметром примерно 2-3 см: если масса не прилипает к пальцам, легко мнется, но при этом на формуемых жгутах не появляются поперечные трещины, то ее влажность соответствует формовочной. Пластическое формование осуществляют различными способами, из которых можно выделить как наиболее применяемые — лепку, набивку, раскатку и выдавливание.

Лепку осуществляют руками, заранее подготовив и промяв массу. Хотя керамисты до сих пор используют формование сосудов жгутами — формуя стенки сосудов из наложенных друг на друга жгутов массы, формование лепкой лучше вести из единого куска массы. При соединении различных кусков существует вероятность появления трещин в местах соединения по причине даже небольших различий влажности кусков. Таким приемом можно пользоваться, если масса обладает широким диапазоном пластического состояния, т.е. остается пластичной довольно долгое время, несмотря на частичное высыхание. Отформованная из пластической массы заготовка может быть обработана с помощью металлического, пластмассового или деревянного инструмента — стека, на заготовке может быть выполнен рельеф, оттиснута печать, вырезан орнамент или сделаны отверстия. Для удобства работы с заготовкой необходимо, чтобы она набрала определенную прочность, для чего ее подсушивают — подвяливают до кожетвердого состояния.

Формование набивкой заключается в приготовлении пластической массы, набивки, затирки или просто плотного заполнения массой гипсовой или деревянной формы. Таким образом формуют простые по форме изделия с неглубоким рельефом — плитки, изразцы, плакетки и т.п. Для лучшего заполнения рельефа рекомендуется втирать куски массы в рельеф формы, постепенно заполняя ее всю. После заполнения формы и образования некоторого излишка допускается уплотнение всего пласта массы легкими ударами киянки. Избыток массы срезают ножом или проволокой. Формовочная влажность массы для данного способа формования может быть ниже, чем для формования способом лепки, и формовочные усилия значительны. Формование набивкой позволяет тиражировать изделия. В свое время это привело к своеобразной революции в строительстве — с возникновением массового производства кирпича и черепицы повсеместно стали распространяться кирпичные кладки и черепичные крыши.

Формование раскаткой осуществляют на гончарном круге — вращающемся с регулируемой скоростью металлическом диске. На диск помещают кусок приготовленной пластичной массы, руками центруют его при вращении и придают форму сосуда, формуют внешнюю и внутреннюю поверхности с помощью пальцев и ладоней. Отформованное изделие заглаживают, смачивая поверхность влажной губкой, и после небольшой подсушки отрезают проволокой от основания куска — ножки. Раскатка — один из наиболее древних способов формования, требующих большого опыта. На заводах раскатку осуществляют на специальных формовочных станках-полуавтоматах или на автоматических линиях.

Источник