СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FORMING POWDER MATERIALS WITH LIOPHOBIC FLUID AND DEVICE TO THIS END

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования порошковых материалов (полых микросфер) в присутствии жидкости при производстве пористой конструкционной керамики, разделения смеси порошковых материалов разной плотности, создания материалов с градиентом свойств.
Уровень техники
Известен способ прессования керамических масс, содержащих жидкость (воду), включающий приготовление смеси, увлажнение и прессование [Р.Я.Попильский, Ф.В.Кондрашов. Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968, 272 с.].
Известно устройство для мокрого прессования, содержащее матрицу, верхний и нижний пуансоны с приводами, напорное устройство для заполнения матрицы массой, вакуумную систему для отсоса отжатой при прессовании жидкости и узел для съема отпрессованных изделий. Для повышения производительности и качества изделий узел для съема отпрессованных изделий выполнен в виде размещенной между матрицей и верхним пуансоном приводного шибера с отверстием, превышающим по диаметру отверстие в матрице, на позиции выталкивания изделия, а на позиции прессования - с сеткой и с камерой, соединенной с вакуумной системой. В процессе прессования осуществляют отсос жидкости через сетку отверстий в камеру и вакуумную систему. [Авторское свидетельство СССР №1519841, МКИ B22F 3/00. Опубл. 30.10.89. БИ №41].
Наиболее близким техническим решением является способ полусухого прессования массы, включающий замешивание микросфер со связкой в виде водного раствора хлоридов и последующее прессование. [Ю.Л.Красулин, В.Н.Тимофеев, С.М.Баринов, А.Б.Иванов, А.Н.Асонов, Г.В.Шнырев. Пористая конструкционная керамика. / М.: Металлургия. 1980, с.49].
Недостатком наиболее близкого технического решения является нестабильность свойств спеченных изделий, т.к. в исходной смеси находятся ломаные микросферы и микросферы с трещинами.
Кроме того, микросферы ломаются в процессе загрузки и при последующем формовании в матрице.
Еще одним недостатком наиболее близкого технического решения является нестабильность свойств спеченных изделий, т.к. в исходной смеси находятся микросферы разного диаметра и с разной толщиной стенки.
Ломаные микросферы и их сколы не позволяют получить упорядоченную структуру в изделии. В полость ломаных микросфер попадает большее количество раствора хлоридов, которые при последующем спекании образует большее количество жидкой фазы. Это не позволяет ввести хлориды однородно и только в контактную область между микросферами. Неоднородное количество жидкой фазы приводит к неоднородному спеканию и, как результат, к получению неоднородной структуры и свойств. На фиг.1 дефектная структура (неоднородность). На фиг.2 требуемая однородность структуры. Фиг.1, 2 взяты из источника информации [Ю.Л.Красулин, В.Н.Тимофеев, С.М.Баринов, А.Б.Иванов, А.Н.Асонов, Г.В.Шнырев. Пористая конструкционная керамика. М.: Металлургия. 1980, с.54-56].
Микросферы разного диаметра и с разной толщиной стенки в спеченном изделии приводят к местной нестабильности свойств.
Пористая конструкционная керамика из полых микросфер применяется в качестве теплоизоляционного и электроизоляционного материала.
Достигаемым техническим результатом является:
- повышение качества спеченных изделий за счет отделения ломаных микросфер от целых из исходного порошка;
- разделение порошковых материалов с разной физической плотностью с последующим формованием всплывшего материала без разрушения микробаллонов;
- регулярная упаковка частиц за счет всплытия и уменьшения в жидкости межчастичного трения микросфер;
Для достижения технического результата в способе прессования полых микросфер, включающем смешивание микросфер с жидкостью и прессование, смешивание осуществляют в камере для разделения микросфер, после чего отделяют целые микросферы от ломанных и/или имеющих разную плотность, а прессование проводят посредством нижнего и верхнего пуансонов и матрицы, содержащей коническую и цилиндрическую части, при этом уменьшают уровень жидкости путем опускания нижнего пуансона, затем при пониженном уровне жидкости опускают матрицу, уплотняют микросферы конической частью матрицы путем одновременного поднятия верхнего и нижнего пуансонов, после чего перемещают микросферы и жидкость в цилиндрическую часть матрицы путем подъема верхнего пуансона и осуществляют уплотнение посредством нижнего пуансона.
Изобретение стало возможным после того, как авторами была установлена зависимость между характеристиками микросфер (плотностью материала, размером и толщиной стенки микросферы), толщиной «пены», которая образуется всплывающими слоями микросфер под действием выталкивающей силы жидкости.
Для ускорения разделения микросфер в способе прессования несколько раз поднимают и опускают нижний пуансон.
На фиг.3, 4 изображена модель предлагаемого изобретения.
На фиг.3 изображены полые микросферы оксида алюминия, размером 100 мкм, с толщиной стенки - 5 мкм.
После засыпки в воду целые микросферы всплывали под действием выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда).
Поднимая уровень жидкости нижним пуансоном и опуская матрицу, конусной поверхностью матрицы уплотняет микросферы. Это второй этап уплотнения.
Ломаные и микросферы с трещинами затонули. На фиг.4 изображено дно сосуда, в котором производили разделение микросфер.
Предложенный способ позволяет разделить смесь порошков за счет разной величины выталкивающей силы, скорости всплытия и спрессовать те из них, которые всплыли.
Третий этап прессования - это прессование нижним пуансоном, синхронно с верхним. При этом отверстие в матрице погружено в раствор, что позволяет верхнему пуансону засосать раствор хлорида в пространство между микросфер.
На фиг.5 сечение одной микросферы. На фиг.6 разделение микросфер в воде с добавкой поверхностно-активного вещества (улучшения смачивания).
На фиг.7, 8 - этапы разделения полых микросфер оксида алюминия.
Пример 1 (Способ прототип). Получение пористого спеченного материала на основе полых микросфер оксида алюминия.
2
6,0 г полых микросфер оксида алюминия размером 100 мкм и толщиной стенки 5 мкм смешивали с водным раствором хлорида магния (0,6 г) Полученную массу прессовали в стальной пресс-форме при давлении 150-200 кг/см. Величину предельного давления прессования контролировали по характеру кривой уплотнения, переходу от линейного участка к параболическому. Начало отклонения от линейной зависимости свидетельствовало о том, что этап структурной деформации завершен, и дальнейшее увеличение давления приведет к разрушению микросфер.
Полученную прессовку сушили и спекали при 1250°-1375°С в течение 30 минут.
Анализ микроструктуры показал зональное уплотнение, с расплавлением оболочки микросфер.
Пример 2 (Предлагаемый способ). Получение пористого спеченного материала на основе полых микросфер оксида алюминия.
6,0 г микросфер оксида алюминия размером 100 мкм и толщиной стенки 5 мкм уплотняли в три этапа: с разделением микросфер, с уплотнением конусной частью матрицы и уплотнением пуансоном.
3
Расчет величины выталкивающей силы жидкости. Объем микросферы диаметром 100 мкм равен: V=4/3π·R
3
3
4/3π·0,05=0,00052 мм.
Объем оболочки микросферы можно вычислить по формуле:
3
3
V=4/37π(R-r), где R - наружный радиус микросферы, r - внутренний радиус микросферы.
3
V=0,00014 мм.
Вес микросферы равен: G=V·γ (мг),
3
где V - объем оболочки микросферы, мм.
3
3
γ - плотность оксида алюминия - 3,5 г/см (мг/мм).
Вес одной микросферы - 0,00049 мг.
Выталкивающая сила жидкости (F) в воде равна:
ж
Р=γ·(0,00052-0,00049)=0,00003 мг.
ж
Обращаем внимание, чем больше γ, тем больше выталкивающая сила (F).
Величины выталкивающей силы в 0,00003 мг достаточно для подъема 1,0 микросферы с толщиной стенки 5 мкм.
Расчет предельной толщины стенки микросферы.
Толщину стенки микросферы (фиг.5) можно рассчитать из уравнения нулевой плавучести:
3
3
3
воды
Al2O3
4/3πR·γ=4/3π(R-r)·γ,
можно определить предельную толщину стенки микросферы оксида алюминия диаметром 100 и 200 мкм. Для этого уравнение решают относительно «r», приняв соответственно R=50 мкм и 100 мкм.
После засыпки микросфер в воду происходит осаждение сколов, затопление микросфер с трещинами и затопление микросфер с толщиной стенки более 5,6 мкм.
раствора
воды
В качестве жидкости использовали 1,0% водный раствор хлорида магния. С точностью до ошибки γ взята равной γ. Соль после сушки и термического разложения выступает в качестве активирующей добавки при спекании.
Спекание по режиму Примера 2 показало, что микросферы распределены равномерно, спекание микросфер произошло в точках контакта, зональное уплотнение и расплавление оболочки микросфер не обнаружено.
Пример 3. Разделение микросфер с одинаковой толщиной оболочки. По предлагаемому способу 6,0 г микросфер оксида алюминия с размером частиц 100-200 мкм прессовали по способу Примера 2.
Объем оболочки микросферы можно вычислить по формуле:
3
3
V=4/3π(R-r), где R - наружный радиус микросферы, r - внутренний радиус микросферы.
3
Объем микросферы диаметром 100 мкм - 0,00052 мм.
3
Объем микросферы диаметром 200 мкм - 0,0042 мм.
Вес микросферы равен: G=V·γ,
где V - объем оболочки микросферы,
3
γ - плотность оксида алюминия - 3,5 г/см.
Вес одного микросферы диаметром 100 мкм - 0,00049 мг.
Вес одного микросферы диаметром 200 мкм - 0,00217 мг.
3
Объем одной микросферы диаметром 100 мкм - 0,00052 мм.
3
Объем одной микросферы диаметром 200 мкм - 0,0042 мм.
воды
3
Выталкивающая сила жидкости (γ=1 г/см) для микросферы 100 мкм равна: 0,00052-0,00049=0,00003 мг.
воды
3
Выталкивающая сила жидкости (γ=1 г/см) для микросферы 200 мкм равна: 0,0042-0,00217=0,00203 мг.
Выталкивающая сила микросферы диаметром 200 мкм на два порядка больше, поэтому они всплывут быстрее.
Таким образом, можно разделить микросферы с одинаковой толщиной оболочки по их размеру.
Всплывший слой будет в основном состоять из микросферы диаметром 200 мкм, т.е. из частиц одного размера. Однородность исходных микросфер приведет к формированию однородной структуры и стабильности свойств спеченного изделия, т.е. к повышению качества пористого материала.
Пример 4. На фиг.9-13 представлены кинематические схемы и конструкция устройства.
На фиг.9 изображено: верхний пуансон (1), матрица (2), камера засыпки и разделения частиц в жидкости (3), жидкость (4), камера слива сломанных микросфер (5), нижний пуансон (6).
Устройство работает следующим образом. Микросферы засыпают в пространство между матрицей (2) и камерой засыпки и разделения микросфер (3). В жидкости происходит разделение микросфер целых от ломаных и их сколов. Целые полые микросферы имеют плотность ниже, чем плотность жидкости, поэтому под действием выталкивающей силы жидкости (по закону Архимеда) они всплывают на поверхность.
Ломаные микросферы и сколы осаждаются в жидкости и по наклонной поверхности оседают на дно и скапливаются на наклонной поверхности, преимущественно у нижнего пуансона.
Торец нижнего пуансона находится на одной плоскости с поверхностью жидкости (4), чтобы исключить оседание на него микросфер и их сколов. После разделения микросфер нижний пуансон (6) опускают вниз для того, чтобы верхний диаметр плавающего слоя порошка в камере был не более, чем внутренний диаметр конуса матрицы (2). Погружаемый объем нижнего пуансона соответствует объему загружаемых микросфер (целых и ломанных). Первый этап - процесс разделения завершен.
Для ускорения разделения микросфер можно несколько раз поднять и опустить нижний пуансон. Это приведет к пульсации жидкости, перемешиванию плавающих микросфер и лучшему их разделению.
На фиг.9 изображена засыпка микросфер и их разделение - левая половина фиг. На правой стороне фиг.9 конечная стадия разделения - правая половина фиг. При опускании пуансона (6) вниз уменьшается уровень жидкости.
Второй этап. Опускание нижнего пуансона и опускание вниз матрицы 2, до контакта со слоем плавающих микросфер. Затем нижний пуансон перемещают вверх. Это приводит к подъему уровня жидкости
На фиг.10, при пониженном уровне жидкости - левая половина фиг., опускают верхнюю матрицу (позиция 2 фиг.9).
На фиг.11 поднимают нижний пуансон (позиция 6 фиг.9) и одновременно, синхронно, поднимают верхний пуансон (позиция 1 фиг.9). Это приводит к самостоятельному уплотнению микросфер конусной частью матрицы. После заполнения микросферами цилиндрической части под действием выталкивающей силы жидкости нижним пуансоном выталкивают сформировавшийся образец, а верхний пуансон засасывает раствор хлорида.
Для полного заполнения купола матрицы жидкостью вверху находится отверстие, которое не закрывает верхний пуансон (1). Отверстие в матрице (2) позволяет воздуху выйти наружу, а полым микросферам уплотниться под действием выталкивающей силы жидкости в конусообразной форме матрицы. Второй этап уплотнения под действием выталкивающей силы жидкости в конусной части матрицы заканчивается.
После выхода воздуха из конусной части матрицы в загрузочное пространство между (2) и (3) подают жидкость. Уровень жидкости поднимают выше уровня отверстия. Полость в пространство между (2) и (3) и нижний конус матрицы (2) превратятся в сообщающиеся сосуды.
Третий этап. Верхний пуансон перемещают вверх. Выступая в качестве поршня, верхний пуансон засасывает микросферы и раствор в цилиндрическую часть матрицы.
На фиг.11 (левая половина фиг.) показан третий этап процесса уплотнения - под действием пуансона. Нижний пуансон поднимает микросферы выше уровня жидкости. При этом происходит уплотнение влажных микросфер, а лишняя жидкость стекает вниз.
После прессования нижний пуансон (6) выталкивает полученную влажную прессовку - правая половина фиг.11.
После выпрессовки образца нижний пуансон опускают вниз и происходит слив жидкости из камеры засыпки и разделения в камеру (5). Сломанные микросферы и сколы по наклонной поверхности смываются жидкостью. Камера свободна.