Прессование изделий из керамических порошков

Теория полусухого прессования изучает закономерности, определяющие свойства спрессованного сырца (прессовок) в зависимости от свойств пресс-порошка и условий его прессования.

Керамические порошки представляют собой трехфазную систему, состоящую из твердой минеральной части, жидкой фазы — воды и воздуха. Для получения высокоплотного спрессованного полуфабриката из пластичных масс целесообразно использовать порошки типа монофракционных с выбором конечного давления, обеспечивающего полное устранение расположенных между частицами свободных промежутков за счет пластической деформации частиц.

Начало прессования керамического порошка сопровождается его уплотнением за счет смещения частиц относительно друг друга и их сближения. Это является первой стадией уплотнения. При этом происходит частичное удаление воздуха из системы.

Следующая (вторая) стадия уплотнения характеризуется пластической необратимой деформацией частиц. При этом увеличивается контактная поверхность между частицами. Одновременно с этим уплотнение каждой элементарной частицы сопровождается выжиманием влаги из ее глубинных слоев на контактную поверхность частицы. Оба эти фактора обусловливают возрастание сцепления между частицами. Вода вместе с содержащимися в ней глинистыми коллоидами цементирует круп­ные частицы прессовки, а с увеличением контактной поверхности возрастает эффект такой цементации. В этой стадии уплотнения может иметь место защемление и упругое сжатие воздуха, который не успел удалиться из порошка.

В третьей стадии уплотнения наступает упругая деформация частиц. Такие деформации наиболее вероятны для тонких удлиненных частиц в виде игл и пластинок, которые могут изгибаться по схеме зажатой консоли или балки, опирающейся на две опоры.

Последняя стадия уплотнения сопровождается хрупким разрушением частиц, при котором прессовка получает наибольшее уплотнение и наибольшее сцепление вследствие сильного дальнейшего развития контактной поверхности. Для осуществления хрупких деформаций требуется очень большое давление, которое при полусухом прессовании большинства керамических изделий практически не достигается .

После прекращения действия прессующего усилия и освобождения изделия из формы происходит его упругое расширение, достигающее в отдельных случаях 8%. Упругое расширение не дает возможности получать прессовки с максимальной плотностью и является причиной образования других пороков изделий, спрессованных из порошков.

Причинами упругого расширения могут быть обратимые деформации твердых частиц, расширение запрессованного воздуха, а также адсорбционное расклинивание контактов влагой, выжатой при прессовании из контактных поверхностей в более крупные поры.

По мере возрастания давления осадка сначала интенсивно развивается, затем начинает затухать и при достижении некоторого давления, характерного для каждого порошка с данными свойствами, почти полностью прекращается. Это указывает на то, что для каждого порошка с присущими ему прессовочными свойствами существует определенное давление, превышать которое не имеет смысла, так как за его пределами дальнейшего уплотнения прессовки почти не происходит.

При многократном (ступенчатом) прессовании чередуются между собой стадии нагрузки, когда штамп давит на порошок, со стадиями разгрузки, когда штамп несколько приподнимается и прессовка освобождается от прессующего давления.

Факторы, определяющие качество прессовки, в значительной степени зависят от длительности приложения прессующей нагрузки. Наихудшие результаты получа­ются при ударном прессовании, наилучшие—при плавном приложении нагрузки. При этом увеличивается плотность прессовки, возрастает ее равноплотность, снижается упругое последействие и воздух наиболее полно удаляется из прессуемого порошка.

Для изделий, спрессованных из порошков, характерными являются так называемые трещины расслаивания. Они возникают на боковых поверхностях прессовки, перпендикулярно направлению прессующего усилия, и выводят изделия в брак. В производственном обиходе их возникновение объясняют обычно «перепрессовкой» изделия, что указывает на чрезмерно большое прессовое давление, которое якобы и является причиной их возникновения. Однако в действительности механизм их возникновения гораздо сложней. Непосредственной, ближайшей причиной возникновения трещин расслаивания является упругое расширение прессовки. Расширение является деформацией, а всякая деформация происходит в результате действия каких-то сил. Природа этих сил, возникающих в спрессованном изделии и вызывающих его упругое расширение, объясняется отдельными авторами по-разному. Чаще всего их возникновение объясняют упругим расширением запрессованного воздуха (первый фактор) и упругим сжатием самой формы (второй фактор), в которой прессуется изделие. Оба эти фактора, несомненно, играют определенную роль в возникновении трещин расслаивания. Но, кроме того, в работе серией оригинальных опытов было показано, что в действительности отдельные участки прессуемого изделия при одном и том же коэффициенте сжатия и при одном и том же общем прессовом давлении получают неодинаковое уплотнение и стараются сместиться в отношении друг друга. В силу этого в изделии возникает «барический рельеф» (третий фактор), соответствующий различным давлениям и смещениям, которые испытывали отдельные участки изделия во время его прессования. Напряжения этих смещений и являются зародышами трещин расслаивания.

В соответствии с изложенными представлениями для предотвращения трещин расслаивания рекомендуется применять порошки с возможно большей однородностью зерен по их крупности и, во всяком случае, с удалением из порошка более крупных зерен, оказывающих наибольшее сопротивление сжатию. Повышение влажностной однородности порошка также будет снижать его склонность к образованию трещин расслаивания, так как сопротивление порошка сжатию зависит не только от его гранулометрического состава, но и от его влажности.

Влияние барического рельефа на образование трещин расслаивания не исключает участия в их образовании и запрессованного воздуха, что было подтверждено специальными исследованиями, которыми было установлено, что не весь воздух, содержащийся в порошке, вытесняется из него при прессовании. Подавляющее большинство воздухопроводящих каналов в периферийной части прессовок закрывается при сравнительно низких давлениях—0,5 МПа при влажности порошка 10% и 5 МПа при влажности 8—10%. Коэффициент запрессовки воздуха в порошке Кз.в — доля запрессованного воздуха в общем его объеме в порошке при прессовании тонкозернистых глинистых порошков—находится в пре2 делах 0,37—0,715. Возрастание скорости прессования (переход от гидравлических прессов к рычажным) увеличивает Кз.в на 20—50%.

Увеличение влажности порошка повышает внутреннее давление запрессованного в нем воздуха. Давление его внутри прессовки (при W =10—12%) достигает поч­ти 10 МПа, в то время как при влажности порошка 6—8% давление запрессованного воздуха не превышает 2 МПа. Высокое давление воздуха во влажных порошках приводит к возникновению в прессовках растягивающих напряжений и как следствие к образованию трещин расслаивания. В связи с этим некоторые специалисты рекомендуют прессовать кирпич из порошков пониженной влажности (7—8%), но при более высоких давлениях— 40 МПа.

При медленном прессовании запрессованный воздух более равномерно распределяется в прессуемом порошке, в результате чего предотвращается образование от­дельных, более опасных зон, в которых усилия превышают прочность прессовки в момент конца ее сжатия.

Грубозернистые отощенные порошки обладают меньшим Кз.в= 0,303— 0,57; интервал давлений, в которых происходит вытеснение воздуха, растянут у них до 10 МПа, упругое расширение у них ниже—не превышает 4,5%. Поэтому упругое расширение в момент снятия давления у таких порошков почти не происходит и, сле­довательно, процесса расслаивания не наблюдается.

Четвертым фактором, обусловливающим упругое расширение прессовки, являются упругие деформации плоских глинистых частиц. Поэтому склонность к рас­слаиванию прессовок возрастает с увеличением содержания глинистой части в порошке.

Для полусухого прессования строительного кирпича серийно изготовляют пресс СМ-01, который является рычажным прессом двухстороннего ступенчатого прессо­вания.

Особенностью этого пресса является то, что подвижные штампы у него только верхние, а двухстороннее прессование они осуществляют при помощи плавающей формы, которая является «манжетом» для нижних неподвижных штампов. Пресс отличается хорошим запасом прочности, в силу чего он работает устойчиво. На некоторых действующих заводах продолжают еще работать прессы СМ-198 (АМ-11), а также СМ-143. Последние выпускают для производства шамотного кирпича и по режиму прессования мало пригодны для нешамоти-рованных глинистых порошков.