FORMOWANIE WYROBÓW CERAMICZNYCH PRZEZ ODLEWANIE 1. Wstęp Formowanie wyrobów ceramicznych za pomocą odlewania gęstw lejnych jest szeroko wykorzystywane ze względu na możliwość uzyskiwania skomplikowanych kształtów. prasowania proszków jest bardzo często stosowana techniką. W żadnym wypadku nie należy techniki odlewania kojarzyć z odlewaniem metali, podczas którego dochodzi do nadania kształtu poprzez wypełnienie formy stopionym metalem. Formowanie ceramiki zachodzi w temperaturze pokojowej (lub niewiele wyższej). Technika ta operuje zawiesinami proszków, a nie stopionymi fazami. Zawiesiny umieszczane są w porowatej formie, zawierającej w swojej mikrostrukturze kanaliki, którymi z pomocą sił kapilarnych lub ciśnienia zewnętrznego usuwana jest ciecz, a pozostaje zagęszczona kształtka. 2. Surowce wyjściowe W zależności od właściwości użytkowych formowanego wyrobu dobiera się rodzaj proszku oraz jego uziarnienie. Najczęściej stosowane są proszki o uziarnieniu kilkunastu lub kilkudziesięciu mikrometrów. Dla wytwarzania tworzyw o wysokiej wytrzymałości stosuje się proszki o przeciętnym rozmiarze ziaren poniżej 5 mikrometrów, przy znacznym udziale ziaren mniejszych niż 1 mikrometr. Współczesne technologie ceramiczne coraz częściej sięgają do proszków submikronowych (o wąskim rozkładzie 0,1 1,0 μm). Są one bardzo aktywne podczas spiekania i pozwalają uzyskiwać wyroby o znacznie zredukowanych rozmiarach wad, co podnosi jakość i niezawodność produkowanych elementów ceramicznych. Stosunkowo często konieczna jest obróbka proszków przeznaczonych do formowania poprzez odlewanie. Zwykle jest to redukcja rozmiarów ziaren (mielenie) i ich klasyfikacja (selekcja odpowiedniej frakcji ziarnowej). Pozwala to optymalizować stopień upakowania i jednorodność formowanego wyrobu. Najczęściej wspomnianą obróbkę łączy się z wprowadzaniem środków zwilżających, upłynniaczy czy lepiszcza i jest ona połączona z przygotowaniem gęstwy lejnej. Wykonuje się ją w młynach kulowych, wibracyjnych lub mieszadłowych (attritorach). Po mieleniu gęstwa lejna przelewana jest przez sita i ewentualnie separator magnetyczny (usuwanie zanieczyszczeń żelazem). Z kolei wykonuje się sprawdzenie i ewentualną korektę lepkości. Tak sporządzona gęstwa gotowa jest do sezonowania, odpowietrzania i odlewania. 3. Przygotowanie gęstw lejnych W przygotowaniu gęstwy niezwykle pomocnym jest znajomość jej właściwości reologicznych tj. charakterystyki płynięcia gęstwy opisanej ilościowo w kategorii lepkości η. Jeśli stężenie kulistych cząstek jest niewielkie (tzn. nie występuje wzajemne oddziaływanie pomiędzy nimi ani pomiędzy cząstkami i cieczą) obowiązuje zależność Einsteina:
η =1+ 2.5V η o gdzie: η - jest lepkością zawiesiny, η 0 - jest lepkością cieczy, w której rozproszono cząstki, V ułamkiem objętościowym cząstek. Zależność ta odnosi się do warunków wyidealizowanych. W układach rzeczywistych chociaż główny wpływ na lepkość zawiesin ma udział objętościowy cząstek stałych, nie można jednak pominąć wpływu jaki wywiera ich wielkość, i kształt cząstek oraz ładunek elektryczny zgromadzony na ich powierzchni. Zmniejszanie wielkości cząstek, przy nie zmienionym ich udziale objętościowym w gęstwie, powoduje wzrost lepkości z powodu intensywniejszego oddziaływania cząstkacząstka. Dla danego udziału objętościowego cząstek stałych, im mniejsza cząstka, tym mniejsza odległość pomiędzy cząstkami i większa szansa wzajemnego ich oddziaływania. Ilustruje to przykład gęstw zawierających 40 % obj. kulistych cząstek pokazany w Tabeli. Średnica cząstki, μm Średnia odległość pomiędzy powierzchniami cząstek, nm 10 920 1 92 0,1 9 0,05 2 0,01 0,92 (1) Efektywny zasięg działania przyciągających sił Van der Waalsa wynosi ok. 2 nm, licząc od powierzchni cząstki, a zatem nawet we względnie rozcieńczonej zawiesinie może wystąpić znaczne wzajemne przyciąganie cząstka-cząstka i efekt ten zwiększa się wraz ze zmniejszeniem średniej wielkości cząstki lub wraz ze wzrostem udziału submikronowych cząstek. Wzrost przyciągającego oddziaływania cząstek powodujący wzrost siły potrzebnej do poruszenia jednej cząstki względem drugiej odbierany jest jako makroskopowo obserwowany wzrost lepkości. Istotny wpływ na lepkość zawiesiny ma również kształt cząstek. Niekuliste cząstki, szczególnie pręty lub płytki, zbliżają się do siebie w zawiesinie bardziej niż czynią to kuliste cząstki o równoważnej objętości. Wpływ kształtu cząstek ilustruje przykład przedstawiony w Tabeli. Długość krawędzi płytki, μm Grubość płytki, μm Udział objętościowy cząstek stałych, przy którym średnia odległość pomiędzy powierzchniami cząstek wynosi 2 nm 10 1 30 1 0,1 30 0,1 0,01 28 0,01 0,001 17 Porównanie wyników zawartych w obu tabelach wskazuje, iż zawiesiny charakteryzujące się porównywalną lepkością przygotowane z cząstek o porównywalnych rozmiarach (np.: z przedziału 0,01 0,05 μm.) lecz różniących się kształtem wykazują znacznie większe udziały objętościowe cząstek kulistych (40 %) niż płytkowych (28 %). W zawiesinach o wysokiej zawartości cząstek stałych przyciąganie cząstka-cząstka powoduje tworzenie aglomeratów. W pewnych przypadkach aglomeraty te mogą działać podobnie jak kuliste cząstki o efektywnie zwiększonym rozmiarze i powodować zmniejszenie
lepkości. W innych przypadkach, szczególnie dla bardzo wysokich zawartości cząstek stałych, aglomeraty będą działały raczej w kierunku wzrostu lepkości. Peptyzacja (rozproszenie, dyspergowanie, deaglomerowanie) i koagulacja (flokulacja, aglomerowanie) cząstek ceramicznych w cieczy są mocno zależne od potencjału elektrycznego powierzchni cząstki determinowanego przez zaadsorbowane na niej jony i od rozkładu jonów w cieczy sąsiadującej z cząstką, innymi słowy od charakteru elektrycznej warstwy podwójnej związanej z cząstką. Dlatego, chemiczna i elektronowa struktura ciała stałego, ph cieczy i obecność elektrolitów (soli) wprowadzonych świadomie w postaci upłynniaczy lub przypadkowo w postaci zanieczyszczeń są kluczowymi zagadnieniami dla przygotowania gęstwy do odlewania. Kontakt cząstek ceramicznych z wodą powoduje powstanie przy powierzchni elektrycznej warstwy podwójnej. Składa się na nią ładunek powierzchni cząstki oraz równoważny ładunek jonów cieczy zgromadzonych przy powierzchni cząstki. Bezpośrednio przylegające do powierzchni cząstki jony tworzą silnie z nią związaną warstwę. Jest to tzw. osłona wewnętrzna warstwy podwójnej (warstwa Sterna). Wyróżniamy w niej wewnętrzną płaszczyznę Helmholtza, która wyznacza środki ciężkości jonów zaadsorbowanych na powierzchni cząstki stałej. Do osłony wewnętrznej przylega zewnętrzna płaszczyzna Helmholtza, która wyznacza granicę osłony zewnętrznej warstwy podwójnej, jest graniczną odległością na jaką mogą zbliżyć się do powierzchni cząstki stałej zhydratyzowane jony roztworu Rys. 1. Powierzchnia fazy stałej wykazuje pewien potencjał ψ 0, również płaszczyznom Helmholtza można przypisać potencjały ψ β i ψ d. Ładunki elektryczne przypadające na jednostkę powierzchni cząstki fazy stałej, płaszczyzny wewnętrznej Helmholtza i osłony zewnętrznej wynoszą odpowiednio σ 0, σ β i σ d. Zachowanie elektroobojętności układu wymaga aby suma tych ładunków wynosiła zero. Rys. 1. Schemat warstwy podwójnej wokół ziaren fazy ceramicznej w zawiesinie. W osłonie zewnętrznej (warstwie dyfuzyjnej, warstwie Gouy a) jony są słabiej związane i wykazują tendencję do dyfuzji w kierunku roztworu. Warstwa dyfuzyjna jest znacznie grubsza od warstwy Sterna (rzędu kilku angstremów) i to ona decyduje o szerokości całej osłony elektrycznej.
W pewnej odległości od sztywnej warstwy Sterna w obszarze warstwy dyfuzyjnej występuje płaszczyzna ścinania, obszar w którym zaczyna się ruch cząsteczek wody względem powierzchni fazy stałej. Różnicę potencjałów występującą pomiędzy płaszczyzną ścinania i głębią roztworu nazywa się potencjałem elektrokinetycznym (ζ - zeta) wielkość tę można wyznaczyć na podstawie pomiarów ruchliwości cząstek koloidalnych w polu elektrycznym o natężeniu E, ze wzoru Smoluchowskiego: 4πVη ζ = gdzie V jest ruchliwością ziaren w polu elektrycznym, ε oznacza Eε względną przenikalność elektryczną ośrodka Potencjał ζ ma wpływ na wiele właściwości cząstek koloidalnych, decyduje o peptyzacji, koagulacji i innych właściwościach. Aby otrzymać gęstwę łatwo płynącą ( o niskiej lepkości) przy równocześnie jak największej zawartości fazy stałej, stosuje się kontrolę ph zawiesiny oraz dodatek upłynniaczy (deflokulantów). Rodzaj i ilość upłynniacza (oraz ph) optymalizowane są dla każdej gęstwy eksperymentalnie. 4. Tworzenie się czerepu Tworzenie się czerepu można rozpatrywać jako proces dyfuzji wody w formę bądź też jako proces filtracji przez ściankę formy. Przy założeniu przebiegu dyfuzyjnego, proces wchłaniania wody z gęstwy odbywa się na drodze zwilżania i ssania kapilarnych porów formy. Proces ten opisuje prawo Ficka: dx dt Δc = k D gdzie x oznacza grubość czerepu, D współczynnik dyfuzji, x t czas, Δc różnicę stężeń wody na granicy gęstwa-forma, k stałą układu Jedynie w początkowym okresie odlewania występuje bezpośredni kontakt gęstwa-forma. Z upływem czasu przy ścianie formy narasta warstwa czerepu (Rys. 2). Jeżeli potraktujemy przebieg tworzenia czerepu jako proces filtracji przez przepuszczalną formę porowatą szybkość tworzenia czerepu opisuje równanie Carmana (oparte na równaniu Kozeny ego): Rys. 2. Schemat tworzenia się czerepu.
x t 2 2Δp V = 5S η p ( c 1)( 1 V ) g 2 f p gdzie x oznacza grubość czerepu, Δp ciśnienie ssania formy, V f porowatość formy, V p porowatość czerepu, η lepkość cieczy, S p powierzchnię właściwą fazy stałej (ziaren w gęstwie), t czas, c g stężenie objętościowe fazy stałej w gęstwie Po przekształceniu otrzymujemy: dx = C 1 C = const. dt x a po scałkowaniu: x 2 = 2C t x = 2 C t x = A t A = const. A 2 tzw. wskaźnik nabierania czerepu 5. Kontrola procesu odlewania Poniższe cechy gęstwy i odlanego czerepu wymieniane są jako krytyczne w procesie odlewania z gęstw lejnych: stałość właściwości gęstwy odlewniczej niska lepkość zapewniająca wypełnienie wszystkich części formy zdolność upłynniania przy minimalnej ilości upłynniacza mała szybkość sedymentacji brak pęcherzyków powietrza odpowiednia szybkość i duża zdolność do tworzenia czerepu dobre właściwości filtracyjne skurcz suszenia gwarantujący otrzymanie wyrobów pozbawionych wad łatwość usuwania czerepu z formy duża wytrzymałość czerepu na surowo. Stałość właściwości odnosi się do odtwarzalności gęstwy odlewniczej i jej trwałości w czasie. Gęstwa musi być łatwo odtwarzalna i wskazane jest, aby nie była zbytnio czuła na nieznaczne zmiany zawartości cząstek stałych, składu chemicznego, ilości upłynniacza i czasu przechowywania. Lepkość musi być wystarczająco niska, aby umożliwiać całkowite zapełnienie formy, jednak zawartość cząstek stałych musi być wystarczająco duża, aby osiągnąć rozsądne szybkości odlewania. Zbyt wolne odlewanie może prowadzić do zmienności grubości i gęstości z powodu sedymentacji. Zbyt szybkie odlewanie może dawać zwężające się ścianki (dla odlewania wylewowego), utratę kontroli grubości lub blokowanie wąskich przejść w formie. Gęstwa musi być wolna od uwięzionego powietrza i reakcji chemicznych, które mogłyby prowadzić do wytwarzania pęcherzyków gazu podczas odlewania. Pęcherzyki powietrza obecne w gęstwie pozostają w czerepie po odlewaniu i mogą stanowić defekty
krytyczne w spieczonych tworzywach. Po zakończeniu odlewania, odlew schnie w formie. Towarzyszy temu skurcz, który ułatwia wyjęcie wyrobu z formy. Jeśli odlew przykleja się do formy, zazwyczaj ulega zniszczeniu podczas wyjmowania i musi być odrzucony. Wychodzenie odlewu z formy można ułatwić poprzez pokrycie ścian formy środkiem zapobiegającym przyklejaniu takim jak silikon lub olej z oliwek. Należy jednak pamiętać, że pokrywanie może wpływać na kinetykę tworzenia czerepu. Odlew musi mieć wytrzymałość na surowo na tyle dużą, aby można było nim bezpiecznie manipulować. Zazwyczaj do gęstwy dodaje się małe ilości lepiszcza (<1%) np.: alkoholu poliwinylowego. W obecności lepiszcza, osiąga się wytrzymałości porównywalne lub większe od wytrzymałości kredy tablicowej. Taka wytrzymałość umożliwia nawet, jeśli jest to potrzebne, obróbkę maszynową odlewu na surowo. 6. Przygotowanie formy Forma do odlewania gęstw lejnych musi mieć kontrolowaną porowatość, aby dzięki działaniu sił kapilarnych mogła skutecznie usuwać ciecz z gęstwy. Ze względu na niską cenę najpowszechniej wykorzystywanym materiałem jest gips. Formy gipsowe przygotowuje się przez napełnienie formy modelowej mieszaniną wody i sproszkowanego gipsu modelarskiego wykazującego w tych warunkach zjawisko wiązania. Formy wykonane w taki sposób doskonale odwzorowują kształt i gładkość powierzchni formy modelowej. Dla wyrobów o złożonych kształtach wykonuje się formy segmentowe. Gips modelarski powstaje w drodze odwodnienia dwuwodnego siarczanu wapnia zgodnie z reakcją: CaSO 4 2H 2 O gips 180 o C 2H2O + CaSO 4 1/2H 2 O gips modelarski (półwodzian) Opisana reakcja jest odwracalna, co oznacza, że dodanie wody do półwodzianu powoduje wytrącanie bardzo drobnych krystalitów gipsu w kształcie igieł, które przeplatając się tworzą formę gipsową. Do przebiegu tego procesu wystarcza 18 % wag. wody, jednak wykonanie formy wymaga użycia jej w większej ilości, aby zapewnić mieszaninie odpowiednią płynność. Ta dodatkowa woda pozostaje w strukturze po związaniu gipsu dając po wysuszeniu drobną porowatość kapilarną, dzięki której forma może wyciągać wodę z gęstwy lejnej. Ilość wytworzonych porów kontrolowana jest ilością nadmiarowej wody dodawanej podczas przygotowania formy. Zazwyczaj wprowadza się 70 80 % wag. wody. 7. Tiksotropia gęstw lejnych Terminem tiksotropia określa się takie procesy odwracalne, w których wskutek niszczenia wewnętrznej struktury układu, następuje izotermiczne zmniejszanie się tarcia wewnętrznego płynu wraz z upływem czasu ścinania (np. podczas jego mieszania), a w czasie
spoczynku mamy do czynienia z wyraźnym (dającym się zmierzyć w czasie) powrotem do pierwotnej konsystencji. Tiksotropią nie jest nieodwracalne zmniejszanie tarcia na skutek zjawisk powodujących rzeczywistą destrukcję cząstek (np. rozrywanie łańcuchów polimerowych). Generalnie tiksotropia nie sprzyja procesowi odlewania, zmniejsza bowiem stabilność właściwości odlewniczych gęstw. Z drugiej jednak strony tiksotropia przyspiesza powstawanie czerepu (tworzenie wyrobu), stąd np. gęstwy do odlewania cienkich folii zestawia się tak aby zjawisko tiksotropii było w nich wyraźne. 8. Odlewanie z gęstwy (ang. slip casting) W praktyce stosuje się następujące techniki odlewania (tzw. bezciśnieniowego): odlewanie jednostronne, zwane także wylewnym lub pustym (Rys. 3.) odlewanie pełne zwane rdzeniowym lub nalewnym odlewanie ze szpilkami i trzpieniami niechłonącymi wody włożonymi do formy Rys. 3. Schemat odlewania wylewowego. W formach do odlewania z gęstw można zrealizować nawet bardzo złożone kształty wyrobów (patrz Rys. 4). Wykonanie takiego elementu wymagało użycia wieloczęściowej formy składającej się z gipsowej ściany zewnętrznej, wewnętrznego gipsowego trzpienia, podstawowego gipsowego bloku konturowego i nienasiąkliwych szpilek do wykonania otworów. Rys. 4. Przykładowy wyrób - komora spalania turbiny gazowej wykonana z SiC metodą odlewania.
9. Odlewanie ciśnieniowe (ang. pressure casting) Ta metoda odlewania charakteryzuje się tym, że odciąganie wody nie odbywa się dzięki siłom kapilarnym (podciśnienia), lecz na zasadzie ciśnienia wywieranego zewnętrznie na masę lejną nadciśnienia. Uwalnianie odlewów z formy odbywa się poprzez zasilenie jej sprężonym powietrzem. Warianty technologiczne procesu obejmują: proces średniociśnieniowy do 0,5 MPa proces wysokociśnieniowy do 40 MPa W tym drugim przypadku istotnym parametrem staje się wytrzymałość formy nie można już stosować form gipsowych, ale porowate tworzywa sztuczne (metakrylan metylu). Metoda ta może poprawić szybkość tworzenia czerepu, polepszyć zagęszczenia i jego jednorodność, obniżyć skurcz suszenia (mniejsza ilość wody w odlewie), poprawić jakość powierzchni odlewu. Szczególnie przydatne jest odlewanie wysokociśnieniowe w produkcji wyrobów o stosunkowo dużych rozmiarach, np. porcelany sanitarnej. Współcześnie większość tego typu produktów jest już wytwarzana w zautomatyzowanym procesie odlewania wysokociśnieniowego. 10. Odlewanie folii (ang. tape casting, doctor-blade process) Technika stosowana jest do wytwarzania cienkich, elastycznych, wielkopowierzchniowych elementów ceramicznych. Przygotowana masa lejna jest nalewana na stalową taśmę nośną lub na usytuowaną nad nią ruchomą folię z tworzywa sztucznego (Rys. 5). Grubość odlewanej folii regulowana jest przez ustawienie listwy ostrzowej, prędkość taśmy oraz skurczu suszenia i spiekania. Typowe wartości to 0,1 1 mm przy szerokości nawet 1 m. Grubość jest kontrolowana ręcznie lub elektronicznie.
Rys. 5. Urządzenie do odlewania folii: u góry ogólny schemat urządzenia, u dołu układ dwu ostrzy do regulowania grubości folii. Zastosowanie układu dwu ostrzy (patrz rysunek) zapewnia dokładniejszą kontrole sił hydrodynamicznych i napięcia powierzchniowego podczas przemieszczania się pod nimi gęstwy ceramicznej, która przesuwa się w kierunku suszarki tunelowej. Opuszczając ją folia jest na tyle sucha, że może zostać poddana dalszym zabiegom kształtującym lub po prostu zwinięta w rolkę. Ponieważ folie można tłoczyć, wykrawać, przecinać, nanosić na nią warstwy - metoda ta służy głównie do produkcji elementów elektronicznych, ale także elementów uszczelniających czy różnego rodzaju mikrokonstrukcji ceramicznych. 11. Odlewanie odśrodkowe (ang. centrifugal casting) Metoda opiera się na sedymentacji koloidalnych cząstek proszku ceramicznego pod działaniem przyspieszenia odśrodkowego. Siła oddziałuje jednakowo na każdy element objętościowy i powoduje jednorodne zagęszczanie w całej objętości wytwarzanej części. Rys. 6. Schematyczne przedstawienie zasady odlewania odśrodkowego.
Zaletą metody jest poprawa zagęszczenia i jednorodności formowanego wyrobu przekłada się to na ułatwienie spiekania, zmniejszenie skurczu i ograniczenie rozmiaru defektów w gotowym wyrobie (co ma wpływ na jego wytrzymałość). Przykładowo drobnoziarniste Al 2 O 3 można w ten sposób zagęścić przy formowaniu do 68 % gęstości teoretycznej (prasowanie izostatyczne tego proszku daje gęstości do 59 %), skurcz spiekania maleje do 12 % (z 17 %), a wielkość defektów nie przekracza 20 30 mikrometrów (z 90 120). Daje to wzrost wytrzymałosci na zginanie tworzywa do 540 MPa (z 340 MPa) i modułu Weibulla do m = 23,9 (z 7,5). Ograniczenia metody są związane z możliwością segregacji cząstek podczas odwirowywania, długością czasu odlewania, znacznymi kosztami wytwarzania form i robocizny. 12. Odlewanie żelowe (ang. gel casting) Jedna z nowszych i rozwijających się technik formowania. Polega na przeprowadzaniu w formie polimeryzacji, która zapewnia makromolekularne usieciowanie utrzymujące sztywno względem siebie cząstki ceramiczne. Schemat technologii produkcji elementów ceramicznych z zastosowaniem odlewania żelowego Proszek ceramiczny Organiczne środki wiążące Środek dyspergujący, woda Zawiesina Katalizator, środek inicjujący Odlewanie Żelowanie Usunięcie formy Suszenie Usunięcie środków wiążących Spiekanie Obróbka końcowa
Formy odlewnicze mogą być wykonane ze szkła, metali lub tworzyw sztucznych, a nawet wosku. Po napełnieniu formy proces żelowania trwa ok. 5 60 minut. Koncentracja lepiszcza jest mała (ok. 4 %), lepkość i wytrzymałość żelu można kontrolować koncentracją monomeru, a czas odlewania zawiesiny ilością środka inicjującego i katalizatora oraz temperaturą procesu. Stosowane monomery są często toksyczne i wymagają zachowania szczególnej ostrożności. Przed spiekaniem konieczny jest etap usunięcia lepiszcza polimerowego (w temp. ok. 520 C. Technika ta pozwala formować wyroby o relatywnie dużym zagęszczeniu i nieomal dowolnym kształcie, w stosunkowo krótkim czasie (w porównaniu z odlewaniem z gęstwy czy formowaniem wtryskowym) 13. Odlewanie wspomagane elektroforetycznie (ang. electrophoretic casting, electrophoretic deposition) Elektroforeza to zjawisko elektrokinetyczne polegające na ruchu jednoimiennie naładowanych cząstek fazy rozproszonej układu koliodalnego, znajdujących się w polu elektrycznym, względem fazy rozpraszającej. Efekt ten może być wykorzystany do przyspieszenia tworzenia czerepu, dzięki temu, że pod wpływem przyłożonego napięcia prądu stałego występuje wędrówka ujemnie naładowanych cząsteczek mineralnych do anody i ich osadzanie w postaci warstwy. Metoda rzadko stosowana, sprawia trudności w opanowaniu geometrii pola elektrycznego. Występują kłopoty z korozją elektrod i pojawianie się pęcherzyków gazu w wyniku elektrolizy. Duże grubości czerepu mogą mieć spory gradient wilgotności (wysychanie od strony anody). Stosuje się połączenie odlewania ciśnieniowego z elektroforezą, co daje poprawę szybkości tworzenia się czerepu i pozwala na produktywne wykorzystanie metody. Rys. 7. Zasada elektroforetycznego odlewania ciśnieniowego.
WYKONANIE ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest przygotowanie gęstwy lejnej oraz określenie jej właściwości, a zbadanie kinetyki formowania się czerepu z przygotowanej gęstwy. 1. Przygotowanie gęstwy lejnej z 200g proszku porcelany elektrotechnicznej (oznaczonego jako masa 110 lub 130). Ilość wody i upłynniacza określa prowadzący. Wstępnie należy rozdrobnić porcję proszku w moździerzu, przesiać przez sito, a następnie przystąpić do sporządzania gęstwy. 2. Oznaczenie wskaźnika lepkości i wskaźnika tiksotropii za pomocą wiskozymetru wypływowego. Rys. 8. Schemat wiskozymetru wypływowego (z zatyczką). Wiskozymetry (lepkościomierze) wypływowe używane na ćwiczeniach (Rys. 8) pozwalają wyznaczyć tzw. wskaźnik lepkości będący w istocie miarą płynności (czyli odwrotności lepkości) w odniesieniu do płynności wody. Do oznaczenia należy przystąpić bezpośrednio po sporządzeniu gęstwy. Oznaczenie wykonuje się wlewając gęstwę (po zmierzeniu jej temperatury) do zatkanego zatyczką lepkościomierza umieszczonego na statywie. pod otworem wypływowym należy ustawić cylinder pomiarowy. Wyjąć zatyczkę, jednocześnie uruchomić stoper. Zmierzyć czas wypływu 100 ml gęstwy. Następnie wykonać dwa kolejne pomiary, przed każdym mieszając gęstwę. Ocenę stopnia zgęstnienia wykonujemy wyznaczając wskaźnik tiksotropii. W tym celu umieszczamy gęstwę na 5 minut w cylindrze pomiarowym, a następnie mierzymy czas wypływu 100 ml gęstwy. Wykonać trzy pomiary czasu wypływu 100 ml wody. 3. Oznaczenie gęstości pozornej gęstwy metodą piknometryczną. Do wyznaczenia gęstości pozornej gęstwy użyć należy piknometru o objętości nie mniejszej niż 25 ml. Należy najpierw zważyć pusty, wysuszony piknometr, a potem piknometr napełniony wodą. Ostatnim ważeniem jest oznaczenie masy piknometru wypełnionego gęstwą lejną. Ważyć z dokładnością do 0,1 g. 4. Zbadanie szybkości formowania się czerepu podczas odlewania w formach gipsowych. Szybkość formowania się czerepu bada się mierząc grubość ścianki tygielków odlanych z przyrządzonej gęstwy. Należy wykonać 5 tygielków, przetrzymując każdy z nich w formie przez czas podany przez prowadzącego. Po upływie tego czasu należy wylać nadmiar gęstwy z formy, odczekać, aż tygielek wyschnie na tyle, aby można go było wyjąć z formy. Same
tygielki należy wysuszyć w temperaturze 110ºC, a następnie zmierzyć grubość ścianek każdego w trzech miejscach (w połowie wysokości, z wyłączeniem obszaru, w którym wylewany był nadmiar gęstwy) za pomocą śruby mikrometrycznej. Przedstawienie wyników: 1. Należy dokładnie przedstawić sposób sporządzenia gęstwy. Podać zawartość procentową upłynniacza (w stosunku do masy proszku) oraz udziały wagowe proszku i wody w gęstwie 2. Wskaźnik lepkości wyznaczyć jako tzw. lepkość względną w skali Engela W η wg wzoru: W η = t 1 /t 2, gdzie t 1 oznacza czas wypływu 100 ml gęstwy [s], a t 2 średni czas wypływu 100 ml wody [s]. Wskaźnik tiksotropii V t wyznaczyć jako: V t = W η5 W η, gdzie W η5 - wskaźnik lepkości oznaczony z wypływu gęstwy po czasie 5 minut, W η - średni wyznaczony wskaźnik lepkości. 3. Obliczenie teoretycznej gęstości pozornej d teo wykonanej gęstwy. Należy w tym celu wykorzystać znajomość gęstości rzeczywistej składników d ; masa 110 2,67 g/cm 3 ; masa 130 2,98 g/cm 3 ; woda 1,00 g/cm 3 i ich stosunek objętościowy: d teo = V pr d pr + V H2O d H2O, gdzie V pr, V H2O odpowiedni udziały objętościowe wody i proszku, d pr, d H2O odpowiednio gęstości rzeczywiste proszku i wody. Obliczenie gęstości piknometrycznej wykonanej gęstwy d pik. Od masy piknometru z wodą m H2O odjąć masę pustego piknometru m p. W ten sposób uzyskujemy masę wody w pełnym piknometrze, a wiedząc, że jej gęstość wynosi 1,00 g/cm 3, wyznaczamy V p objętość piknometru w cm 3. Odejmując masę m p od masy piknometru z gęstwą m g wyznaczamy masę gęstwy zamkniętą w objętości - M g. d pik = M g /V p Należy porównać wartości d teo i d pik. Jeśli wielkości te się różnią należy obliczyć rzeczywiste udziały objętościowe proszku i wody w gęstwie - V pr-r i V H2O-r. Ponadto, jeśli d teo > d pik zakładając, że obniżenie gęstości jest spowodowane zapowietrzeniem gęstwy, należy obliczyć porowatość która spowodowałby wyznaczone różnice gęstości. Obliczenie to należy wykonać zakładając, że gęstwa składa się z trzech składników (dodatkowo powietrze o zerowej gęstości). 4. Wyznaczyć średnie wartości grubości ścianki D odlanych tygli i sporządzić wykres D = f( t ). (t w minutach). Skomentować otrzymany wykres. Uwaga: Wszystkim wynikom obliczeń będącym efektem uśrednienia kilku pomiarów musi zawsze towarzyszyć podanie oszacowania błędu wyznaczenia tejże wartości średniej (może to być odchylenie standardowe, przedział ufności, lub inny estymator wybrany przez wykonującego ćwiczenie).
Literatura pomocnicza: 1. R. Pampuch, Współczesne materiały ceramiczne, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Dydaktyczne AGH, Kraków, 2005. 2. R. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek, Nauka o procesach ceramicznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992. 3. K. E. Oczoś, Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 1996.