Рис. 3.5.3 Диаграмма С.П. Нечипоренко.

С той же целью используют критерии, характеризующие соот­ношения между различными видами деформации: суммарный мо­дуль деформации Em=E1Е2/(Е1+Е2); эластичность λ=E1/(E1+E2); период релаксации θ=η0*/(E1+E2); пластичность по Воларовичу Пл=РК1/η0*.

Другим показателем формовочных свойств масс является соотно­шение между внешним и внутренним трением. Считают, что формова­ние возможно, если внутреннее трение массы (когезия) больше, чем трение о формующий орган машины (аутогезия). Для оценки формо­вочных свойств используют коэффициенты внутреннего трения и сцеп­ления массы. Из уравнения Кулона-Мора (3.37) следует, что сопротив­лением массы σПР сдвигу а определяется коэффициентом внутреннего трения f, сцеплением С и действующим сжимающим напряжением σ:

σПР= σf + С. (3.5.2)

Основные свойства пластичной формовочной массы зависят от минерального состава, формы и размеров частиц твердой фазы, вида и количества временной технологической связки, интенсивности образования гидратных слоев на поверхностях частиц. С увеличением содержания жидкой фазы коэффициент внутреннего трения растет, проходя через максимум. Другие показатели уменьшаются монотонно, но с разной интенсивностью. Это позволяет для каждой массы выбрать оптимальное значение формовочной влажности. Лучшие формовочные свойства имеет масса с максимально развитыми слоями физически связанной воды при минимальном содержании свободной воды в системе.

Возрастание дисперсности твердой фазы увеличивает количество контактов между частицами в единице объема и прочность. Одновременно растут оптимальная формовочная влажность, предел текучести, вязкость, модули деформации, коэффициент внутреннего трения и связность массы, повышается пластичность.

Чрезмерное повышение дисперсности увели­чивает усадки в сушке и обжиге, поэтому опти­мальный зерновой состав должен обеспечивать со­здание каркаса из сравни­тельно крупных зерен для повышения предела теку­чести и уменьшения уса­док. Введение электроли­тов снижает формовочную влажность.

Пластическое формование осуществляют тремя способами:

выдавливанием, допрессовкой и раскаткой. Во всех случаях меха­нические напряжения не превышают 1—30 МПа, масса содержит 30—60% жидкости по объему. Заготовка сохраняет форму благо­даря наличию предела текучести.

Важнейшей задачей при пластическом формовании является подбор оптимальной формовочной влажности. Для оценки формовочной влажности WФ по П.А. Ребиндеру используют зависимость пластической прочности структуры Рm, от влажности Wабc (рис. 3.5.4).

Рис. 3.5.4 Влияние влажности на основные параметры пластичной массы: f – коэффициент внутреннего трения; Е1 и Е2 – модули быстрой и замедленной обратимой деформации; С – сцепление; η – вязкость.

Пластической прочностью называют механическое на­пряжение, которое способна выдерживать масса без нарушения сплошности. Считают, что формовочной влажности соответствует точка перехода зависимости Рm - влажность от прямолинейного участка. В заводской практике формования на вакуумных прессах ведут обычно при влажности на 1—3% меньше.

Чем сложнее форма изделия, тем при более высокой влажнос­ти проводят формование. Для его облегчения иногда в массы до­бавляют высокопластичные монтмориллонитовые глины.

Выдавливание является окончательной операцией формова­ния изделий грубой строительной керамики (кирпич, канализаци­онные трубы) и промежуточным этапом переработки пластичной тонкокерамической массы перед раскаткой и допрессовкой. Вы­давливание может быть горизонтальным и вертикальным. Его осуществляют на шнековых вакуумных прессах, реже исполь­зуют поршневые прессы. В шнековом прессе при движении массы возникает сложное объемно-напряженное состояние. Лопасти шнека сообщают массе поступательное и вращательное движение, а стенки корпуса прес­са замедляют перемещение массы в прилегающим к ним слоям. По мере продвижения массы к головке пресса ее вращение замедля­ется, но периферийные слои движутся с большей скоростью. Окончательно уплотняет массу последний виток шнека. Он выжи­мает массу из цилиндра в головку пресса с различными по сечению скоростями, сообщая ей частичное вращение.

Рис. 3.5.5 Распределение скоростей течения пластической (а) и тощей (б) масс в головке шнекового пресса.

Шнековые (ленточные) вакуумные прессы имеют высокую производительность и являются агрегатами непрерывного дейст­вия, однако требуют «мягких» масс. В заготовке могут возникать дефекты, связанные с неравномерным движением массы.

Под действием бокового давления линейная скорость массы у стенки меньше, а окружная выше, чем в центре. В массе образуют­ся два параболоидальных потока, скорости которых в мундштуке постепенно выравниваются. Более пластичные массы характери­зуются большим градиентом скоростей по сравнению с жесткими (рис. 3.5.5). Для снижения неравномерности течения используют шнеки с переменным шагом винта и двухзаходной выпорной лопа­стью. Крупнозернистые включения снижают склонность массы к расслаиванию.

Выдавливание сопровождается образованием анизотропной структуры масс, так как пластинчатые частицы глины ориентиру­ются своей тонкой гранью в направлении максимальной скорости течения. Анизотропия проявляется в неравномерной усадке и раз­личной прочности образцов в разных направлениях.

При неблагоприятных условиях возможно появ­ление дефектов. S-образные трещины образуются при нарушении сплошности массы из-за разной про­дольной и окружной скоро­сти ее течения. Уменьшение скорости течения в углах или на поверхности кернов для слабосвязанных масс приводит к образованию «драконова зуба» и «малых надрезов».

Дефекты устраняют подбором размеров головки пресса и мунд­штука (отношение длины к диаметру должно быть не менее 4, увели­чиваясь для сильно пластичных и жестких масс), конусности мунд­штука, смазкой головки и мундштука. Эффективно применение виб­рирующих головок или вставок и ультразвуковое разжижение масс.

Сушка.

Процесс сушки керамических изделий представляет собой пре­вращение содержащейся в них воды из жидкого состояния в па­рообразное и последующее удаление ее в окружающую среду. При этом необходимым условием сушки является наличие внеш­него источника тепла, нагревающего изделия. Наиболее ответственной является сушка высоковлажного полуфабриката изделий хозяйст­венной и строительной керамики, изготовленного пластическим формованием.

Находящаяся в керамических массах и изделиях вода делит­ся на физическую и химически связанную.

Физической называется та часть воды материала, которая не входит ни в какие соединения с ним. Физическая вода нахо­дится в изделии в жидком или парообразном состоянии и может быть удалена полностью при нагреве материала до 100—110°С. При этом керамическая масса становится непластичной, но с до­бавлением воды пластические свойства массы восстанавлива­ются.