ریخته گری دوغابی

نزدیک 150 سال است که تکنیک شکل دهی قطعات سرامیکی از طریق ریختن دوغاب در یک قالب متخلخل انجام میشود.

در ابتدا هنوز نقش روان کنندگی املاح سدیم مشخص نشده بود و لذا دوغابهایی که مورد استفاده قرار می گرفتند نزدیک 40 تا 60 درصد آب داشتند. در اوایل قرن نوزدهم استفاده از کربنات سدیم به منظور ساخت دوغابی با حداقل آب مورد توجه قرارگرفت.با کاهش میزان آب در دوغاب ریخته گری:معایبی از قبیل انقباض زیاد قطعات:ترکهای ناشی از فرایند خشک شدن و زمان زیاد برای تولید قطعه از بین خواهد رفت.

ریخته گری دوغابی اساسا" به دو روش انجام میشود:

1. ریخته گری باز
2. ریخته گری بسته

در روش ریخته گری باز که ضمنا" رایج ترین روش ریخته گری نیز هست : سوسپانسیون غلیظ به خوبی روان شده و داخل یک قالب گچی ریخته شده و شکل مورد نظر را به خود میگیرد.به دلیل جذب آب قالب گچی یک لایه تقریبا" متراکم از دوغاب مورد نظرتشکیل شده و مابقی دوغاب اضافی از قالب خارج میگردد و قطعه خام به دلیل انقباض جزیی که در آن به وجود می آید از قالب خارج میشود.

در روش ریخته گری بسته:دوغاب آنقدر در داخل قالب گچی میماند تا تمام قسمت های داخلی آن اصطلاحا" ((میبندد)) و قطعه ای توپر به وجود می آید.

عمده ترین امتیاز روش ریخته گری دوغابی نسبت به سایر روش های دیگر امکان شکل دهی قطعات بزرگ و پیچیده است در حالیکه شکل دهی چنین قطعاتی با روش های دیگر تولید تقریبا" غیر ممکن است.

اما معایب روش ریخته گری مجموعا" بیشتر از مزایای آن است.از جمله معایب آن میتوان به زمان زیاد برای تولید:کیفیت کم در قطعه تولید شده: تلرانس ابعادی زیاد در قطعه تولید شده و ... را نام برد.

در گام اول از توضیحات بالا میتوان فهمید که عوامل مختلفی در شکل گیری لایه ریخته گری شده نقش دارند.عواملی چون : دانسیته دوغاب، میزان آب موجود در دوغاب، میزان تخلخل در قالب گچی، زمان، فشار سیستم، آنالیز بدنه، دانه بندی دوغاب و ... ؛ حتی عوامل جزیی دیگری نظیر دمای سیستم، میزان رطوبت در قالب گچی، توزیع تخلخل در قالب گچی و... نیز در ضخامت لایه ریخته گری شده موثر هستند.

برای فهم اساسی شکل گیری یک دوغاب سرامیکی ابتدا باید به تعامل بین ذرات رسی و آب اشاره کرد.به عبارت دیگر ابتا باید سیستم رس-آب مورد بررسی قرار گیرد.

ذرات رسی به هنگام معلق شدن در آب ممکن است دو رفتار کاملا" متمایز از خود نشان دهند. با توجه به بار الکترو استاتیکی سطحشان: رس ها یا جذب یکدیگر شده و یا یکدیگر را دفع میکنند.

به بیان واضح تر ذرات رس در محیط اسیدی یکدیگر را به صورت لبه به سطح جذب کرده که اصطلاحا" حالت ((فلکولاسیون)) در دوغاب به وجود می آید. یا اینکه در محیط قلیایی به صورت سطح به سطح یکدیگر را دفع میکنند و اصطلاحا"حالت ((دفلکولاسیون)) به وجود می آورند.

در حالت فلکوله جاذبه لبه به سطح در ذرات باعث بالا رفتن ویسکوزیته دوغاب میشود و در حالت دفلکوله دافعه سطح به سطح ذرات باعث کاهش ویسکوزیته و روانی دوغاب رسی می شود.

تئوری لایه مضاعف و پتانسیل زتا

طبق این تئوری سطح رس از دو لایه بار دار تشکیل شده است.لایه داخلی دارای بار منفی بوده لایه خارجی بار مثبت دارد. بارهای منفی لایه داخلی همان بارهای خنثی نشده سطح رس هستند. بارهای مثبت لایه خارجی ناشی از کاتیون هایی است که سطح رس جذب می کند. در حالت معلق شدن ذرات رسی در آب: ملکول های قطبی آب نیز توسط لایه داخلی جذب می شوند.

باید توجه داشت که ملکول های قطبی آب به صورت منظم جذب سطح رس می شوند یعنی سر مثبت آنها در طرف لایه داخلی بوده و سر منفی آنها به سمت خارج است.

در فاصله x از سطح رس، میزان بار منفی سطح، توسط بارهای مثبت خنثی می شود.میزان بار الکتریکی در مرز x با عنوان جنبش الکتریکی یا همان ((پتانسیل زتا)) معرفی می شود.

میزان پتانسیل زتا عملا" مشخص کننده روانی یا انعقاد دوغاب است.روانی یا انعقاد دوغاب نیز تاثیر مستقیم بر ضخامت لایه ریخته گری شده دارد.

در همینجا اهمیت میزان آب موجود در دوغاب و دانسیته دوغاب در ضخامت لایه ریخته گری شده مشخص میشود.

قالب گچی

قالب گچی به عنوان یکی از عوامل مهم درضخامت لایه ریخته گری شده میباشد. میزان تخلخل قالب گچی، توزیع این تخلخل، قطر تخلخل های موجود و حتی میزان رطوبت قالب گچی تاثیر مهمی در ضخامت لایه ریخته گری شده دارند.

در شکل زیر رابطه بین سرعت ریخته گری(نسبت ضخامت لایه ریخته گری شده به زمان) و نسبت میزان آب به گچ(میزان تخلخل قالب گچی) دیده می شود.میتوان دید که در نسبت های حدود 80% درصد، بهترین سرعت ریخته گری حاصل میشود.علت افت شدید سرعت ریخته گری درتخلخل های بالاتر مربوط به پیوستن تخلخل ها به هم و بزرگ شدن قطر آنها می شود.با بزرگ شدن قطر تخلخل ها پدیده اسمز و جذب آب قالب گچی کاهش می یابد.

میزان رطوبت قالب گچی به عنوان لایه مقاومت کننده ای در مقابل جذب آب مطرح است.همچنین باید به میزان مقاومت خود ضخامت x نیز در مقابل جذب آب توجه شود.

مکانیزم های ریخته گری دوغابی

در ریخته گری دوغابی نیروی فشاری پیش برنده فرآیند مجموع میزان فشار کاپیلاری هایی که بخاطر فشار مکش قالب و یا هر گونه فشار اضافی که به سیستم وارد میشود و یا خلاء که به قالب اعمال می شود می باشد. اندازه فشار کاپیلاریها از طریق اندازه گیری میزان اندازه تخلخلهای داخل قالب، میزان نیروی کششی سطح مایع پخش شده و زاویه تماس با تخلخلهای جداره می باشد. گزارش شده است که قالبهای گچ پاریس فشار مکشش در حدود 0.1-0.2 MPa می باشد. در عین حال، مقاومتی بخاطر حرکت مایع جذب شده در طول ساختمان تخلخل در حین تشکیل جداره ریخته گری ایجاد می شود. شکل زیر بطور شماتیک نشان دهنده این موقعیتها است.

برای آنالیزه کردن سینتیک ریخته گری دوغابی محققین زیادی مطالعه کرده اند. آقای Mcdowall و همکارانش از اثر قالب گچی و مقدار کنترل آن بروی فشار مکشش صرفنظر کردند و محاسبه کردند که فشاری که بر شکل گیری لایه ریخته گری شده وارد می شود برابر با فشار مکش می باشد. از طرف دیگر دیگر دانشمندان فشار اعمال شده قالب تر را وارد فرمول کردند.

Lm میزان عمق ترشده قالب، Lc هم متناسب با میزان مایعی است که توسط قالب جذب شده است و هم میزان سینتیک پرابولیک ایجاد شده می باشد. بنابراین محاسبه اینکه مقدار تخلخل قالب نزدیک لایه ریخته گری شده بطور اشباع از مایع پر شده است برابر خواهدبود با:

بطوریکه PT-Pl افت فشار در حین انجام فرآیند و Pl-P0 افت فشار در قسمت تر شده قالب گچی است ، و Xm مقاومت مخصوص تخلخلهای قالب ε0 می باشد. مقدار فشار مکش قالب برابر با PT-P0 است. بنابراین خواهیم داشت.

از طرف دیگری در بعضی از منابع آمده است که :

فشار در مرز قالب گچی تقریبا برابر با فشار مکش تخلخل، P، است و تقریبا برابر است با مقدار فشار از رابطه ، است و تقریبا برابر است با مقدار فشار از رابطه Laplac که :

P=Sσcosγ

که در آن S طیح ویژه گچ، σ کشش سطحی آب و γ زاویه تماس است. ( cosγ=1 چراکه گچ کاملا با آب تر می شود) بنابراین فشار مکشش آب در کاپیلار گچ بین 0.03 تا 0.1MPa متغییر می باشد.

ریخته گری دوغابی بیشتر در تولید لایه های نازک در حدود 15mm مورد استفاده می شود چرا که سرعت ریخته گری بطور تحمیل شونده‌ای تابع مقاومت هیدرولیک می باشد.

تاثیر پرامترهای فرایند ریخته گری دوغابی بروی سرعت ریخته گری از طریق یک مدل فیلتراسیون سینتیکی که بر پایه شکل شماتیک زیر می باشد مشخص شد.

مدل پیش بینی می کند که سرعت افزایش ضخامت با گذشت زمان برابر خواهد بود بود با:

که در آن :

mc ξ ضخامت لایه ریخته گری، t زمان ، P فشار نهایی موثر در فیلتراسیون و sξ چگونگی فصل مشترک سوسپانسیون-هوا در زمان فیلتراسیون ξm چگونگی فصل مشترک کیک-هوا در قالب گچی و η ویسکوزیته سوسپانسیون، c کسر حجمی ذرات جامد سوسپانسیون و n فاکتور توازن جرمی است.

www.fe-c.blagfa.com