Devet procesa preciznog oblikovanja cirkonijumske keramike

Devet procesa preciznog oblikovanja cirkonijumske keramike
Proces oblikovanja igra povezujuću ulogu u cijelom procesu pripreme keramičkih materijala i ključan je za osiguranje pouzdanosti performansi i ponovljivosti proizvodnje keramičkih materijala i komponenti.
Razvojem društva, tradicionalne metode ručnog mijesenja, oblikovanja na kotačima, fugiranja itd. tradicionalne keramike više ne mogu zadovoljiti potrebe modernog društva za proizvodnjom i usavršavanjem, pa je nastao novi proces oblikovanja. Fini keramički materijali ZrO2 se široko koriste u sljedećih 9 vrsta procesa oblikovanja (2 vrste suhih metoda i 7 vrsta mokrih metoda):

1. Suho oblikovanje

1.1 Suho presovanje

Suho presovanje koristi pritisak za presovanje keramičkog praha u određeni oblik tijela. Njegova suština je da se pod djelovanjem vanjske sile čestice praha približavaju jedna drugoj u kalupu i čvrsto se spajaju unutrašnjim trenjem kako bi zadržale određeni oblik. Glavni nedostatak kod suho presovanih zelenih tijela je ljuštenje, koje nastaje zbog unutrašnjeg trenja između prahova i trenja između prahova i stijenke kalupa, što rezultira gubitkom pritiska unutar tijela.

Prednosti suhog presovanja su tačna veličina zelenog tijela, jednostavan rad i praktičnost mehanizacije; sadržaj vlage i veziva u zelenom suhom presovanju je manji, a skupljanje prilikom sušenja i pečenja je malo. Uglavnom se koristi za oblikovanje proizvoda jednostavnih oblika, a odnos stranica je mali. Nedostatak suhog presovanja su povećani troškovi proizvodnje uzrokovani habanjem kalupa.

1.2 Izostatsko presovanje

Izostatičko presovanje je posebna metoda oblikovanja razvijena na osnovu tradicionalnog suhog presovanja. Koristi pritisak prenosa fluida kako bi se ravnomjerno primijenio pritisak na prah unutar elastičnog kalupa iz svih smjerova. Zbog konzistentnosti unutrašnjeg pritiska fluida, prah podnosi isti pritisak u svim smjerovima, tako da se može izbjeći razlika u gustoći sirovog tijela.

Izostatičko presovanje se dijeli na izostatičko presovanje u mokrim vrećama i izostatičko presovanje u suhim vrećama. Izostatičko presovanje u mokrim vrećama može oblikovati proizvode složenih oblika, ali može raditi samo povremeno. Izostatičko presovanje u suhim vrećama može ostvariti automatski kontinuirani rad, ali može oblikovati samo proizvode jednostavnih oblika kao što su kvadratni, okrugli i cjevasti poprečni presjeci. Izostatičko presovanje može dobiti ujednačen i gust svježi materijal, sa malim skupljanjem prilikom pečenja i ujednačenim skupljanjem u svim smjerovima, ali oprema je složena i skupa, a efikasnost proizvodnje nije visoka i pogodna je samo za proizvodnju materijala sa posebnim zahtjevima.

2. Mokro oblikovanje

2.1 Fugiranje
Proces oblikovanja fugiranjem sličan je lijevanju trakom, s tom razlikom što proces oblikovanja uključuje proces fizičke dehidracije i proces hemijske koagulacije. Fizička dehidracija uklanja vodu iz suspenzije kapilarnim djelovanjem poroznog gipsanog kalupa. Ca2+ koji nastaje otapanjem površinskog CaSO4 povećava ionsku jačinu suspenzije, što rezultira flokulacijom suspenzije.
Pod djelovanjem fizičke dehidracije i hemijske koagulacije, čestice keramičkog praha se talože na zidu gipsanog kalupa. Fugiranje je pogodno za pripremu velikih keramičkih dijelova složenih oblika, ali kvalitet sirovog tijela, uključujući oblik, gustoću, čvrstoću itd., je loš, intenzitet rada radnika je visok i nije pogodno za automatizirane operacije.

2.2 Vruće livenje pod pritiskom
Livenje pod vrućim kalupom je miješanje keramičkog praha s vezivom (parafinom) na relativno visokoj temperaturi (60~100℃) kako bi se dobila suspenzija za livenje pod vrućim kalupom. Suspenzija se ubrizgava u metalni kalup pod djelovanjem komprimiranog zraka i pritisak se održava. Hlađenje, vađenje iz kalupa kako bi se dobio voštani blank, voštani blank se deparafinira pod zaštitom inertnog praha kako bi se dobio zeleni materijal, a zeleni materijal se sinterira na visokoj temperaturi da bi se dobio porculan.

Zeleni dio formiran livenjem pod vrućim kalupom ima precizne dimenzije, ujednačenu unutrašnju strukturu, manje habanje kalupa i visoku efikasnost proizvodnje, te je pogodan za različite sirovine. Temperatura voštane suspenzije i kalupa mora biti strogo kontrolisana, u suprotnom će doći do podbrizgavanja ili deformacije, tako da nije pogodan za proizvodnju velikih dijelova, a dvostepeni proces pečenja je komplikovan i potrošnja energije je velika.

2.3 Livenje trake
Livenje trakom podrazumijeva potpuno miješanje keramičkog praha s velikom količinom organskih veziva, plastifikatora, disperzanata itd. kako bi se dobila tečna viskozna suspenzija, dodavanje suspenzije u lijevak mašine za livenje i korištenje strugača za kontrolu debljine. Izlazi na transportnu traku kroz mlaznicu za punjenje, a nakon sušenja se dobija film.

Ovaj proces je pogodan za pripremu filmskih materijala. Da bi se postigla bolja fleksibilnost, dodaje se velika količina organske materije, a parametri procesa moraju biti strogo kontrolisani, u suprotnom će lako izazvati nedostatke poput ljuštenja, pruga, niske čvrstoće filma ili teškog ljuštenja. Korištena organska materija je otrovna i uzrokovat će zagađenje okoliša, te bi trebalo koristiti netoksičan ili manje toksičan sistem koliko god je to moguće kako bi se smanjilo zagađenje okoliša.

2.4 Gipsanje gela
Tehnologija gel injekcijskog prešanja je novi koloidni proces brzog prototipiranje koji su prvi put izumili istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge početkom 1990-ih. U njegovoj srži je upotreba organskih monomernih rastvora koji polimeriziraju u visokočvrste, bočno povezane polimer-rastvaračke gelove.

Suspenzija keramičkog praha rastvorenog u rastvoru organskih monomera se izlijeva u kalup, a smjesa monomera polimerizuje i formira gelirani dio. Budući da bočno povezani polimer-rastarač sadrži samo 10%-20% (maseni udio) polimera, rastvarač je lako ukloniti iz geliranog dijela sušenjem. Istovremeno, zbog bočne veze polimera, polimeri ne mogu migrirati sa rastvaračem tokom procesa sušenja.

Ova metoda se može koristiti za proizvodnju jednofaznih i kompozitnih keramičkih dijelova, koji mogu formirati keramičke dijelove složenog oblika, kvazi-mrežaste veličine, a njihova sirova čvrstoća je visoka i do 20-30 MPa ili više, što ih čini podložnim ponovnoj obradi. Glavni problem ove metode je što je stopa skupljanja tijela embriona relativno visoka tokom procesa zgušnjavanja, što lako dovodi do deformacije tijela embriona; neki organski monomeri imaju inhibiciju kisika, što uzrokuje ljuštenje i otpadanje površine; zbog procesa polimerizacije organskih monomera izazvanog temperaturom, uzrokovano temperaturnim skupljanjem dolazi do postojanja unutrašnjeg napona, što uzrokuje lomljenje komada i tako dalje.

2.5 Direktno očvršćavanje brizganjem
Direktno očvršćavanje ubrizgavanjem je tehnologija oblikovanja koju je razvio ETH Zurich: voda, keramički prah i organski aditivi se potpuno miješaju kako bi se formirala elektrostatički stabilna suspenzija niske viskoznosti i visokog sadržaja čvrstih materija, koja se može promijeniti dodavanjem pH suspenzije ili hemikalija koje povećavaju koncentraciju elektrolita, a zatim se suspenzija ubrizgava u neporozni kalup.

Kontrolirajte napredak hemijskih reakcija tokom procesa. Reakcija prije brizganja se provodi polako, viskoznost suspenzije se održava niskom, a reakcija se ubrzava nakon brizganja, suspenzija se stvrdnjava, a tečna suspenzija se transformiše u čvrsto tijelo. Dobijeni zeleni dio ima dobra mehanička svojstva, a čvrstoća može doseći 5kPa. Zeleni dio se vadi iz kalupa, suši i sinteruje kako bi se formirao keramički dio željenog oblika.

Njegove prednosti su što mu nije potrebna ili je potrebna samo mala količina organskih aditiva (manje od 1%), sirovo tijelo ne treba odmašćivati, gustoća sirovog tijela je ujednačena, relativna gustoća je visoka (55%~70%), i može formirati keramičke dijelove velikih dimenzija i složenog oblika. Njegov nedostatak je što su aditivi skupi, a tokom reakcije se uglavnom oslobađa plin.

2.6 Brizganje plastike
Brizganje se dugo koristi u oblikovanju plastičnih proizvoda i oblikovanju metalnih kalupa. Ovaj proces koristi stvrdnjavanje termoplastičnih organskih materijala na niskim temperaturama ili stvrdnjavanje termoreaktivnih organskih materijala na visokim temperaturama. Prašak i organski nosač se miješaju u posebnoj opremi za miješanje, a zatim se ubrizgavaju u kalup pod visokim pritiskom (desetine do stotine MPa). Zbog velikog pritiska oblikovanja, dobijeni komadi imaju precizne dimenzije, visoku glatkoću i kompaktnu strukturu; upotreba posebne opreme za oblikovanje značajno poboljšava efikasnost proizvodnje.

Krajem 1970-ih i početkom 1980-ih, proces brizganja je primijenjen na oblikovanje keramičkih dijelova. Ovaj proces omogućava oblikovanje plastike od neplodnih materijala dodavanjem velike količine organske materije, što je uobičajen proces oblikovanja keramičke plastike. U tehnologiji brizganja, pored korištenja termoplastičnih organskih materija (kao što su polietilen, polistiren), termoreaktivnih organskih materija (kao što su epoksidna smola, fenolna smola) ili polimera rastvorljivih u vodi kao glavnog veziva, potrebno je dodati određene količine pomoćnih sredstava u procesu kao što su plastifikatori, maziva i sredstva za spajanje kako bi se poboljšala fluidnost suspenzije za brizganje keramike i osigurala kvaliteta tijela oblikovanog brizganjem.

Proces brizganja ima prednosti visokog stepena automatizacije i precizne veličine blanka za kalupljenje. Međutim, sadržaj organskih materija u sirovom tijelu keramičkih dijelova brizganih brizganjem iznosi i do 50 vol%. Potrebno je dugo vremena, čak od nekoliko dana do desetina dana, da se ove organske supstance eliminišu u narednom procesu sinterovanja, i lako je izazvati nedostatke u kvalitetu.

2.7 Koloidno brizganje
Kako bi se riješili problemi velike količine dodane organske materije i teškoće u eliminisanju poteškoća u tradicionalnom procesu brizganja, Univerzitet Tsinghua je kreativno predložio novi proces za koloidno brizganje keramike i nezavisno razvio prototip koloidnog brizganja kako bi se ostvarilo ubrizgavanje neplodne keramičke suspenzije.

Osnovna ideja je kombinovanje koloidnog brizganja sa brizganjem, korištenjem vlasničke opreme za brizganje i nove tehnologije stvrdnjavanja koju pruža koloidni proces brizganja in-situ solidifikacije. Ovaj novi proces koristi manje od 4 težinska % organske materije. Mala količina organskih monomera ili organskih jedinjenja u suspenziji na bazi vode koristi se za brzo indukovanje polimerizacije organskih monomera nakon brizganja u kalup kako bi se formirao organski mrežni skelet, koji ravnomjerno obavija keramički prah. Između ostalog, ne samo da je vrijeme degumiranja znatno skraćeno, već je i mogućnost pucanja degumiranja znatno smanjena.

Postoji ogromna razlika između brizganja keramike i koloidnog brizganja. Glavna razlika je u tome što prvo pripada kategoriji brizganja plastike, a drugo pripada brizganju suspenzije, odnosno suspenzija nema plastičnost i neplodan je materijal. Budući da suspenzija nema plastičnost kod koloidnog brizganja, tradicionalna ideja brizganja keramike ne može se usvojiti. Ako se koloidno brizganje kombinuje sa brizganjem, koloidno brizganje keramičkih materijala se ostvaruje korištenjem vlasničke opreme za brizganje i nove tehnologije stvrdnjavanja koju pruža koloidni proces brizganja in situ.

Novi proces koloidnog brizganja keramike razlikuje se od općeg koloidnog brizganja i tradicionalnog brizganja. Prednost visokog stepena automatizacije brizganja je kvalitativna sublimacija koloidnog procesa brizganja, što će postati nada za industrijalizaciju visokotehnološke keramike.