Дев'ять процесів прецизійного лиття цирконієвої кераміки

Дев'ять процесів прецизійного лиття цирконієвої кераміки
Процес формування відіграє сполучну роль у всьому процесі підготовки керамічних матеріалів та є ключем до забезпечення надійності роботи та повторюваності виробництва керамічних матеріалів та компонентів.
З розвитком суспільства традиційні методи ручного замішування, колесоподібного формування, затирки тощо традиційної кераміки більше не можуть задовольнити потреби сучасного суспільства у виробництві та вишуканості, тому народився новий процес формування. Дрібнозернисті керамічні матеріали ZrO2 широко використовуються в наступних 9 типах процесів формування (2 типи сухого способу та 7 типів мокрого способу):

1. Сухе формування

1.1 Сухе пресування

Сухе пресування використовує тиск для надання керамічному порошку певної форми. Його суть полягає в тому, що під дією зовнішньої сили частинки порошку зближуються одна з одною у формі та міцно об'єднуються внутрішнім тертям, щоб підтримувати певну форму. Основним дефектом сухопресованих заготовок є відкол, який виникає через внутрішнє тертя між порошками та тертя між порошками та стінкою форми, що призводить до втрати тиску всередині заготовки.

Переваги сухого пресування полягають у тому, що розмір заготовки є точним, операція проста та зручна для механізованого виконання; вміст вологи та сполучних речовин у сухому пресуванні є меншим, а усадка під час сушіння та випалювання невелика. Воно в основному використовується для формування виробів простої форми з невеликим співвідношенням сторін. Недоліком сухого пресування є збільшення виробничих витрат, спричинене зносом форми.

1.2 Ізостатичне пресування

Ізостатичне пресування – це спеціальний метод формування, розроблений на основі традиційного сухого пресування. Він використовує тиск рідини для рівномірного тиску на порошок всередині еластичної форми з усіх напрямків. Завдяки стабільності внутрішнього тиску рідини, порошок відчуває однаковий тиск в усіх напрямках, тому можна уникнути різниці в щільності заготовки.

Ізостатичне пресування поділяється на ізостатичне пресування в мокрому мішку та ізостатичне пресування в сухому мішку. Ізостатичне пресування в мокрому мішку може формувати вироби складної форми, але воно може працювати лише періодично. Ізостатичне пресування в сухому мішку може реалізувати автоматичну безперервну роботу, але може формувати лише вироби простої форми, такі як квадратні, круглі та трубчасті поперечні перерізи. Ізостатичне пресування може отримати однорідну та щільну заготовку з невеликою усадкою при випалюванні та рівномірною усадкою в усіх напрямках, але обладнання складне та дороге, а ефективність виробництва невисока, і воно підходить лише для виробництва матеріалів зі спеціальними вимогами.

2. Мокре формування

2.1 Затирка
Процес формування затиркою подібний до лиття стрічкою, різниця полягає в тому, що процес формування включає процес фізичної дегідратації та процес хімічної коагуляції. Фізична дегідратація видаляє воду з суспензії завдяки капілярній дії пористої гіпсової форми. Ca2+, що утворюється внаслідок розчинення поверхневого CaSO4, збільшує іонну силу суспензії, що призводить до її флокуляції.
Під дією фізичної дегідратації та хімічної коагуляції частинки керамічного порошку осідають на стінках гіпсової форми. Затирка підходить для виготовлення великомасштабних керамічних деталей складної форми, але якість заготовки, включаючи форму, щільність, міцність тощо, низька, трудомісткість працівників висока, і вона не підходить для автоматизованих операцій.

2.2 Гаряче лиття під тиском
Гаряче лиття під тиском полягає у змішуванні керамічного порошку зі сполучною речовиною (парафіном) за відносно високої температури (60~100℃) для отримання суспензії для гарячого лиття під тиском. Суспензію впорскують у металеву форму під дією стисненого повітря та підтримують тиск. Після охолодження та виймання з форми для отримання воскової заготовки воскова заготовка депарафінується під захистом інертного порошку для отримання сирої заготовки, а сиру заготовку спікають при високій температурі для отримання порцеляни.

Зелений корпус, сформований методом гарячого лиття під тиском, має точні розміри, однорідну внутрішню структуру, менший знос форми та високу виробничу ефективність, і підходить для різних видів сировини. Температуру воскової суспензії та форми необхідно суворо контролювати, інакше це призведе до недостатнього впорскування або деформації, тому він не підходить для виготовлення великих деталей, а двоетапний процес випалювання є складним, а споживання енергії високим.

2.3 Лиття стрічки
Стрічкове лиття полягає в ретельному змішуванні керамічного порошку з великою кількістю органічних зв'язуючих речовин, пластифікаторів, диспергаторів тощо для отримання текучої в'язкої суспензії, додаванні суспензії в бункер ливарної машини та використанні скребка для контролю товщини. Вона витікає на конвеєрну стрічку через подавальне сопло, і після висихання отримується заготовка плівки.

Цей процес підходить для приготування плівкових матеріалів. Для досягнення кращої гнучкості додається велика кількість органічної речовини, а параметри процесу необхідно суворо контролювати, інакше це легко може призвести до таких дефектів, як відшаровування, смуги, низька міцність плівки або утруднене відшаровування. Використана органічна речовина є токсичною та спричиняє забруднення навколишнього середовища, тому для зменшення забруднення навколишнього середовища слід використовувати якомога більше нетоксичну або менш токсичну систему.

2.4 Лиття під тиском гелю
Технологія лиття під тиском гелю — це новий колоїдний процес швидкого прототипування, вперше винайдений дослідниками з Оук-Ріджської національної лабораторії на початку 1990-х років. В його основі лежить використання розчинів органічних мономерів, які полімеризуються у високоміцні, латерально зв'язані гелі полімер-розчинник.

Суспензію керамічного порошку, розчиненого в розчині органічних мономерів, відливають у форму, і суміш мономерів полімеризується з утворенням гелеподібної деталі. Оскільки латерально зв'язаний полімер-розчинник містить лише 10%–20% (масова частка) полімеру, розчинник легко видалити з гелевої деталі за допомогою етапу сушіння. Водночас, завдяки латеральному з'єднанню полімерів, полімери не можуть мігрувати разом з розчинником під час процесу сушіння.

Цей метод може бути використаний для виготовлення однофазних та композитних керамічних деталей, які можуть утворювати керамічні деталі складної форми, квазісітчастого розміру, а їхня міцність у зеленому стані сягає 20-30 МПа або більше, що дозволяє їх повторну обробку. Основна проблема цього методу полягає в тому, що швидкість усадки заготовки під час процесу ущільнення є відносно високою, що легко призводить до її деформації; деякі органічні мономери мають кисневе гальмування, що призводить до відшаровування та відшаровування поверхні; через температурно-індуковану полімеризацію органічних мономерів температурне стругання призводить до виникнення внутрішніх напружень, що призводить до руйнування заготовок тощо.

2.5 Лиття під тиском з прямим затвердінням
Лиття під тиском прямого затвердіння – це технологія лиття під тиском, розроблена ETH Zurich: розчинник вода, керамічний порошок та органічні добавки ретельно змішуються для утворення електростатично стабільної, низьков'язкої суспензії з високим вмістом твердих речовин, яку можна змінити, додаючи рівень pH суспензії або хімічні речовини, що підвищують концентрацію електроліту, потім суспензію впорскують у непористу форму.

Контролюйте перебіг хімічних реакцій під час процесу. Реакцію перед литтям під тиском проводять повільно, в'язкість суспензії підтримують низькою, а після лиття реакція прискорюється, суспензія твердне, а рідка суспензія перетворюється на тверде тіло. Отриманий сирий матеріал має добрі механічні властивості, а міцність може досягати 5 кПа. Сирий матеріал виймають з форми, сушать та спікають для формування керамічної деталі потрібної форми.

Його переваги полягають у тому, що він не потребує або потребує лише невеликої кількості органічних добавок (менше 1%), зелений матеріал не потребує знежирення, щільність зеленого матеріалу рівномірна, відносна щільність висока (55%~70%), і з нього можна утворювати керамічні деталі великого розміру та складної форми. Його недоліком є те, що добавки дорогі, і під час реакції зазвичай виділяється газ.

2.6 Лиття під тиском
Лиття під тиском вже давно використовується для формування пластмасових виробів та формування металевих форм. Цей процес передбачає низькотемпературне затвердіння термопластичних органічних речовин або високотемпературне затвердіння термореактивних органічних речовин. Порошок та органічний носій змішуються у спеціальному змішувальному обладнанні, а потім впорскуються у форму під високим тиском (від десятків до сотень МПа). Завдяки великому тиску формування отримані заготовки мають точні розміри, високу гладкість та компактну структуру; використання спеціального формувального обладнання значно підвищує ефективність виробництва.

Наприкінці 1970-х та на початку 1980-х років для формування керамічних деталей було застосовано процес лиття під тиском. Цей процес передбачає формування пластику з безплідних матеріалів шляхом додавання великої кількості органічної речовини, що є поширеним процесом лиття керамічних пластмас. У технології лиття під тиском, окрім використання термопластичних органічних речовин (таких як поліетилен, полістирол), термореактивних органічних речовин (таких як епоксидна смола, фенольна смола) або водорозчинних полімерів як основного сполучного речовини, необхідно додавати певну кількість допоміжних речовин, таких як пластифікатори, мастила та зв'язуючі агенти, для покращення плинності керамічної суспензії для лиття під тиском та забезпечення якості виробу, отриманого литтям під тиском.

Процес лиття під тиском має переваги високого ступеня автоматизації та точного розміру заготовки для лиття. Однак вміст органічних речовин у незаготовці литих керамічних деталей сягає 50 об.%. Видалення цих органічних речовин у подальшому процесі спікання займає багато часу, від кількох днів до десятків днів, і легко спричинити дефекти якості.

2.7 Колоїдне лиття під тиском
Щоб вирішити проблеми великої кількості доданої органічної речовини та складності усунення труднощів у традиційному процесі лиття під тиском, Університет Цінхуа творчо запропонував новий процес колоїдного лиття під тиском кераміки та незалежно розробив прототип колоїдного лиття під тиском для реалізації інжекційного формування безплідної керамічної суспензії.

Основна ідея полягає в поєднанні колоїдного формування з литтям під тиском, використовуючи запатентоване обладнання для лиття під тиском та нову технологію затвердіння, що забезпечується процесом колоїдного формування на місці затвердіння. Цей новий процес використовує менше 4% органічної речовини. Невелика кількість органічних мономерів або органічних сполук у суспензії на водній основі використовується для швидкої індукції полімеризації органічних мономерів після ін'єкції у форму для утворення органічного сітчастого скелета, який рівномірно огортає керамічний порошок. Завдяки цьому не тільки значно скорочується час видалення гуми, але й значно зменшується ймовірність розтріскування внаслідок видалення гуми.

Існує величезна різниця між литтям кераміки під тиском та колоїдним литтям. Основна відмінність полягає в тому, що перше належить до категорії лиття пластмас, а друге – до шліцерного лиття, тобто шліцер не має пластичності та є безплідним матеріалом. Оскільки шліцер не має пластичності при колоїдному лиття, традиційна ідея лиття кераміки під тиском не може бути прийнята. Якщо колоїдне лиття поєднується з литтям під тиском, колоїдне лиття керамічних матеріалів під тиском реалізується за допомогою запатентованого обладнання для лиття під тиском та нової технології затвердіння, що забезпечується процесом колоїдного лиття на місці.

Новий процес колоїдного лиття під тиском кераміки відрізняється від загального колоїдного лиття під тиском та традиційного лиття під тиском. Перевагою високого ступеня автоматизації лиття є якісна сублімація процесу колоїдного лиття, що стане надією на індустріалізацію високотехнологічної кераміки.