Дев'ять процесів точного формування цирконієвої кераміки

Дев'ять процесів точного формування цирконієвої кераміки
Процес формування відіграє сполучну роль у всьому процесі підготовки керамічних матеріалів і є ключем до забезпечення надійності продуктивності та повторюваності виробництва керамічних матеріалів і компонентів.
З розвитком суспільства традиційний метод ручного замішування, метод формування колеса, метод цементування тощо традиційної кераміки більше не може задовольнити потреби сучасного суспільства у виробництві та вдосконаленні, тому народився новий процес формування.Тонкі керамічні матеріали ZrO2 широко використовуються в наступних 9 типах процесів формування (2 типи сухих методів і 7 типів мокрих методів):

1. Сухе формування

1.1 Сухе пресування

Сухе пресування використовує тиск для пресування керамічного порошку в певну форму тіла.Його суть полягає в тому, що під дією зовнішньої сили частинки порошку зближуються одна з одною в прес-формі, а внутрішнім тертям міцно з’єднуються, зберігаючи певну форму.Основним дефектом сухого пресування необроблених тіл є відкол, який виникає внаслідок внутрішнього тертя між порошками та тертя між порошками та стінкою форми, що призводить до втрати тиску всередині тіла.

Переваги сухого пресування полягають у тому, що розмір зеленого тіла точний, операція проста, і це зручно для реалізації механізованої операції;вміст вологи і сполучного в зеленому сухому пресуванні менше, а усадка при сушці і випалюванні невелика.В основному використовується для формування виробів простих форм, а співвідношення сторін невелике.Недоліком сухого пресування є збільшення вартості виробництва, викликане зносом форми.

1.2 Ізостатичне пресування

Ізостатичне пресування – спеціальний метод формування, розроблений на основі традиційного сухого пресування.Він використовує тиск рідини для рівномірного тиску на порошок всередині еластичної форми з усіх боків.Завдяки сталості внутрішнього тиску рідини, порошок несе однаковий тиск у всіх напрямках, тому можна уникнути різниці в щільності зеленого тіла.

Ізостатичне пресування поділяється на ізостатичне пресування в мокрому мішку та ізостатичне пресування в сухому мішку.Ізостатичне пресування мокрого мішка може формувати вироби складної форми, але воно може працювати лише з перервами.Сухе ізостатичне пресування мішків може реалізувати автоматичну безперервну роботу, але може формувати лише продукти простої форми, такі як квадратні, круглі та трубчасті поперечні перерізи.Ізостатичним пресуванням можна отримати рівномірне та щільне зелене тіло 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 вимоги.

2. Мокре формування

2.1 Затирка
Процес формування цементації подібний до лиття стрічки, відмінність полягає в тому, що процес формування включає процес фізичного зневоднення та процес хімічної коагуляції.Фізична дегідратація видаляє воду з суспензії через капілярну дію пористої гіпсової форми.Ca2+, що утворюється в результаті розчинення поверхневого CaSO4, збільшує іонну силу суспензії, що призводить до флокуляції суспензії.
Під дією фізичної дегідратації та хімічної коагуляції частинки керамічного порошку осідають на стінці гіпсової форми.Цементування підходить для підготовки великомасштабних керамічних деталей складної форми, але якість зеленого тіла, включаючи форму, щільність, міцність тощо, є поганою, трудомісткість працівників висока, і вона не підходить для автоматизованих операцій.

2.2 Гаряче лиття під тиском
Гаряче лиття під тиском — це змішування керамічного порошку зі сполучною речовиною (парафіном) при відносно високій температурі (60~100 ℃) для отримання суспензії для гарячого лиття під тиском.Суспензія впорскується в металеву форму під дією стисненого повітря, при цьому підтримується тиск.Охолодження, видалення з форми для отримання воскової заготовки, воскова заготовка депарафінізується під захистом інертного порошку для отримання зеленого тіла, а необроблене тіло спікається при високій температурі, щоб стати порцеляною.

Зелене тіло, сформоване гарячим литтям під тиском, має точні розміри, рівномірну внутрішню структуру, менший знос форми та високу ефективність виробництва та підходить для різноманітної сировини.Необхідно суворо контролювати температуру воскової суспензії та форми, інакше це призведе до недостатнього вприскування або деформації, тому він не підходить для виготовлення великих деталей, а двоетапний процес випалу є складним і споживання енергії є високим.

2.3 Відливка стрічки
Стрічкове лиття полягає в повному змішуванні керамічного порошку з великою кількістю органічних зв’язуючих, пластифікаторів, диспергаторів тощо для отримання текучої в’язкої суспензії, додавання суспензії в бункер ливарної машини та використання скребка для контролю товщини.Через живильне сопло вона витікає на конвеєр, а після сушіння виходить плівкова заготовка.

Цей процес підходить для виготовлення плівкових матеріалів.Щоб отримати кращу гнучкість, додається велика кількість органічної речовини, і необхідно суворо контролювати параметри процесу, інакше це легко спричинить такі дефекти, як відшаровування, смуги, низька міцність плівки або складне відшаровування.Використовувана органічна речовина є токсичною та спричиняє забруднення навколишнього середовища, тому для зменшення забруднення навколишнього середовища слід якомога більше використовувати нетоксичну або менш токсичну систему.

2.4 Лиття під тиском гелю
Технологія гелевого лиття під тиском — це новий колоїдний процес швидкого прототипування, вперше винайдений дослідниками з Національної лабораторії Оук-Рідж на початку 1990-х років.Його суттю є використання розчинів органічних мономерів, які полімеризуються у високоміцні, латерально з’єднані гелі полімер-розчинник.

Суспензію керамічного порошку, розчиненого в розчині органічних мономерів, відливають у форму, і мономерна суміш полімеризується з утворенням желеподібної частини.Оскільки латерально пов’язаний полімер-розчинник містить лише 10–20 % (масова частка) полімеру, розчинник легко видалити з гелевої частини шляхом сушіння.У той же час, завдяки бічному з'єднанню полімерів, полімери не можуть мігрувати з розчинником в процесі сушіння.

Цей метод можна використовувати для виготовлення однофазних і композитних керамічних деталей, які можуть утворювати керамічні деталі складної форми, квазісіткого розміру, а їх міцність у необробленому стані становить 20-30 МПа або більше, які можна повторно обробити.Основна проблема цього методу полягає в тому, що швидкість усадки тіла ембріона є відносно високою під час процесу ущільнення, що легко призводить до деформації тіла ембріона;деякі органічні мономери мають кисневе інгібування, що спричиняє відшаровування та відпадання поверхні;через індукований температурою процес полімеризації органічного мономеру, що спричиняє зниження температури призводить до існування внутрішньої напруги, яка спричиняє руйнування заготовок тощо.

2.5 Лиття під тиском прямого затвердіння
Лиття під тиском із прямим затвердінням — це технологія формування, розроблена ETH Zurich: вода-розчинник, керамічний порошок і органічні добавки повністю змішуються для утворення електростатично стабільної суспензії з низькою в’язкістю та високим вмістом твердих речовин, яку можна змінити шляхом додавання рН суспензії або хімікатів. що підвищує концентрацію електроліту, потім суспензію вводять у непористу форму.

Контролюйте перебіг хімічних реакцій під час процесу.Реакція перед литтям під тиском здійснюється повільно, в'язкість суспензії підтримується низькою, а реакція прискорюється після лиття під тиском, суспензія твердне, і рідка суспензія перетворюється на тверде тіло.Отримане сирець має добрі механічні властивості, а міцність може досягати 5 кПа.Зелене тіло витягують з форми, сушать і спікають для формування керамічної частини бажаної форми.

Його переваги полягають у тому, що він не потребує або потребує лише невеликої кількості органічних добавок (менше 1%), зелене тіло не потребує знежирення, щільність зеленого тіла рівномірна, відносна щільність висока (55% ~ 70%), і він може формувати керамічні деталі великого розміру та складної форми.Його недолік полягає в тому, що добавки дорогі, і під час реакції зазвичай виділяється газ.

2.6 Лиття під тиском
Лиття під тиском вже давно використовується для формування виробів із пластмас і формування металевих форм.Цей процес використовує низькотемпературне затвердіння термопластичної органіки або високотемпературне затвердіння термореактивної органіки.Порошок і органічний носій змішують у спеціальному змішувальному обладнанні, а потім вводять у форму під високим тиском (десятки-сотні МПа).Завдяки великому тиску формування отримані заготовки мають точні розміри, високу гладкість і компактну структуру;використання спеціального формувального обладнання значно підвищує ефективність виробництва.

Наприкінці 1970-х і на початку 1980-х років процес лиття під тиском був застосований для формування керамічних деталей.Цей процес реалізує пластичне формування безплідних матеріалів шляхом додавання великої кількості органічної речовини, що є звичайним процесом формування керамічної пластмаси.У технології лиття під тиском, на додаток до використання термопластичної органіки (такої як поліетилен, полістирол), термореактивної органіки (такої як епоксидна смола, фенольна смола) або водорозчинних полімерів як основного сполучного, необхідно додати певні кількості процесу допоміжні речовини, такі як пластифікатори, мастила та сполучні речовини, щоб покращити текучість керамічної ін’єкційної суспензії та забезпечити якість корпусу, відлитого під тиском.

Процес лиття під тиском має переваги високого ступеня автоматизації та точного розміру заготовки для формування.Однак органічний вміст у необробленому корпусі керамічних деталей, виготовлених під тиском, досягає 50 об.%.Потрібен тривалий час, навіть від кількох днів до десятків днів, щоб усунути ці органічні речовини в подальшому процесі спікання, і це легко спричинити дефекти якості.

2.7 Колоїдне лиття під тиском
Щоб вирішити проблеми великої кількості доданої органічної речовини та труднощі 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 реалізувати ін'єкцію безплідної керамічної суміші.формування.

Основна ідея полягає в тому, щоб поєднати колоїдне формування з литтям під тиском, використовуючи власне обладнання для ін’єкцій і нову технологію затвердіння, що забезпечується колоїдним процесом затвердіння на місці.Цей новий процес використовує менше 4 мас.% 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 формування органічного сітчастого скелета, який рівномірно огортає керамічний порошок.Серед них не тільки значно скорочується час дегумування, але також значно зменшується ймовірність розтріскування дегумування.

Існує величезна різниця між литтям під тиском кераміки та колоїдним формуванням.Основна відмінність полягає в тому, що перший відноситься до категорії пластичного формування, а другий відноситься до шламового формування, тобто шлам не має пластичності і є безплідним матеріалом.Оскільки суспензія не має пластичності при колоїдному формуванні, традиційна ідея керамічного лиття під тиском не може бути прийнята.Якщо колоїдне формування поєднується з литтям під тиском, колоїдне лиття під тиском керамічних матеріалів реалізується за допомогою власного ін’єкційного обладнання та нової технології затвердіння, що забезпечується процесом колоїдного формування на місці.

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