Девет процеса на прецизно формоване на циркониева керамика

Девет процеса на прецизно формоване на циркониева керамика
Процесът на формоване играе свързваща роля в целия процес на подготовка на керамични материали и е ключът към осигуряване на надеждност на производителността и повторяемост на производството на керамични материали и компоненти.
С развитието на обществото, традиционните методи на ръчно месене, метод на формоване на колела, метод на фугиране и др. на традиционната керамика вече не могат да отговорят на нуждите на съвременното общество за производство и рафиниране, затова се ражда нов процес на формоване. Фините керамични материали ZrO2 се използват широко в следните 9 вида процеси на формоване (2 вида сухи методи и 7 вида мокри методи):

1. Сухо формоване

1.1 Сухо пресоване

Сухото пресоване използва налягане, за да придаде на керамичния прах определена форма на тялото. Същността му е, че под действието на външна сила, частиците на праха се приближават една към друга във формата и се свързват здраво чрез вътрешно триене, за да поддържат определена форма. Основният дефект при сухо пресованите зелени тела е отчупването, което се дължи на вътрешното триене между праховете и триенето между праховете и стената на формата, което води до загуба на налягане вътре в тялото.

Предимствата на сухото пресоване са, че размерът на зеленото тяло е точен, операцията е проста и е удобно да се реализира механизирана работа; съдържанието на влага и свързващо вещество в зеленото сухо пресоване е по-малко, а свиването при сушене и изпичане е малко. Използва се главно за оформяне на продукти с прости форми и малко съотношение на страните. Недостатък на сухото пресоване е повишената производствена цена, причинена от износването на матрицата.

1.2 Изостатично пресоване

Изостатичното пресоване е специален метод за формоване, разработен на базата на традиционното сухо пресоване. Той използва флуидно предаване на налягане, за да приложи равномерно налягане върху праха вътре в еластичната форма от всички посоки. Благодарение на постоянството на вътрешното налягане на флуида, прахът понася еднакво налягане във всички посоки, така че може да се избегне разликата в плътността на зеленото тяло.

Изостатичното пресоване се разделя на изостатично пресоване с мокри торби и изостатично пресоване със сухи торби. Изостатичното пресоване с мокри торби може да формира продукти със сложни форми, но работи само периодично. Изостатичното пресоване със сухи торби може да реализира автоматична непрекъсната работа, но може да формира само продукти с прости форми, като квадратни, кръгли и тръбни напречни сечения. Изостатичното пресоване може да получи равномерно и плътно сухо тяло, с малко свиване при изпичане и равномерно свиване във всички посоки, но оборудването е сложно и скъпо, а производствената ефективност не е висока и е подходящо само за производство на материали със специални изисквания.

2. Мокро формоване

2.1 Фугиране
Процесът на фугиране чрез леене с лента е подобен на леенето с лентов метод, като разликата е, че процесът на леене включва процес на физическа дехидратация и процес на химическа коагулация. Физическата дехидратация премахва водата от суспензията чрез капилярното действие на порестата гипсова форма. Ca2+, генериран от разтварянето на повърхностния CaSO4, увеличава йонната сила на суспензията, което води до нейната флокулация.
Под действието на физическа дехидратация и химическа коагулация, керамичните прахообразни частици се отлагат върху стената на гипсовата форма. Фугирането е подходящо за изработка на големи керамични части със сложни форми, но качеството на зеления материал, включително форма, плътност, якост и др., е лошо, интензивността на труда на работниците е висока и не е подходящо за автоматизирани операции.

2.2 Леене под налягане
Горещото леене под налягане представлява смесване на керамичен прах със свързващо вещество (парафин) при относително висока температура (60~100℃), за да се получи суспензия за горещо леене под налягане. Суспензията се инжектира в металната форма под действието на сгъстен въздух и налягането се поддържа. След охлаждане и изваждане от формата, за да се получи восъчна заготовка, восъчната заготовка се депарафинизира под защитата на инертен прах, за да се получи зелено тяло, а зеленото тяло се синтерова при висока температура, за да се превърне в порцелан.

Зеленото тяло, образувано чрез горещо леене под налягане, има прецизни размери, равномерна вътрешна структура, по-малко износване на матрицата и висока производствена ефективност и е подходящо за различни суровини. Температурата на восъчната суспензия и матрицата трябва да се контролира стриктно, в противен случай това ще доведе до недоинжектиране или деформация, така че не е подходящо за производство на големи части, а двуетапният процес на изпичане е сложен и консумацията на енергия е висока.

2.3 Леене на лента
Леенето на лента представлява пълно смесване на керамичен прах с голямо количество органични свързващи вещества, пластификатори, дисперсанти и др., за да се получи течна вискозна суспензия. Суспензията се добавя в бункера на леярската машина и се контролира дебелината с помощта на скрепер. Тя изтича към конвейерната лента през дюзата за подаване и след изсушаване се получава заготовката на филма.

Този процес е подходящ за приготвяне на филмови материали. За да се постигне по-добра гъвкавост, се добавя голямо количество органична материя и параметрите на процеса трябва да бъдат стриктно контролирани, в противен случай лесно ще се появят дефекти като лющене, следи, ниска здравина на филма или трудно лющене. Използваната органична материя е токсична и ще причини замърсяване на околната среда, поради което е необходимо да се използва нетоксична или по-малко токсична система, за да се намали замърсяването на околната среда.

2.4 Гел инжекционно формоване
Технологията за гел шприцване е нов колоиден процес за бързо прототипиране, изобретен за първи път от изследователи в Националната лаборатория Оук Ридж в началото на 90-те години на миналия век. В основата му е използването на разтвори на органични мономери, които полимеризират във високоякостни, странично свързани полимер-разтворител гелове.

Суспензия от керамичен прах, разтворен в разтвор на органични мономери, се отлива в матрица и мономерната смес полимеризира, за да образува желирана част. Тъй като странично свързаният полимер-разтворител съдържа само 10%–20% (масова част) полимер, разтворителят лесно се отстранява от гелната част чрез стъпка на сушене. В същото време, поради страничната връзка на полимерите, полимерите не могат да мигрират с разтворителя по време на процеса на сушене.

Този метод може да се използва за производство на еднофазни и композитни керамични части, които могат да образуват керамични части със сложна форма и квази-мрежови размери, а якостта им в сухо състояние е висока 20-30Mpa или повече и могат да бъдат преработени. Основният проблем на този метод е, че скоростта на свиване на ембрионалното тяло е сравнително висока по време на процеса на уплътняване, което лесно води до деформация на ембрионалното тяло; някои органични мономери имат кислородно инхибиране, което кара повърхността да се лющи и пада; поради температурно индуцирания процес на полимеризация на органични мономери, причиненото температурно бръснене води до наличието на вътрешно напрежение, което води до счупване на заготовките и т.н.

2.5 Директно втвърдяване чрез шприцване
Директното втвърдяване чрез шприцване е технология за шприцване, разработена от ETH Zurich: разтворител вода, керамичен прах и органични добавки се смесват напълно, за да се образува електростатично стабилна, нисковискозна и високо съдържание на твърди вещества суспензия. pH на суспензията може да се промени чрез добавяне на химикали, повишаващи концентрацията на електролита, след което суспензията се инжектира в непореста форма.

Контролирайте протичането на химичните реакции по време на процеса. Реакцията преди шприцване се провежда бавно, вискозитетът на суспензията се поддържа нисък, а след шприцване реакцията се ускорява, като суспензията се втвърдява и течната суспензия се трансформира в твърдо тяло. Полученото зелено тяло има добри механични свойства и якостта може да достигне 5kPa. Зеленото тяло се изважда от формата, суши се и се синтерова, за да се образува керамична част с желаната форма.

Предимствата му са, че не се нуждае или се нуждае само от малко количество органични добавки (по-малко от 1%), зеленото тяло не се нуждае от обезмасляване, плътността на зеленото тяло е равномерна, относителната плътност е висока (55%~70%) и може да образува керамични части с големи размери и сложна форма. Недостатъкът му е, че добавките са скъпи и по време на реакцията обикновено се отделя газ.

2.6 Шприцване
Шприцването отдавна се използва при формоването на пластмасови изделия и метални форми. Този процес използва нискотемпературно втвърдяване на термопластични органични вещества или високотемпературно втвърдяване на термореактивни органични вещества. Прахът и органичният носител се смесват в специално смесително оборудване и след това се инжектират във формата под високо налягане (десетки до стотици MPa). Благодарение на голямото налягане при формоване, получените заготовки имат точни размери, висока гладкост и компактна структура; използването на специално оборудване за формоване значително подобрява ефективността на производството.

В края на 70-те и началото на 80-те години на миналия век, процесът на шприцване се прилага за формоване на керамични части. Този процес осъществява пластмасово формоване на безплодни материали чрез добавяне на голямо количество органична материя, което е често срещан процес на формоване на керамични пластмаси. При технологията на шприцване, освен използването на термопластични органични вещества (като полиетилен, полистирен), термореактивни органични вещества (като епоксидна смола, фенолна смола) или водоразтворими полимери като основно свързващо вещество, е необходимо да се добавят определени количества помощни средства за процес, като пластификатори, смазочни вещества и свързващи агенти, за да се подобри течливостта на керамичната шприцована суспензия и да се гарантира качеството на шприцовото тяло.

Процесът на шприцване има предимствата на висока степен на автоматизация и прецизен размер на заготовката за формоване. Съдържанието на органични вещества в зеления материал на шприцваните керамични части обаче достига 50 об.%. Отнема много време, дори от няколко дни до десетки дни, за да се елиминират тези органични вещества в последващия процес на синтероване и е лесно да се причинят дефекти в качеството.

2.7 Колоидно шприцване
За да се решат проблемите с голямото количество добавена органична материя и трудността при елиминирането на трудностите в традиционния процес на шприцване, университетът Цинхуа креативно предложи нов процес за колоидно шприцване на керамика и независимо разработи прототип на колоидно шприцване, за да реализира шприцването на безплодна керамична суспензия.

Основната идея е да се комбинира колоидното формоване с шприцването, като се използва патентовано оборудване за инжектиране и нова технология за втвърдяване, осигурена от процеса на колоидално in-situ формоване с втвърдяване. Този нов процес използва по-малко от 4 тегл.% органично вещество. Малко количество органични мономери или органични съединения във водната суспензия се използва за бързо индуциране на полимеризацията на органичните мономери след инжектиране във формата, за да се образува органичен мрежов скелет, който равномерно обгръща керамичния прах. Сред тях не само времето за дегумиране е значително съкратено, но и възможността за напукване на дегумирането е значително намалена.

Има огромна разлика между шприцването на керамика и колоидното шприцване. Основната разлика е, че първото принадлежи към категорията на шприцването на пластмаси, а второто към шприцването чрез суспензия, т.е. шприцът няма пластичност и е безплоден материал. Тъй като шприцът няма пластичност при колоидното шприцване, традиционната идея за шприцване на керамика не може да бъде възприета. Ако колоидното шприцване се комбинира с шприцване, колоидното шприцване на керамични материали се осъществява чрез използване на патентовано оборудване за шприцване и нова технология за втвърдяване, осигурена от колоиден процес на шприцване in situ.

Новият процес на колоидно шприцване на керамика се различава от общото колоидно шприцване и традиционното шприцване. Предимството на високата степен на автоматизация на шприцването е качествената сублимация на процеса на колоидно шприцване, което ще се превърне в надежда за индустриализацията на високотехнологичната керамика.