Dziewięć precyzyjnych procesów formowania ceramiki cyrkonowej

Dziewięć precyzyjnych procesów formowania ceramiki cyrkonowej
Proces formowania pełni rolę łącznika w całym procesie przygotowania materiałów ceramicznych i jest kluczem do zapewnienia niezawodności działania i powtarzalności produkcji materiałów i komponentów ceramicznych.
Wraz z rozwojem społeczeństwa, tradycyjna metoda ręcznego ugniatania, formowania na kole, fugowania itp. tradycyjnej ceramiki nie jest już w stanie sprostać potrzebom współczesnego społeczeństwa w zakresie produkcji i uszlachetniania, dlatego narodził się nowy proces formowania. Materiały ceramiczne ZrO2 są szeroko stosowane w następujących 9 rodzajach procesów formowania (2 rodzaje metod suchych i 7 rodzajów metod mokrych):

1. Formowanie na sucho

1.1 Prasowanie na sucho

Prasowanie na sucho wykorzystuje ciśnienie do sprasowania proszku ceramicznego w określony kształt bryły. Istotą tej metody jest to, że pod wpływem siły zewnętrznej cząstki proszku zbliżają się do siebie w formie i są trwale łączone poprzez tarcie wewnętrzne, aby zachować określony kształt. Główną wadą prasowanych na sucho brył jest odpryskiwanie, które jest spowodowane tarciem wewnętrznym między proszkami oraz tarciem między proszkami a ścianą formy, co powoduje spadek ciśnienia wewnątrz bryły.

Zaletami prasowania na sucho są: precyzyjny rozmiar surowego materiału, prostota obsługi i łatwość zmechanizowania procesu. Zawartość wilgoci i spoiwa w surowym prasowaniu na sucho jest niższa, a skurcz podczas suszenia i wypalania jest niewielki. Prasowanie na sucho jest stosowane głównie do formowania wyrobów o prostych kształtach i małym współczynniku kształtu. Wadą prasowania na sucho są wyższe koszty produkcji spowodowane zużyciem formy.

1.2 Prasowanie izostatyczne

Prasowanie izostatyczne to specjalna metoda formowania opracowana na bazie tradycyjnego prasowania na sucho. Wykorzystuje ona ciśnienie transmisyjne cieczy, aby równomiernie rozłożyć nacisk na proszek wewnątrz elastycznej formy ze wszystkich kierunków. Dzięki stałemu ciśnieniu wewnętrznemu cieczy, proszek jest poddawany takiemu samemu ciśnieniu we wszystkich kierunkach, co pozwala uniknąć różnicy w gęstości surowego materiału.

Prasowanie izostatyczne dzieli się na prasowanie izostatyczne z workiem mokrym i prasowanie izostatyczne z workiem suchym. Prasowanie izostatyczne z workiem mokrym umożliwia formowanie wyrobów o złożonych kształtach, ale działa tylko w trybie przerywanym. Prasowanie izostatyczne z workiem suchym może odbywać się w trybie automatycznym, ale pozwala formować jedynie wyroby o prostych kształtach, takich jak kwadratowe, okrągłe i rurowe przekroje poprzeczne. Prasowanie izostatyczne pozwala uzyskać jednorodną i gęstą bryłę, charakteryzującą się niewielkim skurczem podczas wypalania i równomiernym skurczem we wszystkich kierunkach. Jednak sprzęt jest skomplikowany i drogi, a wydajność produkcji niska. Metoda ta nadaje się jedynie do produkcji materiałów o specjalnych wymaganiach.

2. Formowanie na mokro

2.1 Fugowanie
Proces formowania iniekcyjnego jest podobny do odlewania taśmowego, z tą różnicą, że obejmuje on proces fizycznego odwadniania i koagulacji chemicznej. Fizyczne odwadnianie usuwa wodę z zaczynu poprzez działanie kapilarne porowatej formy gipsowej. Węglowodory Ca2+ powstające w wyniku rozpuszczenia powierzchniowego CaSO4 zwiększają siłę jonową zaczynu, co powoduje jego flokulację.
Pod wpływem odwodnienia fizycznego i koagulacji chemicznej cząstki proszku ceramicznego osadzają się na ściankach formy gipsowej. Fugowanie nadaje się do przygotowywania wielkogabarytowych elementów ceramicznych o złożonych kształtach, ale jakość surowego materiału, w tym jego kształt, gęstość, wytrzymałość itp., jest niska, wymaga dużej pracochłonności i nie nadaje się do zautomatyzowanych operacji.

2.2 Odlewanie ciśnieniowe na gorąco
Odlewanie na gorąco polega na mieszaniu proszku ceramicznego ze spoiwem (parafiną) w stosunkowo wysokiej temperaturze (60–100°C) w celu uzyskania zawiesiny do odlewania na gorąco. Zawiesina jest wtryskiwana do formy metalowej pod działaniem sprężonego powietrza, a ciśnienie jest utrzymywane. Po schłodzeniu i wyjęciu z formy uzyskuje się woskowy półfabrykat, który jest odparafinowywany pod osłoną obojętnego proszku, aby uzyskać surową masę, a następnie spiekana w wysokiej temperaturze, aby uzyskać porcelanę.

Forma odlewana metodą gorącego odlewu ciśnieniowego charakteryzuje się precyzyjnymi wymiarami, jednolitą strukturą wewnętrzną, mniejszym zużyciem formy i wysoką wydajnością produkcji. Nadaje się do różnych surowców. Temperatura zawiesiny woskowej i formy musi być ściśle kontrolowana, w przeciwnym razie może dojść do niedotrysku lub deformacji. Dlatego też nie nadaje się do produkcji dużych elementów. Dwuetapowy proces wypalania jest skomplikowany i energochłonny.

2.3 Odlewanie taśmowe
Odlewanie taśmowe polega na całkowitym wymieszaniu proszku ceramicznego z dużą ilością spoiw organicznych, plastyfikatorów, dyspergatorów itp. w celu uzyskania płynnej, lepkiej zawiesiny. Zawiesina jest następnie dodawana do leja maszyny odlewniczej i za pomocą skrobaka kontrolowana jest jej grubość. Wypływa ona na taśmę przenośnika przez dyszę podającą, a po wysuszeniu uzyskuje się folię.

Proces ten nadaje się do przygotowywania materiałów filmowych. Aby uzyskać większą elastyczność, dodaje się dużą ilość materii organicznej, a parametry procesu muszą być ściśle kontrolowane, w przeciwnym razie łatwo o defekty, takie jak łuszczenie się, smugi, niska wytrzymałość folii lub trudności w jej odklejaniu. Używana materia organiczna jest toksyczna i może powodować zanieczyszczenie środowiska, dlatego w celu ograniczenia zanieczyszczenia środowiska należy w miarę możliwości stosować system nietoksyczny lub mniej toksyczny.

2.4 Formowanie wtryskowe żelu
Technologia formowania wtryskowego żelu to nowy koloidalny proces szybkiego prototypowania, wynaleziony po raz pierwszy przez naukowców z Oak Ridge National Laboratory na początku lat 90. XX wieku. Jego istotą jest wykorzystanie organicznych roztworów monomerów, które polimeryzują, tworząc wytrzymałe żele polimerowo-rozpuszczalnikowe o bocznych wiązaniach.

Zawiesinę proszku ceramicznego rozpuszczonego w roztworze monomerów organicznych wlewa się do formy, a mieszanina monomerów polimeryzuje, tworząc element żelowany. Ponieważ bocznie połączony polimer-rozpuszczalnik zawiera jedynie 10–20% (ułamek masowy) polimeru, łatwo jest usunąć rozpuszczalnik z części żelowanej poprzez suszenie. Jednocześnie, dzięki bocznemu połączeniu polimerów, polimery nie mogą migrować wraz z rozpuszczalnikiem podczas procesu suszenia.

Metodę tę można stosować do produkcji jednofazowych i kompozytowych elementów ceramicznych, które mogą tworzyć elementy ceramiczne o złożonych kształtach i rozmiarach quasi-siatkowych. Jej wytrzymałość w stanie surowym wynosi 20-30 MPa lub więcej, co umożliwia jej ponowne przetwarzanie. Głównym problemem tej metody jest stosunkowo wysoki skurcz ciała zarodka podczas procesu zagęszczania, co łatwo prowadzi do jego deformacji. Niektóre monomery organiczne wykazują inhibicję tlenową, co powoduje łuszczenie się i odpadanie powierzchni. Z powodu indukowanego temperaturą procesu polimeryzacji monomerów organicznych, wiórkowanie termiczne prowadzi do powstania naprężeń wewnętrznych, które powodują pękanie wykrojów i tak dalej.

2.5 Formowanie wtryskowe z bezpośrednim zestalaniem
Formowanie wtryskowe z bezpośrednim krzepnięciem to technologia formowania opracowana przez ETH Zurich: rozpuszczalnik, woda, proszek ceramiczny i dodatki organiczne są dokładnie mieszane, aby utworzyć elektrostatycznie stabilną zawiesinę o niskiej lepkości i wysokiej zawartości substancji stałych. Jej pH można zmienić, dodając pH zawiesiny lub środki chemiczne zwiększające stężenie elektrolitu; następnie zawiesina jest wtryskiwana do nieporowatej formy.

Kontroluj przebieg reakcji chemicznych w trakcie procesu. Reakcja przed formowaniem wtryskowym przebiega powoli, lepkość zawiesiny jest utrzymywana na niskim poziomie, a reakcja jest przyspieszana po formowaniu wtryskowym, zawiesina krzepnie, a płynna zawiesina przekształca się w ciało stałe. Otrzymana surowa masa charakteryzuje się dobrymi właściwościami mechanicznymi, a jej wytrzymałość może sięgać 5 kPa. Surowa masa jest wyjmowana z formy, suszona i spiekana w celu uzyskania elementu ceramicznego o pożądanym kształcie.

Jego zaletami są: brak konieczności stosowania dodatków organicznych (poniżej 1%) lub ich niewielka ilość, brak konieczności odtłuszczania masy, jednorodna gęstość masy, wysoka gęstość względna (55%–70%) oraz możliwość formowania dużych elementów ceramicznych o złożonych kształtach. Wadą jest wysoki koszt dodatków oraz uwalnianie się gazów podczas reakcji.

2.6 Formowanie wtryskowe
Formowanie wtryskowe jest od dawna stosowane w formowaniu wyrobów z tworzyw sztucznych oraz formach metalowych. Proces ten wykorzystuje utwardzanie niskotemperaturowe termoplastycznych materiałów organicznych lub wysokotemperaturowe termoutwardzalnych materiałów organicznych. Proszek i nośnik organiczny są mieszane w specjalnym urządzeniu mieszającym, a następnie wtryskiwane do formy pod wysokim ciśnieniem (dziesiątki do setek MPa). Dzięki wysokiemu ciśnieniu formowania, otrzymane wykroje charakteryzują się precyzyjnymi wymiarami, wysoką gładkością i zwartą strukturą; zastosowanie specjalistycznego sprzętu formującego znacznie poprawia wydajność produkcji.

Pod koniec lat 70. i na początku lat 80. XX wieku proces formowania wtryskowego został zastosowany do formowania elementów ceramicznych. Proces ten umożliwia formowanie plastyczne pustych materiałów poprzez dodanie dużej ilości substancji organicznych, co jest powszechnym procesem formowania tworzyw ceramicznych. W technologii formowania wtryskowego, oprócz stosowania organicznych materiałów termoplastycznych (takich jak polietylen, polistyren), organicznych materiałów termoutwardzalnych (takich jak żywica epoksydowa, żywica fenolowa) lub polimerów rozpuszczalnych w wodzie jako głównego spoiwa, konieczne jest dodanie pewnych ilości środków wspomagających proces, takich jak plastyfikatory, środki smarujące i środki adhezyjne, w celu poprawy płynności zawiesiny ceramicznej i zapewnienia jakości formowanego wtryskowo korpusu.

Proces formowania wtryskowego charakteryzuje się wysokim stopniem automatyzacji i precyzyjnym rozmiarem wykroju. Jednak zawartość substancji organicznych w surowej masie formowanych wtryskowo elementów ceramicznych sięga nawet 50% obj. Eliminacja tych substancji organicznych w procesie spiekania zajmuje dużo czasu, nawet od kilku do kilkudziesięciu dni, i łatwo o wady jakościowe.

2.7 Formowanie wtryskowe koloidalne
Aby rozwiązać problemy związane z dużą ilością dodawanej materii organicznej i trudnościami w eliminacji trudności występujących w tradycyjnym procesie formowania wtryskowego, Uniwersytet Tsinghua kreatywnie zaproponował nowy proces koloidalnego formowania wtryskowego ceramiki i niezależnie opracował prototyp formowania wtryskowego koloidalnego w celu umożliwienia wtryskiwania jałowej zawiesiny ceramicznej.

Podstawowym założeniem jest połączenie formowania koloidalnego z formowaniem wtryskowym, z wykorzystaniem opatentowanego sprzętu wtryskowego i nowej technologii utwardzania, oferowanej przez proces formowania koloidalnego z zestalaniem in-situ. Ten nowy proces zużywa mniej niż 4% wag. materii organicznej. Niewielka ilość monomerów organicznych lub związków organicznych w zawiesinie wodnej jest wykorzystywana do szybkiego zainicjowania polimeryzacji monomerów organicznych po wtryśnięciu do formy, tworząc organiczny szkielet sieciowy, który równomiernie otula proszek ceramiczny. Dzięki temu, czas odśluzowywania ulega znacznemu skróceniu, a ryzyko pęknięć w procesie odśluzowywania jest znacznie zmniejszone.

Istnieje ogromna różnica między formowaniem wtryskowym ceramiki a formowaniem koloidalnym. Główną różnicą jest to, że pierwsze należy do kategorii formowania tworzyw sztucznych, a drugie do formowania zawiesinowego, co oznacza, że zawiesina nie jest plastyczna i stanowi materiał jałowy. Ponieważ zawiesina nie jest plastyczna w formowaniu koloidalnym, tradycyjna koncepcja formowania wtryskowego ceramiki nie może zostać zaadaptowana. Połączenie formowania koloidalnego z formowaniem wtryskowym pozwala na wykorzystanie opatentowanego sprzętu wtryskowego i nowej technologii utwardzania, dostępnej w procesie formowania koloidalnego in-situ.

Nowy proces koloidalnego formowania wtryskowego ceramiki różni się od zwykłego formowania koloidalnego i tradycyjnego formowania wtryskowego. Zaletą wysokiego stopnia automatyzacji formowania jest jakościowa sublimacja procesu formowania koloidalnego, co stanie się nadzieją dla industrializacji ceramiki high-tech.