Девет процеса прецизног обликовања цирконијумске керамике

Девет процеса прецизног обликовања цирконијумске керамике
Процес обликовања игра кључну улогу у целом процесу припреме керамичких материјала и кључ је за обезбеђивање поузданости перформанси и поновљивости производње керамичких материјала и компоненти.
Са развојем друштва, традиционални метод ручног гњечења, метод обликовања на точку, метод фугирања итд. традиционалне керамике више не може да задовољи потребе савременог друштва за производњом и рафинирањем, па је настао нови процес обликовања. Фини керамички материјали ZrO2 се широко користе у следећих 9 врста процеса обликовања (2 врсте сувих метода и 7 врста мокрих метода):

1. Суво обликовање

1.1 Суво пресовање

Суво пресовање користи притисак да би се керамички прах пресовао у одређени облик тела. Његова суштина је да се под дејством спољашње силе честице праха приближавају једна другој у калупу и чврсто се спајају унутрашњим трењем како би одржале одређени облик. Главни недостатак суво пресованих зелених тела је љуштење, које настаје због унутрашњег трења између прахова и трења између прахова и зида калупа, што резултира губитком притиска унутар тела.

Предности сувог пресовања су тачност величине зеленог тела, једноставан рад и погодност за механизовану реализацију рада; садржај влаге и везива у зеленом сувом пресовању је мањи, а скупљање приликом сушења и печења је мало. Углавном се користи за обликовање производа једноставних облика, а однос ширине и висине је мали. Мана сувог пресовања је повећање трошкова производње услед хабања калупа.

1.2 Изостатско пресовање

Изостатско пресовање је посебна метода обликовања развијена на основу традиционалног сувог пресовања. Користи притисак преноса флуида да би се равномерно применио притисак на прах унутар еластичног калупа из свих праваца. Због конзистентности унутрашњег притиска флуида, прах трпи исти притисак у свим правцима, тако да се може избећи разлика у густини зеленог тела.

Изостатско пресовање се дели на изостатско пресовање у влажним врећама и изостатско пресовање у сувим врећама. Изостатско пресовање у влажним врећама може да формира производе сложених облика, али може да ради само повремено. Изостатско пресовање у сувим врећама може да оствари аутоматски континуирани рад, али може да формира само производе једноставних облика као што су квадратни, округли и цевасти попречни пресеци. Изостатско пресовање може да добије уједначен и густ зелени материјал, са малим скупљањем при печењу и равномерним скупљањем у свим правцима, али опрема је сложена и скупа, а ефикасност производње није висока и погодно је само за производњу материјала са посебним захтевима.

2. Мокро обликовање

2.1 Фугирање
Процес фугирања је сличан ливењу траке, с тим што процес калуповања укључује процес физичке дехидрације и процес хемијске коагулације. Физичка дехидрација уклања воду из суспензије капиларним дејством порозног гипсаног калупа. Ca2+ настао растварањем површинског CaSO4 повећава јонску јачину суспензије, што доводи до флокулације суспензије.
Под дејством физичке дехидрације и хемијске коагулације, честице керамичког праха се таложе на зиду гипсаног калупа. Фугирање је погодно за израду великих керамичких делова сложених облика, али квалитет зеленог тела, укључујући облик, густину, чврстоћу итд., је лош, интензитет рада радника је висок и није погодно за аутоматизоване операције.

2.2 Ливење под притиском
Ливење под топлим калупом је мешање керамичког праха са везивом (парафином) на релативно високој температури (60~100℃) да би се добила суспензија за ливење под топлим калупом. Суспензија се убризгава у метални калуп под дејством компримованог ваздуха, а притисак се одржава. Хлађење, вађење из калупа да би се добио воштани бланк, воштани бланк се девоскинира под заштитом инертног праха да би се добио зелени бланк, а зелени бланк се синтерује на високој температури да би постао порцелан.

Зелено тело формирано врућим ливењем под притиском има прецизне димензије, уједначену унутрашњу структуру, мање хабање калупа и високу ефикасност производње, и погодно је за различите сировине. Температура воскасте каше и калупа мора бити строго контролисана, у супротном ће доћи до недовољног убризгавања или деформације, тако да није погодно за производњу великих делова, а двостепени процес печења је компликован и потрошња енергије је велика.

2.3 Ливење траке
Ливење траком је потпуно мешање керамичког праха са великом количином органских везива, пластификатора, дисперзаната итд. да би се добила текућа вискозна суспензија, додавање суспензије у левак машине за ливење и коришћење стругача за контролу дебљине. Излази на транспортну траку кроз млазницу за довод, а након сушења се добија филмски бланк.

Овај поступак је погодан за припрему филмских материјала. Да би се постигла боља флексибилност, додаје се велика количина органске материје, а параметри процеса морају бити строго контролисани, у супротном ће лако изазвати недостатке попут љуштења, пруга, мале чврстоће филма или тешког љуштења. Органска материја која се користи је токсична и изазива загађење животне средине, па би требало што више користити нетоксични или мање токсичан систем како би се смањило загађење животне средине.

2.4 Бризгање гела
Технологија бризгања гела је нови колоидни процес брзог прототипирања који су први пут изумели истраживачи у Националној лабораторији Оук Риџ почетком 1990-их. У његовој суштини је употреба раствора органских мономера који полимеризују у високо чврсте, бочно повезане гелове полимер-растварач.

Каша керамичког праха растворена у раствору органских мономера се излива у калуп, а смеша мономера полимеризује се и формира желирани део. Пошто бочно повезани полимер-растварац садржи само 10%–20% (масенски удео) полимера, лако је уклонити растварач из гела сушењем. Истовремено, због бочне везе полимера, полимери не могу да мигрирају са растварачем током процеса сушења.

Ова метода се може користити за производњу једнофазних и композитних керамичких делова, који могу формирати керамичке делове сложеног облика, квази-мрежасте величине, а њихова зелена чврстоћа је висока и до 20-30 МПа или више, што их може поново обрађивати. Главни проблем ове методе је што је стопа скупљања тела ембриона релативно висока током процеса згушњавања, што лако доводи до деформације тела ембриона; неки органски мономери имају инхибицију кисеоника, што узрокује љуштење и отпадање површине; због процеса полимеризације органских мономера изазваног температуром, узроковано стругање услед температуре доводи до постојања унутрашњег напрезања, што узрокује ломљење бланка и тако даље.

2.5 Директно очвршћавање методом бризгања
Директно солидификационо бризгање је технологија ливења коју је развио ЕТХ Цирих: растварач вода, керамички прах и органски адитиви се потпуно мешају да би се формирала електростатички стабилна, нисковискозна суспензија са високим садржајем чврстих материја, која се може променити додавањем pH вредности суспензије или хемикалија које повећавају концентрацију електролита, а затим се суспензија убризгава у непорозни калуп.

Контролишите напредак хемијских реакција током процеса. Реакција пре бризгања се одвија споро, вискозност суспензије се одржава ниском, а реакција се убрзава након бризгања, суспензија се стврдњава, а течна суспензија се трансформише у чврсто тело. Добијено зелено тело има добра механичка својства и чврстоћа може достићи 5kPa. Зелено тело се извади из калупа, осуши и синтерује да би се формирао керамички део жељеног облика.

Његове предности су што му није потребна или је потребна само мала количина органских адитива (мање од 1%), зелено тело не треба одмашћивати, густина зеленог тела је уједначена, релативна густина је висока (55%~70%), и може формирати керамичке делове великих димензија и сложених облика. Његова мана је што су адитиви скупи, а гас се генерално ослобађа током реакције.

2.6 Бризгање
Бризгање се дуго користи у обликовању пластичних производа и обликовању металних калупа. Овај процес користи нискотемпературно очвршћавање термопластичних органских једињења или високотемпературно очвршћавање термореактивних органских једињења. Прах и органски носач се мешају у посебној опреми за мешање, а затим се убризгавају у калуп под високим притиском (десетине до стотине MPa). Због великог притиска обликовања, добијени бланкови имају прецизне димензије, високу глаткоћу и компактну структуру; употреба посебне опреме за обликовање значајно побољшава ефикасност производње.

Крајем 1970-их и почетком 1980-их, поступак бризгања је примењен на обликовање керамичких делова. Овај поступак остварује пластично обликовање неплодних материјала додавањем велике количине органске материје, што је уобичајени поступак обликовања керамичке пластике. У технологији бризгања, поред употребе термопластичних органских материја (као што су полиетилен, полистирен), термореактивних органских материја (као што су епоксидна смола, фенолна смола) или полимера растворљивих у води као главног везива, неопходно је додати одређене количине помоћних средстава у процесу као што су пластификатори, мазива и средства за везивање како би се побољшала флуидност керамичке суспензије за бризгање и осигурао квалитет тела обликованог бризгањем.

Процес бризгања има предности високог степена аутоматизације и прецизне величине бланка за калуп. Међутим, садржај органских материја у зеленом телу бризгано ливених керамичких делова је висок и до 50 вол.%. Потребно је дуго времена, чак од неколико дана до десетина дана, да се ове органске супстанце елиминишу у накнадном процесу синтеровања, и лако је изазвати недостатке у квалитету.

2.7 Колоидно бризгање
Да би се решили проблеми велике количине додате органске материје и тешкоће у отклањању тешкоћа у традиционалном процесу бризгања, Универзитет Цингхуа је креативно предложио нови поступак за колоидно бризгање керамике и независно развио прототип колоидног бризгања како би се реализовало обликовање неплодне керамичке суспензије.

Основна идеја је комбиновање колоидног обликовања са бризгањем, коришћењем патентиране опреме за бризгање и нове технологије очвршћавања коју пружа процес колоидног обликовања са солидификацијом на лицу места. Овај нови процес користи мање од 4 теж.% органске материје. Мала количина органских мономера или органских једињења у суспензији на бази воде користи се за брзо индуковање полимеризације органских мономера након убризгавања у калуп како би се формирао органски мрежни скелет, који равномерно обавија керамички прах. Између осталог, не само да је време дегумирања знатно скраћено, већ је и могућност пуцања дегумирања знатно смањена.

Постоји огромна разлика између бризгања керамике и колоидног обликовања. Главна разлика је у томе што прво спада у категорију пластичног обликовања, а друго у обликовање муља, односно муља нема пластичност и представља неплодан материјал. Пошто муља нема пластичност код колоидног обликовања, традиционална идеја бризгања керамике не може се усвојити. Ако се колоидно обликовање комбинује са бризгањем, колоидно бризгање керамичких материјала се остварује коришћењем патентиране опреме за бризгање и нове технологије очвршћавања коју пружа колоидни процес обликовања на лицу места.

Нови процес колоидног бризгања керамике разликује се од општег колоидног обликовања и традиционалног бризгања. Предност високог степена аутоматизације обликовања је квалитативна сублимација процеса колоидног обликовања, што ће постати нада за индустријализацију високотехнолошке керамике.