Девять процессов точного формования циркониевой керамики

Девять процессов точного формования циркониевой керамики
Процесс формования играет связующую роль во всем процессе подготовки керамических материалов и является ключом к обеспечению надежности характеристик и повторяемости производства керамических материалов и компонентов.
С развитием общества традиционные методы ручного замешивания, формования на круге, заливки и т.д., применяемые в традиционной керамике, больше не могут отвечать потребностям современного общества в производстве и совершенствовании, поэтому родился новый метод формования. Тонкодисперсные керамические материалы на основе диоксида циркония (ZrO2) широко используются в следующих 9 методах формования (2 типа сухих и 7 типов мокрых методов):

1. Сухая формовка

1.1 Сухое прессование

Сухое прессование – это метод прессования керамического порошка под давлением, придающий ему форму изделия. Суть метода заключается в том, что под действием внешней силы частицы порошка сближаются в пресс-форме и прочно соединяются за счёт внутреннего трения, сохраняя заданную форму. Основным дефектом прессованных методом сухого прессования сырых изделий является скол, возникающий из-за внутреннего трения между порошками и трения между ними и стенками пресс-формы, что приводит к потере давления внутри изделия.

Преимуществами сухого прессования являются точность размеров сырца, простота эксплуатации и удобство механизации; низкое содержание влаги и связующего в сырце, а также малая усадка при сушке и обжиге. Сухое прессование в основном применяется для формования изделий простой формы с малым соотношением сторон. Недостатком сухого прессования является повышенная стоимость производства, вызванная износом пресс-форм.

1.2 Изостатическое прессование

Изостатическое прессование — это особый метод формования, разработанный на основе традиционного сухого прессования. Он использует давление, передаваемое жидкостью, для равномерного распределения давления на порошок внутри эластичной формы со всех сторон. Благодаря постоянству внутреннего давления жидкости, порошок выдерживает одинаковое давление во всех направлениях, что позволяет избежать разницы в плотности сырца.

Изостатическое прессование подразделяется на прессование в мокром мешке и прессование в сухом мешке. Прессование в мокром мешке позволяет формировать изделия сложной формы, но работает только периодически. Прессование в сухом мешке может работать в автоматическом режиме непрерывно, но может формировать изделия только простой формы, например, квадратного, круглого и трубчатого сечения. Изостатическое прессование позволяет получать однородные и плотные неспеченные изделия с малой усадкой при обжиге и равномерной усадкой во всех направлениях. Однако оборудование для этого сложное и дорогостоящее, а эффективность производства невысокая, поэтому оно подходит только для производства материалов с особыми требованиями.

2. Мокрое формование

2.1 Затирка швов
Процесс формования с заливкой аналогичен литью в ленту, отличие заключается в том, что процесс формования включает в себя физическую дегидратацию и химическую коагуляцию. Физическая дегидратация удаляет воду из шликера благодаря капиллярному эффекту пористой гипсовой формы. Ионы Ca2+, образующиеся при растворении поверхностного CaSO4, увеличивают ионную силу шликера, что приводит к его флокуляции.
Под действием физической дегидратации и химической коагуляции частицы керамического порошка осаждаются на стенках гипсовой формы. Заливка подходит для изготовления крупногабаритных керамических изделий сложной формы, однако качество сырца, включая форму, плотность, прочность и т.д., низкое, трудоёмкость высока, и этот метод не подходит для автоматизированных процессов.

2.2 Горячее литье под давлением
Горячее литье под давлением заключается в смешивании керамического порошка со связующим (парафином) при относительно высокой температуре (60–100 °C) для получения шликера для горячего литья под давлением. Шликер впрыскивается в металлическую форму под действием сжатого воздуха, поддерживая заданное давление. После охлаждения и извлечения из формы получается восковая заготовка, которая затем депарафинируется под защитой инертного порошка для получения сырца, который затем спекается при высокой температуре для получения фарфора.

Горячее литьё под давлением (ЗГЛ) характеризуется точными размерами, однородной внутренней структурой, меньшим износом пресс-формы и высокой производительностью, а также подходит для различных видов сырья. Температура восковой суспензии и пресс-формы должна строго контролироваться, иначе может возникнуть недолив или деформация. Поэтому этот метод не подходит для изготовления крупногабаритных деталей. Двухступенчатый обжиг сложен и требует высокого энергопотребления.

2.3 Ленточное литье
Литье плёнки заключается в тщательном перемешивании керамического порошка с большим количеством органических связующих, пластификаторов, диспергаторов и т.д. до получения текучей вязкой суспензии, после чего суспензия поступает в бункер литейной машины и регулируется её густотой с помощью скребка. Суспензия через сопло поступает на конвейерную ленту, и после сушки получается заготовка плёнки.

Этот процесс подходит для изготовления пленочных материалов. Для достижения большей гибкости добавляется большое количество органического вещества, и параметры процесса должны строго контролироваться, в противном случае легко могут возникнуть такие дефекты, как отслоение, образование полос, низкая прочность пленки или затрудненное отслоение. Используемое органическое вещество токсично и загрязняет окружающую среду, поэтому для снижения загрязнения окружающей среды следует максимально использовать нетоксичную или менее токсичную систему.

2.4 Инжекционное формование геля
Технология литья гелей под давлением — это новый метод быстрого коллоидного прототипирования, впервые разработанный исследователями Национальной лаборатории Ок-Ридж в начале 1990-х годов. В его основе лежит использование растворов органических мономеров, которые полимеризуются в высокопрочные, латерально сшитые полимер-растворитель гели.

Суспензию керамического порошка, растворенного в растворе органических мономеров, заливают в форму, и смесь мономеров полимеризуется с образованием гелеобразной детали. Поскольку в составе полимер-растворитель с боковыми связями содержится всего 10–20% (массовая доля) полимера, растворитель легко удаляется из гелевой детали сушкой. В то же время, благодаря боковым связям полимеров, они не могут мигрировать вместе с растворителем в процессе сушки.

Этот метод позволяет изготавливать однофазные и композитные керамические детали сложной формы, квазисетчатого размера, с прочностью в сыром состоянии 20-30 МПа и более, пригодные для вторичной переработки. Основная проблема этого метода заключается в том, что скорость усадки зародышевого тела в процессе уплотнения относительно высока, что легко приводит к его деформации; некоторые органические мономеры ингибируются кислородом, что приводит к отслаиванию и отслоению поверхности; из-за процесса полимеризации органических мономеров под действием температуры, вызывающего температурное бритье, возникают внутренние напряжения, что приводит к разрушению заготовок и т. д.

2.5 Литье под давлением методом прямой кристаллизации
Литье под давлением с прямой кристаллизацией — это технология литья, разработанная Швейцарской высшей технической школой Цюриха: вода-растворитель, керамический порошок и органические добавки полностью смешиваются для образования электростатически стабильной, маловязкой суспензии с высоким содержанием твердого вещества, которую можно изменять путем добавления pH суспензии или химических веществ, повышающих концентрацию электролита, затем суспензия впрыскивается в непористую форму.

Контролируйте ход химических реакций в процессе. Реакция перед литьем под давлением протекает медленно, вязкость шликера поддерживается на низком уровне, а после литья под давлением реакция ускоряется, шликер затвердевает, и текучая масса превращается в твёрдое тело. Полученное сырьё обладает хорошими механическими свойствами и прочностью до 5 кПа. Сырьё извлекается из формы, сушится и спекается для получения керамической детали желаемой формы.

Преимущества метода заключаются в отсутствии необходимости в органических добавках или в их небольшом количестве (менее 1%), отсутствии необходимости обезжиривания сырца, однородности плотности сырца, высокой относительной плотности (55–70%) и возможности формования крупногабаритных и сложных по форме керамических изделий. Недостатки метода заключаются в высокой стоимости добавок и в том, что в ходе реакции обычно выделяется газ.

2.6 Литье под давлением
Литье под давлением давно применяется для литья пластмассовых изделий и изготовления металлических форм. Этот процесс основан на низкотемпературном отверждении термопластичных органических материалов или высокотемпературном отверждении термореактивных органических материалов. Порошок и органический носитель смешиваются в специальном смесительном оборудовании, а затем под высоким давлением (десятки-сотни МПа) впрыскиваются в форму. Благодаря высокому давлению формования получаемые заготовки имеют точные размеры, высокую гладкость и компактную структуру; использование специального литьевого оборудования значительно повышает эффективность производства.

В конце 1970-х – начале 1980-х годов литье под давлением стало применяться для формования керамических изделий. Этот процесс реализует пластическое формование пустых материалов путем добавления большого количества органических веществ, что является распространённым процессом формования керамических изделий. В технологии литья под давлением, помимо использования термопластичных органических веществ (таких как полиэтилен, полистирол), термореактивных органических веществ (таких как эпоксидная смола, фенольная смола) или водорастворимых полимеров в качестве основных связующих, необходимо добавлять определённое количество технологических добавок, таких как пластификаторы, смазочные вещества и связующие агенты, для улучшения текучести керамической суспензии и обеспечения качества литьевого изделия.

Процесс литья под давлением обладает преимуществами высокой степени автоматизации и точного размера формовочной заготовки. Однако содержание органических веществ в сыром материале литьевых керамических изделий достигает 50 об.%. Удаление этих органических веществ в процессе последующего спекания занимает много времени, от нескольких дней до десятков дней, что может привести к снижению качества.

2.7 Коллоидное литье под давлением
Чтобы решить проблемы, связанные с большим количеством добавляемого органического вещества и трудностями устранения трудностей, присущих традиционному процессу литья под давлением, Университет Цинхуа творчески предложил новый процесс коллоидного литья керамики под давлением и самостоятельно разработал прототип коллоидного литья под давлением, позволяющий осуществлять литье пустой керамической суспензии под давлением.

Основная идея заключается в сочетании коллоидного формования с литьем под давлением с использованием запатентованного оборудования для литья под давлением и новой технологии отверждения, обеспечиваемой методом коллоидного формования с кристаллизацией in-situ. Этот новый процесс использует менее 4% органического вещества. Небольшое количество органических мономеров или органических соединений в водной суспензии используется для быстрой полимеризации органических мономеров после впрыскивания в форму с образованием органического сетчатого каркаса, равномерно обволакивающего керамический порошок. Благодаря этому не только значительно сокращается время дегуммирования, но и значительно снижается вероятность растрескивания.

Между литьём керамики под давлением и коллоидным формованием существует огромная разница. Главное отличие заключается в том, что первое относится к литью пластмасс, а второе – к формованию суспензий, то есть суспензия не обладает пластичностью и представляет собой бесформенный материал. Поскольку суспензия при коллоидном формовании не обладает пластичностью, традиционная концепция литья керамики под давлением неприменима. В сочетании с коллоидным формованием литьё под давлением коллоидное литьё керамических материалов реализуется с использованием запатентованного инжекционного оборудования и новой технологии отверждения, обеспечиваемой процессом коллоидного формования in situ.

Новый процесс коллоидного литья керамики под давлением отличается от обычного коллоидного литья и традиционного литья под давлением. Преимуществом высокой степени автоматизации процесса является качественная сублимация процесса коллоидного литья, что станет надеждой на индустриализацию высокотехнологичной керамики.