Девять процессов высокоточной формовки циркониевой керамики

Девять процессов высокоточной формовки циркониевой керамики
Процесс формования играет связующую роль во всем процессе подготовки керамических материалов и является ключом к обеспечению надежности характеристик и воспроизводимости производства керамических материалов и компонентов.
С развитием общества традиционные методы ручного замешивания, формования на гончарном круге, затирки швов и т.д. в производстве традиционной керамики перестали отвечать потребностям современного общества в производстве и совершенствовании, поэтому появился новый процесс формования. Тонкопленочные керамические материалы на основе ZrO2 широко используются в следующих 9 типах формования (2 типа сухих методов и 7 типов влажных методов):

1. Сухое формование

1.1 Сухое прессование

Сухое прессование использует давление для придания керамическому порошку определенной формы изделия. Суть метода заключается в том, что под действием внешней силы частицы порошка сближаются в форме и прочно соединяются за счет внутреннего трения, сохраняя определенную форму. Основной дефект изделий, полученных сухим прессованием, — это отслаивание, которое происходит из-за внутреннего трения между порошками и трения между порошками и стенкой формы, что приводит к потере давления внутри изделия.

Преимуществами сухого прессования являются точный размер заготовки, простота операции и удобство механизации; содержание влаги и связующих веществ в заготовке, полученной сухим прессованием, меньше, а усадка при сушке и обжиге невелика. Оно в основном используется для формования изделий простой формы с малым соотношением сторон. Недостатком сухого прессования является увеличение себестоимости производства из-за износа пресс-формы.

1.2 Изостатическое прессование

Изостатическое прессование — это особый метод формования, разработанный на основе традиционного сухого прессования. Он использует давление жидкости для равномерного распределения давления на порошок внутри эластичной формы со всех сторон. Благодаря постоянному внутреннему давлению жидкости, порошок испытывает одинаковое давление во всех направлениях, что позволяет избежать разницы в плотности заготовки.

Изостатическое прессование подразделяется на прессование влажными мешками и прессование сухими мешками. Прессование влажными мешками позволяет получать изделия сложной формы, но работает только в прерывистом режиме. Прессование сухими мешками обеспечивает автоматический непрерывный режим работы, но позволяет получать изделия только простой формы, такие как квадратное, круглое и трубчатое сечение. Изостатическое прессование позволяет получить однородный и плотный заготовочный материал с малой усадкой при обжиге и равномерной усадкой во всех направлениях, но оборудование сложное и дорогостоящее, а производительность невысокая, поэтому подходит только для производства материалов со специальными требованиями.

2. Мокрая формовка

2.1 Затирка швов
Процесс формования методом заполнения раствором аналогичен ленточному литью, разница заключается в том, что процесс формования включает в себя физическую дегидратацию и химическую коагуляцию. Физическая дегидратация удаляет воду из суспензии за счет капиллярного действия пористой гипсовой формы. Ионы Ca2+, образующиеся в результате растворения поверхностного CaSO4, увеличивают ионную силу суспензии, что приводит к ее флокуляции.
Под действием физического обезвоживания и химической коагуляции частицы керамического порошка осаждаются на стенках гипсовой формы. Затирка швов подходит для изготовления крупномасштабных керамических деталей сложной формы, однако качество заготовки, включая форму, плотность, прочность и т. д., низкое, трудоемкость процесса высока, и он не подходит для автоматизированных операций.

2.2 Горячее литье под давлением
Литье под давлением заключается в смешивании керамического порошка со связующим веществом (парафином) при относительно высокой температуре (60–100 ℃) для получения суспензии. Суспензия впрыскивается в металлическую форму под действием сжатого воздуха, при этом поддерживается давление. После охлаждения и извлечения из формы получают восковую заготовку, восковая заготовка подвергается депарафинизации под защитой инертного порошка для получения заготовки, а заготовка спекается при высокой температуре для получения фарфора.

Заготовка, полученная методом горячего литья под давлением, имеет точные размеры, однородную внутреннюю структуру, меньший износ формы и высокую производительность, а также подходит для различных видов сырья. Температура восковой суспензии и формы должна строго контролироваться, иначе это приведет к недоливу или деформации, поэтому этот метод не подходит для изготовления крупных деталей, а двухступенчатый процесс обжига сложен и энергозатратен.

2.3 Ленточная трансляция
Ленточное литье заключается в тщательном смешивании керамического порошка с большим количеством органических связующих, пластификаторов, диспергаторов и т. д. для получения текучей вязкой суспензии, добавлении суспензии в бункер литьевой машины и контроле толщины с помощью скребка. Суспензия поступает на конвейерную ленту через подающее сопло, и после сушки получается пленочная заготовка.

Этот процесс подходит для получения пленочных материалов. Для достижения большей гибкости добавляется большое количество органического вещества, и параметры процесса должны строго контролироваться, иначе легко могут возникнуть дефекты, такие как отслаивание, полосы, низкая прочность пленки или затрудненное отслаивание. Используемое органическое вещество токсично и вызывает загрязнение окружающей среды, поэтому для снижения загрязнения окружающей среды следует по возможности использовать нетоксичные или менее токсичные системы.

2.4 Литье геля под давлением
Технология литья гелей под давлением — это новый коллоидный процесс быстрого прототипирования, впервые изобретенный исследователями из Национальной лаборатории Ок-Ридж в начале 1990-х годов. В его основе лежит использование растворов органических мономеров, которые полимеризуются в высокопрочные, латерально связанные полимерно-растворительные гели.

В форму заливают суспензию керамического порошка, растворенного в растворе органических мономеров, и мономерная смесь полимеризуется, образуя гелеобразное изделие. Поскольку латерально связанный полимер-растворитель содержит всего 10–20% (массовая доля) полимера, растворитель легко удаляется из гелеобразного изделия путем сушки. В то же время, благодаря латеральной связи полимеров, полимеры не могут мигрировать вместе с растворителем в процессе сушки.

Этот метод может быть использован для изготовления однофазных и композитных керамических деталей, позволяющих формировать детали сложной формы с квази-сетчатой ​​структурой, прочность которых в сыром состоянии достигает 20-30 МПа и более, что обеспечивает возможность повторной переработки. Основная проблема этого метода заключается в относительно высокой степени усадки заготовки в процессе уплотнения, что легко приводит к ее деформации; некоторые органические мономеры обладают кислородным ингибированием, что вызывает отслаивание и разрушение поверхности; из-за процесса полимеризации органических мономеров, вызванного температурой, возникает внутреннее напряжение, приводящее к разрушению заготовок и т.д.

2.5 Литье под давлением с прямым затвердеванием
Литье под давлением с прямым затвердеванием — это технология формования, разработанная ETH Zurich: растворитель — вода, керамический порошок и органические добавки — полностью смешиваются для образования электростатически стабильной суспензии с низкой вязкостью и высоким содержанием твердых веществ, pH которой можно изменять путем добавления химических веществ, повышающих концентрацию электролита, после чего суспензия впрыскивается в непористую форму.

Контролировать ход химических реакций в процессе. Реакция перед литьем под давлением проводится медленно, вязкость суспензии поддерживается на низком уровне, а после литья под давлением реакция ускоряется, суспензия затвердевает, и жидкая суспензия превращается в твердое тело. Полученная заготовка обладает хорошими механическими свойствами, прочность может достигать 5 кПа. Заготовку извлекают из формы, сушат и спекают для получения керамической детали желаемой формы.

Его преимуществами являются отсутствие или минимальное количество органических добавок (менее 1%), отсутствие необходимости в обезжиривании заготовки, равномерная плотность заготовки, высокая относительная плотность (55%~70%), а также возможность изготовления крупногабаритных и сложных по форме керамических деталей. Недостатком является высокая стоимость добавок и, как правило, выделение газов в процессе реакции.

2.6 Литье под давлением
Литье под давлением давно используется для формования пластмассовых изделий и металлических пресс-форм. В этом процессе применяется низкотемпературное отверждение термопластичных органических материалов или высокотемпературное отверждение термореактивных органических материалов. Порошок и органический носитель смешиваются в специальном смесительном оборудовании, а затем впрыскиваются в пресс-форму под высоким давлением (от десятков до сотен МПа). Благодаря высокому давлению формования, полученные заготовки имеют точные размеры, высокую гладкость и компактную структуру; использование специального формовочного оборудования значительно повышает эффективность производства.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов для формования керамических деталей был применен метод литья под давлением. Этот процесс позволяет осуществлять пластическое формование нелегированных материалов путем добавления большого количества органического вещества, что является распространенным методом пластического формования керамики. 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 основного связующего, необходимо добавлять определенное количество технологических добавок, таких как пластификаторы, смазки и связующие вещества, для улучшения текучести керамической суспензии для литья под давлением и обеспечения качества отлитого под давлением изделия.

Процесс литья под давлением обладает преимуществами высокой степени автоматизации и точных размеров заготовки. Однако содержание органических веществ в заготовке из керамических деталей, полученных методом литья под давлением, достигает 50 об.%. Для удаления этих органических веществ в процессе последующего спекания требуется много времени, вплоть до нескольких дней или десятков дней, что легко может привести к дефектам качества.

2.7 Коллоидное литье под давлением
Для решения проблем, связанных с большим количеством добавляемого органического вещества и сложностью устранения трудностей традиционного процесса литья под давлением, Университет Цинхуа предложил новый процесс коллоидного литья под давлением керамики и самостоятельно разработал прототип коллоидного литья под давлением для осуществления формования бессырьевой керамической суспензии.

Основная идея заключается в сочетании коллоидного формования с литьевым формованием, с использованием запатентованного инжекционного оборудования и новой технологии отверждения, обеспечиваемой процессом коллоидного формования с in-situ затвердеванием. В этом новом процессе используется менее 4 мас.% органического вещества. Небольшое количество органических мономеров или органических соединений в водной суспензии используется для быстрого инициирования полимеризации органических мономеров после впрыскивания в форму с образованием органического сетчатого каркаса, который равномерно обволакивает керамический порошок. При этом значительно сокращается не только время удаления камеди, но и значительно снижается вероятность растрескивания при удалении камеди.

Между литьём керамики под давлением и коллоидным формованием существует огромная разница. Главное отличие заключается в том, что первое относится к категории пластического формования, а второе — к формованию суспензий, то есть суспензия не обладает пластичностью и представляет собой бесформенный материал. Поскольку суспензия не обладает пластичностью при коллоидном формовании, традиционная идея литья керамики под давлением неприменима. Если коллоидное формование объединить с литьём под давлением, то коллоидное литьё керамики под давлением реализуется с использованием запатентованного литьевого оборудования и новой технологии отверждения, обеспечиваемой процессом коллоидного формования in situ.

Новый процесс коллоидного литья под давлением керамики отличается от общего коллоидного литья и традиционного литья под давлением. Преимуществом является высокая степень автоматизации процесса литья, которая качественно улучшает коллоидный процесс и станет надеждой на индустриализацию высокотехнологичной керамики.