Devet procesa preciznog oblikovanja cirkonijeve keramike
Proces oblikovanja igra povezujuću ulogu u cijelom procesu pripreme keramičkih materijala i ključan je za osiguranje pouzdanosti performansi i ponovljivosti proizvodnje keramičkih materijala i komponenti.
Razvojem društva, tradicionalne metode ručnog mijesenja, oblikovanja kotačem, fugiranja itd. tradicionalne keramike više ne mogu zadovoljiti potrebe modernog društva za proizvodnjom i usavršavanjem, pa je nastao novi proces oblikovanja. Fini keramički materijali ZrO2 široko se koriste u sljedećih 9 vrsta procesa oblikovanja (2 vrste suhih metoda i 7 vrsta mokrih metoda):
1. Suho oblikovanje
1.1 Suho prešanje
Suho prešanje koristi tlak za prešanje keramičkog praha u određeni oblik tijela. Njegova je bit da se pod djelovanjem vanjske sile čestice praha približavaju jedna drugoj u kalupu i čvrsto se spajaju unutarnjim trenjem kako bi zadržale određeni oblik. Glavni nedostatak suho prešanih zelenih tijela je ljuštenje, koje nastaje zbog unutarnjeg trenja između prahova i trenja između prahova i stijenke kalupa, što rezultira gubitkom tlaka unutar tijela.
Prednosti suhog prešanja su točnost veličine zelenog tijela, jednostavan rad i praktičnost mehaniziranog rada; sadržaj vlage i veziva u zelenom suhom prešanju je manji, a skupljanje prilikom sušenja i pečenja je malo. Uglavnom se koristi za oblikovanje proizvoda jednostavnih oblika, a omjer stranica je mali. Nedostatak suhog prešanja su povećani troškovi proizvodnje uzrokovani trošenjem kalupa.
1.2 Izostatsko prešanje
Izostatsko prešanje je posebna metoda oblikovanja razvijena na temelju tradicionalnog suhog prešanja. Koristi tlak prijenosa fluida kako bi se ravnomjerno primijenio tlak na prah unutar elastičnog kalupa iz svih smjerova. Zbog konzistentnosti unutarnjeg tlaka fluida, prah podnosi isti tlak u svim smjerovima, pa se može izbjeći razlika u gustoći sirovog tijela.
Izostatsko prešanje dijeli se na izostatsko prešanje u mokrim vrećama i izostatsko prešanje u suhim vrećama. Izostatsko prešanje u mokrim vrećama može oblikovati proizvode složenih oblika, ali može raditi samo povremeno. Izostatsko prešanje u suhim vrećama može ostvariti automatski kontinuirani rad, ali može oblikovati samo proizvode jednostavnih oblika poput kvadratnih, okruglih i cjevastih presjeka. Izostatsko prešanje može dobiti ujednačeno i gusto zeleno tijelo, s malim skupljanjem prilikom pečenja i ujednačenim skupljanjem u svim smjerovima, ali oprema je složena i skupa, a učinkovitost proizvodnje nije visoka i prikladna je samo za proizvodnju materijala sa posebnim zahtjevima.
2. Mokro oblikovanje
2.1 Fugiranje
Postupak oblikovanja fugiranjem sličan je lijevanju trake, razlika je u tome što postupak oblikovanja uključuje postupak fizičke dehidracije i postupak kemijske koagulacije. Fizička dehidracija uklanja vodu iz suspenzije kapilarnim djelovanjem poroznog gipsanog kalupa. Ca2+ koji nastaje otapanjem površinskog CaSO4 povećava ionsku jakost suspenzije, što rezultira flokulacijom suspenzije.
Pod djelovanjem fizičke dehidracije i kemijske koagulacije, čestice keramičkog praha talože se na stijenku gipsanog kalupa. Fugiranje je prikladno za izradu velikih keramičkih dijelova složenih oblika, ali kvaliteta zelenog tijela, uključujući oblik, gustoću, čvrstoću itd., je loša, intenzitet rada radnika je visok i nije prikladno za automatizirane operacije.
2.2 Vruće lijevanje u kalupu
Vruće lijevanje pod pritiskom je miješanje keramičkog praha s vezivom (parafinom) na relativno visokoj temperaturi (60~100℃) kako bi se dobila suspenzija za vruće lijevanje pod pritiskom. Suspenzija se ubrizgava u metalni kalup pod djelovanjem komprimiranog zraka i tlak se održava. Hlađenje, vađenje iz kalupa kako bi se dobio voštani blank, voštani blank se devoskira pod zaštitom inertnog praha kako bi se dobio zeleni materijal, a zeleni materijal se sinterira na visokoj temperaturi kako bi postao porculan.
Zeleni dio oblikovan vrućim lijevanjem pod pritiskom ima precizne dimenzije, ujednačenu unutarnju strukturu, manje trošenje kalupa i visoku proizvodnu učinkovitost te je prikladan za različite sirovine. Temperatura voštane suspenzije i kalupa mora se strogo kontrolirati, inače će doći do podbrizgavanja ili deformacije, pa nije prikladan za proizvodnju velikih dijelova, a dvostupanjski proces pečenja je kompliciran i potrošnja energije je visoka.
2.3 Lijevanje trake
Lijevanje trake je potpuno miješanje keramičkog praha s velikom količinom organskih veziva, plastifikatora, disperzanata itd. kako bi se dobila tekuća viskozna suspenzija, dodavanje suspenzije u lijevak stroja za lijevanje i korištenje strugača za kontrolu debljine. Izlazi na transportnu traku kroz mlaznicu za punjenje, a nakon sušenja dobiva se film.
Ovaj postupak je prikladan za pripremu filmskih materijala. Kako bi se postigla bolja fleksibilnost, dodaje se velika količina organske tvari, a parametri postupka moraju se strogo kontrolirati, inače će lako uzrokovati nedostatke poput ljuštenja, pruga, niske čvrstoće filma ili teškog ljuštenja. Korištena organska tvar je otrovna i uzrokovat će onečišćenje okoliša, te bi se trebao što više koristiti netoksičan ili manje toksičan sustav kako bi se smanjilo onečišćenje okoliša.
2.4 Injekcijsko oblikovanje gela
Tehnologija gel injekcijskog prešanja novi je koloidni proces brze izrade prototipa koji su prvi izumili istraživači u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge početkom 1990-ih. U njegovoj srži je korištenje otopina organskih monomera koje polimeriziraju u visokočvrste, bočno povezane gelove polimer-otapalo.
Suspenzija keramičkog praha otopljenog u otopini organskih monomera lijeva se u kalup, a smjesa monomera polimerizira i formira gelirani dio. Budući da bočno povezani polimer-otapalo sadrži samo 10%-20% (maseni udio) polimera, otapalo je lako ukloniti iz geliranog dijela sušenjem. Istovremeno, zbog bočne veze polimera, polimeri ne mogu migrirati s otapalom tijekom procesa sušenja.
Ova metoda može se koristiti za proizvodnju jednofaznih i kompozitnih keramičkih dijelova, koji mogu formirati keramičke dijelove složenog oblika, kvazi-mrežne veličine, a njihova zelena čvrstoća je visoka i do 20-30 MPa ili više, što ih je moguće ponovno obraditi. Glavni problem ove metode je što je stopa skupljanja tijela embrija relativno visoka tijekom procesa zgušnjavanja, što lako dovodi do deformacije tijela embrija; neki organski monomeri imaju inhibiciju kisika, što uzrokuje ljuštenje i otpadanje površine; zbog procesa polimerizacije organskih monomera induciranog temperaturom, uzrokovano temperaturno skupljanje dovodi do postojanja unutarnjeg naprezanja, što uzrokuje lomljenje komada i tako dalje.
2.5 Izravno skrućivanje injekcijskim prešanjem
Izravno skrućivanje injekcijskim prešanjem je tehnologija prešanja koju je razvio ETH Zurich: otapalo voda, keramički prah i organski aditivi se potpuno miješaju kako bi se formirala elektrostatički stabilna, niskoviskozna suspenzija s visokim udjelom krutih tvari, koja se može promijeniti dodavanjem pH suspenzije ili kemikalija koje povećavaju koncentraciju elektrolita, a zatim se suspenzija ubrizgava u neporozni kalup.
Kontrolirajte napredak kemijskih reakcija tijekom procesa. Reakcija prije injekcijskog prešanja provodi se polako, viskoznost suspenzije se održava niskom, a reakcija se ubrzava nakon injekcijskog prešanja, suspenzija se skrutnjava, a tekuća suspenzija se pretvara u čvrsto tijelo. Dobiveni zeleni dio ima dobra mehanička svojstva, a čvrstoća može doseći 5 kPa. Zeleni dio se vadi iz kalupa, suši i sinterira kako bi se formirao keramički dio željenog oblika.
Njegove prednosti su što ne treba ili treba samo malu količinu organskih aditiva (manje od 1%), zeleno tijelo ne treba odmašćivati, gustoća zelenog tijela je ujednačena, relativna gustoća je visoka (55%~70%), i može oblikovati keramičke dijelove velikih dimenzija i složenog oblika. Njegov nedostatak je što su aditivi skupi, a tijekom reakcije se općenito oslobađa plin.
2.6 Injekcijsko prešanje
Brizganje se dugo koristi u oblikovanju plastičnih proizvoda i oblikovanju metalnih kalupa. Ovaj proces koristi stvrdnjavanje termoplastičnih organskih tvari na niskim temperaturama ili stvrdnjavanje termoreaktivnih organskih tvari na visokim temperaturama. Prašak i organski nosač miješaju se u posebnoj opremi za miješanje, a zatim se ubrizgavaju u kalup pod visokim tlakom (desetke do stotine MPa). Zbog velikog tlaka oblikovanja, dobiveni komadi imaju precizne dimenzije, visoku glatkoću i kompaktnu strukturu; korištenje posebne opreme za oblikovanje uvelike poboljšava učinkovitost proizvodnje.
Krajem 1970-ih i početkom 1980-ih, postupak injekcijskog prešanja primijenjen je na oblikovanje keramičkih dijelova. Ovaj postupak omogućuje oblikovanje neplodnih materijala dodavanjem velike količine organske tvari, što je uobičajen postupak oblikovanja keramičke plastike. U tehnologiji injekcijskog prešanja, osim korištenja termoplastičnih organskih tvari (kao što su polietilen, polistiren), termoreaktivnih organskih tvari (kao što su epoksidna smola, fenolna smola) ili vodotopivih polimera kao glavnog veziva, potrebno je dodati određene količine pomoćnih tvari u procesu kao što su plastifikatori, maziva i sredstva za spajanje kako bi se poboljšala fluidnost keramičke suspenzije za injekcijsko prešanje i osigurala kvaliteta tijela oblikovanog injekcijskim prešanjem.
Proces injekcijskog prešanja ima prednosti visokog stupnja automatizacije i precizne veličine blanka za kalupljenje. Međutim, organski sadržaj u sirovom tijelu injekcijski prešanih keramičkih dijelova iznosi čak 50 vol%. Potrebno je dugo vremena, čak od nekoliko dana do desetaka dana, da se te organske tvari uklone u naknadnom procesu sinteriranja, a lako je uzrokovati nedostatke u kvaliteti.
2.7 Koloidno injekcijsko prešanje
Kako bi se riješili problemi velike količine dodane organske tvari i poteškoće uklanjanja poteškoća u tradicionalnom procesu injekcijskog prešanja, Sveučilište Tsinghua kreativno je predložilo novi postupak za koloidno injekcijsko prešanje keramike i neovisno razvilo prototip koloidnog injekcijskog prešanja za realizaciju ubrizgavanja neplodne keramičke suspenzije.
Osnovna ideja je kombinirati koloidno oblikovanje s injekcijskim oblikovanjem, korištenjem vlastite opreme za ubrizgavanje i nove tehnologije stvrdnjavanja koju pruža koloidni proces in-situ solidifikacije. Ovaj novi proces koristi manje od 4 težinska % organske tvari. Mala količina organskih monomera ili organskih spojeva u suspenziji na bazi vode koristi se za brzo poticanje polimerizacije organskih monomera nakon ubrizgavanja u kalup kako bi se formirao organski mrežni kostur, koji ravnomjerno obavija keramički prah. Između ostalog, ne samo da se vrijeme degumiranja znatno skraćuje, već se i znatno smanjuje mogućnost pucanja degumiranja.
Postoji ogromna razlika između injekcijskog prešanja keramike i koloidnog prešanja. Glavna razlika je u tome što prvo pripada kategoriji prešanja plastike, a drugo pripada prešanju suspenzijom, odnosno suspenzija nema plastičnost i neplodan je materijal. Budući da suspenzija nema plastičnost kod koloidnog prešanja, tradicionalna ideja prešanja keramike injekcijskim prešanjem ne može se usvojiti. Ako se koloidno prešanje kombinira s prešanjem injekcijskim prešanjem, koloidno prešanje keramičkih materijala injekcijskim prešanjem ostvaruje se korištenjem vlastite opreme za prešanje i nove tehnologije stvrdnjavanja koju pruža koloidni proces prešanja in situ.
Novi proces koloidnog injekcijskog prešanja keramike razlikuje se od općeg koloidnog prešanja i tradicionalnog injekcijskog prešanja. Prednost visokog stupnja automatizacije prešanja je kvalitativna sublimacija koloidnog procesa prešanja, što će postati nada za industrijalizaciju visokotehnološke keramike.
Vrijeme objave: 18. siječnja 2022.