Devet postopkov preciznega oblikovanja cirkonijeve keramike

Devet postopkov preciznega oblikovanja cirkonijeve keramike
Postopek oblikovanja igra povezovalno vlogo v celotnem procesu priprave keramičnih materialov in je ključnega pomena za zagotavljanje zanesljivosti delovanja in ponovljivosti proizvodnje keramičnih materialov in komponent.
Z razvojem družbe tradicionalne metode ročnega gnetenja, oblikovanja na kolesih, fugiranja itd. tradicionalne keramike ne morejo več zadovoljiti potreb sodobne družbe po proizvodnji in izpopolnjevanju, zato se je rodil nov postopek oblikovanja. Fini keramični materiali ZrO2 se pogosto uporabljajo v naslednjih 9 vrstah postopkov oblikovanja (2 vrsti suhih metod in 7 vrst mokrih metod):

1. Suho oblikovanje

1.1 Suho stiskanje

Suho stiskanje uporablja tlak za stiskanje keramičnega prahu v določeno obliko telesa. Bistvo je, da se pod delovanjem zunanje sile delci prahu v kalupu približajo drug drugemu in se zaradi notranjega trenja trdno združijo, da ohranijo določeno obliko. Glavna napaka suho stiskanih surovcev je lupljenje, ki nastane zaradi notranjega trenja med prahoma in trenja med prahom in steno kalupa, kar povzroči izgubo tlaka v telesu.

Prednosti suhega stiskanja so natančna velikost surovega telesa, preprostost delovanja in priročnost mehanizacije; vsebnost vlage in veziva v surovem suhem stiskanju je manjša, krčenje med sušenjem in žganjem pa majhno. Uporablja se predvsem za oblikovanje izdelkov s preprostimi oblikami in majhnim razmerjem stranic. Slabost suhega stiskanja so povečani proizvodni stroški zaradi obrabe kalupa.

1.2 Izostatično stiskanje

Izostatično stiskanje je posebna metoda oblikovanja, razvita na podlagi tradicionalnega suhega stiskanja. Uporablja prenos tlaka tekočine za enakomeren pritisk na prah znotraj elastičnega kalupa iz vseh smeri. Zaradi enakomernosti notranjega tlaka tekočine prah prenaša enak pritisk v vseh smereh, s čimer se je mogoče izogniti razliki v gostoti surovca.

Izostatično stiskanje se deli na izostatično stiskanje v mokri vreči in izostatično stiskanje v suhi vreči. Izostatično stiskanje v mokri vreči lahko oblikuje izdelke kompleksnih oblik, vendar deluje le občasno. Izostatično stiskanje v suhi vreči lahko doseže avtomatsko neprekinjeno delovanje, vendar lahko oblikuje le izdelke preprostih oblik, kot so kvadratni, okrogli in cevasti prerezi. Izostatično stiskanje lahko doseže enakomerno in gosto surovo telo z majhnim krčenjem pri žganju in enakomernim krčenjem v vseh smereh, vendar je oprema kompleksna in draga, proizvodna učinkovitost pa ni visoka in je primerna le za proizvodnjo materialov s posebnimi zahtevami.

2. Mokro oblikovanje

2.1 Fugiranje
Postopek fugiranja je podoben livanju traku, razlika je v tem, da postopek brizganja vključuje postopek fizične dehidracije in postopek kemične koagulacije. Fizična dehidracija odstrani vodo iz brozge s kapilarnim delovanjem poroznega mavčnega kalupa. Ca2+, ki nastane z raztapljanjem površinskega CaSO4, poveča ionsko moč brozge, kar povzroči flokulacijo brozge.
Pod vplivom fizične dehidracije in kemične koagulacije se delci keramičnega prahu odlagajo na steno mavčnega kalupa. Fugiranje je primerno za izdelavo velikih keramičnih delov kompleksnih oblik, vendar je kakovost surovega telesa, vključno z obliko, gostoto, trdnostjo itd., slaba, delovna intenzivnost delavcev je visoka in ni primerno za avtomatizirane operacije.

2.2 Vroče litje pod pritiskom
Vroče litje je mešanje keramičnega prahu z vezivom (parafinom) pri relativno visoki temperaturi (60~100 ℃), da se dobi suspenzija za vroče litje. Suspenzija se pod vplivom stisnjenega zraka vbrizga v kovinski kalup in vzdržuje tlak. Po ohlajanju in razkalupljenju dobimo voščeni surovec, nato pa se voščeni surovec pod zaščito inertnega prahu razvoska, da dobimo surovi surovec, nato pa se surovi surovec pri visoki temperaturi sintra v porcelan.

Zeleno telo, oblikovano z vročim tlačnim litjem, ima natančne dimenzije, enakomerno notranjo strukturo, manjšo obrabo kalupa in visoko proizvodno učinkovitost ter je primerno za različne surovine. Temperaturo voščene zmesi in kalupa je treba strogo nadzorovati, sicer lahko pride do premajhnega vbrizgavanja ali deformacije, zato ni primerno za izdelavo velikih delov, dvostopenjski postopek žganja pa je zapleten in poraba energije visoka.

2.3 Litje traku
Litje s trakom pomeni, da se keramični prah temeljito zmeša z veliko količino organskih veziv, mehčal, disperzijskih sredstev itd., da se dobi tekoča viskozna brozga. Brozga se doda v lijak livnega stroja in se s strgalom nadzoruje debelina. Skozi dovodno šobo se steče na tekoči trak, po sušenju pa se dobi surovec filma.

Ta postopek je primeren za pripravo filmskih materialov. Za doseganje boljše fleksibilnosti se doda velika količina organske snovi, parametri postopka pa morajo biti strogo nadzorovani, sicer lahko pride do napak, kot so luščenje, proge, nizka trdnost filma ali težko luščenje. Uporabljena organska snov je strupena in povzroča onesnaževanje okolja, zato je treba za zmanjšanje onesnaževanja okolja čim bolj uporabiti nestrupen ali manj strupen sistem.

2.4 Brizganje gela
Tehnologija brizganja gela je nov koloidni postopek hitre izdelave prototipov, ki so ga raziskovalci v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge prvič izumili v zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Njegovo jedro je uporaba raztopin organskih monomerov, ki polimerizirajo v visoko trdne, bočno povezane gele polimer-topilo.

Suspenzijo keramičnega prahu, raztopljenega v raztopini organskih monomerov, vlijemo v kalup, kjer monomerna mešanica polimerizira in tvori geliran del. Ker bočno vezan polimer-topilo vsebuje le 10–20 % (masni delež) polimera, je topilo iz geliranega dela enostavno odstraniti s sušenjem. Hkrati pa zaradi bočne povezave polimerov polimeri med sušenjem ne morejo migrirati s topilom.

Ta metoda se lahko uporablja za izdelavo enofaznih in kompozitnih keramičnih delov, ki lahko tvorijo keramične dele kompleksne oblike, kvazi-mrežne velikosti, njihova zelena trdnost pa doseže 20-30 MPa ali več in jih je mogoče ponovno obdelati. Glavna težava te metode je, da je stopnja krčenja telesa zarodka med procesom zgoščevanja relativno visoka, kar zlahka povzroči deformacijo telesa zarodka; nekateri organski monomeri imajo inhibicijo kisika, zaradi česar se površina lušči in odpada; zaradi temperaturno induciranega procesa polimerizacije organskih monomerov temperaturno britje povzroči nastanek notranjih napetosti, kar povzroči lomljenje surovcev in tako naprej.

2.5 Neposredno strjevanje z brizganjem
Neposredno strjevanje z brizganjem je tehnologija brizganja, ki jo je razvil ETH Zurich: topilo voda, keramični prah in organski dodatki se temeljito zmešajo, da se tvori elektrostatično stabilna, nizkoviskozna, visoko vsebnost trdnih snovi tekoča zmes. pH zmesi se lahko spremeni z dodajanjem tekoče zmesi ali kemikalij, ki povečajo koncentracijo elektrolita, nato pa se zmes vbrizga v neporozni kalup.

Med postopkom nadzorujte potek kemijskih reakcij. Reakcija pred brizganjem poteka počasi, viskoznost suspenzije se ohranja nizka, po brizganju pa se reakcija pospeši, suspenzija se strdi in tekoča suspenzija se pretvori v trdno telo. Nastali surovi izdelek ima dobre mehanske lastnosti, trdnost pa lahko doseže 5 kPa. Surov izdelek se vzame iz kalupa, posuši in sintra, da se oblikuje keramični del želene oblike.

Njegove prednosti so, da ne potrebuje ali potrebuje le majhno količino organskih dodatkov (manj kot 1%), surovega telesa ni treba razmaščiti, gostota surovega telesa je enakomerna, relativna gostota je visoka (55 % ~ 70 %) in lahko tvori velike in kompleksne keramične dele. Njegova pomanjkljivost je, da so dodatki dragi in da se med reakcijo običajno sprošča plin.

2.6 Brizganje
Brizganje se že dolgo uporablja pri oblikovanju plastičnih izdelkov in kovinskih kalupov. Ta postopek uporablja nizkotemperaturno strjevanje termoplastičnih organskih snovi ali visokotemperaturno strjevanje termoreaktivnih organskih snovi. Prah in organski nosilec se zmešata v posebni mešalni opremi in nato vbrizgata v kalup pod visokim tlakom (od deset do sto MPa). Zaradi velikega tlaka oblikovanja imajo dobljeni surovci natančne dimenzije, visoko gladkost in kompaktno strukturo; uporaba posebne opreme za oblikovanje močno izboljša učinkovitost proizvodnje.

V poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja se je za oblikovanje keramičnih delov uporabljal postopek brizganja. Ta postopek omogoča oblikovanje neplodnih materialov z dodajanjem velike količine organske snovi, kar je pogost postopek oblikovanja keramične plastike. Pri tehnologiji brizganja je poleg uporabe termoplastičnih organskih snovi (kot so polietilen, polistiren), termoreaktivnih organskih snovi (kot so epoksi smola, fenolna smola) ali vodotopnih polimerov kot glavnega veziva potrebno dodati tudi določene količine procesnih pomožnih snovi, kot so mehčala, maziva in vezivna sredstva, da se izboljša tekočnost keramične suspenzije za brizganje in zagotovi kakovost brizganega telesa.

Postopek brizganja ima prednosti visoke stopnje avtomatizacije in natančne velikosti surovca za kalupe. Vendar pa vsebnost organskih snovi v surovcu brizganih keramičnih delov doseže kar 50 vol. %. Odstranitev teh organskih snovi v nadaljnjem postopku sintranja traja dolgo, od nekaj dni do več deset dni, in lahko povzroči napake v kakovosti.

2.7 Koloidno brizganje
Da bi rešili težave z veliko količino dodanih organskih snovi in težave pri odpravljanju težav pri tradicionalnem postopku brizganja, je Univerza Tsinghua ustvarjalno predlagala nov postopek za koloidno brizganje keramike in neodvisno razvila prototip koloidnega brizganja za izvedbo brizganja neplodne keramične suspenzije.

Osnovna ideja je kombinacija koloidnega brizganja z brizganjem z uporabo lastniške opreme za brizganje in nove tehnologije strjevanja, ki jo zagotavlja koloidni postopek strjevanja na mestu. Ta novi postopek uporablja manj kot 4 mas. % organske snovi. Majhna količina organskih monomerov ali organskih spojin v suspenziji na vodni osnovi se uporablja za hitro indukcijo polimerizacije organskih monomerov po brizganju v kalup, da se tvori organsko mrežno ogrodje, ki enakomerno ovija keramični prah. Med njimi se ne le močno skrajša čas razgradnje, ampak se močno zmanjša tudi možnost razpok pri razgradnji.

Med brizganjem keramike in koloidnim brizganjem obstaja velika razlika. Glavna razlika je v tem, da prvo spada v kategorijo brizganja plastike, drugo pa v brizganje v suspenziji, kar pomeni, da suspenzija nima plastičnosti in je neploden material. Ker suspenzija pri koloidnem brizganju nima plastičnosti, tradicionalne ideje o brizganju keramike ni mogoče sprejeti. Če se koloidno brizganje kombinira z brizganjem, se koloidno brizganje keramičnih materialov doseže z uporabo lastniške opreme za brizganje in nove tehnologije strjevanja, ki jo zagotavlja koloidni postopek brizganja in situ.

Novi postopek koloidnega brizganja keramike se razlikuje od splošnega koloidnega brizganja in tradicionalnega brizganja. Prednost visoke stopnje avtomatizacije brizganja je kvalitativna sublimacija koloidnega procesa brizganja, kar bo postalo upanje za industrializacijo visokotehnološke keramike.