Deväť procesov presného tvarovania zirkónovej keramiky

Deväť procesov presného tvarovania zirkónovej keramiky
Proces formovania zohráva spojovaciu úlohu v celom procese prípravy keramických materiálov a je kľúčom k zabezpečeniu spoľahlivosti výkonu a opakovateľnosti výroby keramických materiálov a komponentov.
S rozvojom spoločnosti už tradičné metódy ručného miesenia, tvarovania na kolesách, injektovania atď. tradičnej keramiky nedokážu uspokojiť potreby modernej spoločnosti v oblasti výroby a zdokonaľovania, a preto sa zrodil nový proces formovania. Jemné keramické materiály ZrO2 sa široko používajú v nasledujúcich 9 typoch procesov formovania (2 typy suchých metód a 7 typov mokrých metód):

1. Suché formovanie

1.1 Suché lisovanie

Suché lisovanie využíva tlak na lisovanie keramického prášku do určitého tvaru telesa. Jeho podstatou je, že pôsobením vonkajšej sily sa častice prášku vo forme k sebe priblížia a vnútorným trením sa pevne spoja, aby si udržali určitý tvar. Hlavnou chybou suchých lisovaných surových telies je odlupovanie, ktoré je spôsobené vnútorným trením medzi práškami a trením medzi práškami a stenou formy, čo vedie k strate tlaku vo vnútri telesa.

Výhody suchého lisovania spočívajú v presnosti veľkosti surového telesa, jednoduchej obsluhe a vhodnosti mechanizovanej prevádzky; obsah vlhkosti a spojiva v surovom suchom lisovaní je menší a zmršťovanie pri sušení a vypaľovaní je malé. Používa sa hlavne na výrobu výrobkov s jednoduchými tvarmi a malým pomerom strán. Nevýhodou suchého lisovania sú zvýšené výrobné náklady spôsobené opotrebovaním formy.

1.2 Izostatické lisovanie

Izostatické lisovanie je špeciálna metóda tvarovania vyvinutá na základe tradičného suchého lisovania. Využíva prenosový tlak kvapaliny na rovnomerné pôsobenie tlaku na prášok vo vnútri elastickej formy zo všetkých smerov. Vďaka konzistentnosti vnútorného tlaku kvapaliny pôsobí na prášok rovnaký tlak vo všetkých smeroch, čím sa dá vyhnúť rozdielu v hustote surového telesa.

Izostatické lisovanie sa delí na izostatické lisovanie vo vreckách za mokra a izostatické lisovanie vo vreckách za sucha. Izostatické lisovanie vo vreckách za mokra dokáže vytvárať výrobky zložitých tvarov, ale funguje len prerušovane. Izostatické lisovanie vo vreckách za sucha umožňuje automatickú nepretržitú prevádzku, ale vytvára iba výrobky jednoduchých tvarov, ako sú štvorcové, okrúhle a rúrkové prierezy. Izostatické lisovanie umožňuje dosiahnuť rovnomerný a hustý surový materiál s malým zmršťovaním pri pálení a rovnomerným zmršťovaním vo všetkých smeroch, ale zariadenie je zložité a drahé a efektivita výroby nie je vysoká, takže je vhodné len na výrobu materiálov so špeciálnymi požiadavkami.

2. Mokré tvárnenie

2.1 Injektáž
Proces liatia zálievkou je podobný procesu liatia páskou, rozdiel je v tom, že proces liatia zahŕňa proces fyzikálnej dehydratácie a proces chemickej koagulácie. Fyzikálna dehydratácia odstraňuje vodu zo suspenzie kapilárnym pôsobením pórovitej sadrovej formy. Ca2+ vznikajúci rozpúšťaním povrchového CaSO4 zvyšuje iónovú silu suspenzie, čo vedie k jej flokulácii.
Pôsobením fyzikálnej dehydratácie a chemickej koagulácie sa častice keramického prášku usadzujú na stenách sadrovej formy. Injektáž je vhodná na výrobu veľkých keramických dielov so zložitými tvarmi, ale kvalita surového telesa vrátane tvaru, hustoty, pevnosti atď. je nízka, pracovná náročnosť pracovníkov je vysoká a nie je vhodná pre automatizované operácie.

2.2 Liatie za tepla
Teplé tlakové liatie spočíva v zmiešaní keramického prášku so spojivom (parafínom) pri relatívne vysokej teplote (60 až 100 ℃) za vzniku suspenzie na horúce tlakové liatie. Suspenzia sa vstrekuje do kovovej formy pôsobením stlačeného vzduchu a tlak sa udržiava. Po ochladení a vybratí z formy sa získa voskový polotovar, voskový polotovar sa odparafínuje pod ochranou inertného prášku, čím sa získa surový výrobok, a surový výrobok sa speká pri vysokej teplote, čím sa získa porcelán.

Čerstvý odliatok vyrobený liatím za tepla má presné rozmery, jednotnú vnútornú štruktúru, menšie opotrebovanie formy a vysokú výrobnú účinnosť a je vhodný pre rôzne suroviny. Teplota voskového kalu a formy musí byť prísne kontrolovaná, inak môže dôjsť k podstreku alebo deformácii, takže nie je vhodný na výrobu veľkých dielov a dvojstupňový proces vypaľovania je zložitý a spotreba energie vysoká.

2.3 Odlievanie pásky
Odlievanie páskou spočíva v dôkladnom zmiešaní keramického prášku s veľkým množstvom organických spojív, zmäkčovadiel, dispergačných činidiel atď., čím sa získa tekutá viskózna suspenzia. Táto suspenzia sa pridá do násypky odlievacieho stroja a pomocou škrabky sa reguluje hrúbka. Kaša sa cez podávaciu trysku dostane na dopravníkový pás a po vysušení sa získa polotovar fólie.

Tento proces je vhodný na prípravu filmových materiálov. Na dosiahnutie lepšej flexibility sa pridáva veľké množstvo organickej hmoty a parametre procesu sa musia prísne kontrolovať, inak ľahko dôjde k chybám, ako je odlupovanie, pruhy, nízka pevnosť filmu alebo ťažké odlupovanie. Použitá organická hmota je toxická a spôsobuje znečistenie životného prostredia, preto by sa mal čo najviac používať netoxický alebo menej toxický systém na zníženie znečistenia životného prostredia.

2.4 Vstrekovanie gélu
Technológia gélového vstrekovania je nový koloidný proces rýchleho prototypovania, ktorý prvýkrát vynašli výskumníci v Národnom laboratóriu Oak Ridge začiatkom 90. rokov. Jej jadrom je použitie roztokov organických monomérov, ktoré polymerizujú do vysokopevnostných, laterálne prepojených gélov typu polymér-rozpúšťadlo.

Kaša keramického prášku rozpusteného v roztoku organických monomérov sa odleje do formy a zmes monomérov polymerizuje za vzniku gélovej časti. Keďže laterálne prepojený polymér-rozpúšťadlo obsahuje iba 10 % – 20 % (hmotnostný podiel) polyméru, je ľahké odstrániť rozpúšťadlo z gélovej časti sušením. Zároveň vďaka laterálnemu prepojeniu polymérov nemôžu polyméry počas procesu sušenia migrovať s rozpúšťadlom.

Táto metóda sa môže použiť na výrobu jednofázových a kompozitných keramických dielov, ktoré môžu tvoriť zložito tvarované keramické diely s kvázi sieťovou veľkosťou a ich pevnosť v surovom stave dosahuje 20 – 30 MPa alebo viac a je možné ich opätovne spracovať. Hlavným problémom tejto metódy je relatívne vysoká miera zmršťovania embryonálneho telesa počas procesu zhutňovania, čo ľahko vedie k jeho deformácii; niektoré organické monoméry majú inhibíciu kyslíka, čo spôsobuje odlupovanie a odpadávanie povrchu; v dôsledku teplotne indukovaného procesu polymerizácie organických monomérov vedie teplotné odlupovanie k existencii vnútorného napätia, ktoré spôsobuje lámanie polotovarov atď.

2.5 Vstrekovanie do formy s priamym tuhnutím
Priame tuhnutie vstrekovaním do formy je technológia formovania vyvinutá spoločnosťou ETH Zurich: rozpúšťadlo voda, keramický prášok a organické prísady sa dôkladne zmiešajú za vzniku elektrostaticky stabilnej suspenzie s nízkou viskozitou a vysokým obsahom pevných látok. Toto pH sa dá zmeniť pridaním suspenzie alebo chemikálií zvyšujúcich koncentráciu elektrolytu. Potom sa suspenzia vstrekne do neporéznej formy.

Kontrolujte priebeh chemických reakcií počas procesu. Reakcia pred vstrekovaním do formy sa vykonáva pomaly, viskozita suspenzie sa udržiava nízka a reakcia sa po vstrekovaní do formy zrýchli, suspenzia stuhne a tekutá suspenzia sa premení na tuhé teleso. Získaný surový výrobok má dobré mechanické vlastnosti a pevnosť môže dosiahnuť 5 kPa. Surový výrobok sa vyberie z formy, vysuší a speká, aby sa vytvoril keramický diel požadovaného tvaru.

Jeho výhodou je, že nepotrebuje alebo potrebuje len malé množstvo organických prísad (menej ako 1%), surový materiál sa nemusí odmasťovať, hustota surového materiálu je rovnomerná, relatívna hustota je vysoká (55 % až 70 %) a umožňuje výrobu veľkých a zložitých keramických dielov. Jeho nevýhodou je, že prísady sú drahé a počas reakcie sa vo všeobecnosti uvoľňuje plyn.

2.6 Vstrekovanie plastov
Vstrekovanie plastov sa už dlho používa na lisovanie plastových výrobkov a kovových foriem. Tento proces využíva nízkoteplotné vytvrdzovanie termoplastických organických látok alebo vysokoteplotné vytvrdzovanie termosetových organických látok. Prášok a organický nosič sa zmiešajú v špeciálnom miešacom zariadení a potom sa vstreknú do formy pod vysokým tlakom (desiatky až stovky MPa). Vďaka vysokému lisovaciemu tlaku majú získané polotovary presné rozmery, vysokú hladkosť a kompaktnú štruktúru; použitie špeciálneho lisovacieho zariadenia výrazne zlepšuje efektivitu výroby.

Koncom 70. a začiatkom 80. rokov 20. storočia sa na lisovanie keramických dielov začal používať proces vstrekovania plastov. Tento proces umožňuje lisovanie neplodných materiálov pridaním veľkého množstva organickej hmoty, čo je bežný proces lisovania keramických plastov. V technológii vstrekovania plastov je okrem použitia termoplastických organických látok (ako je polyetylén, polystyrén), termosetických organických látok (ako je epoxidová živica, fenolová živica) alebo vo vode rozpustných polymérov ako hlavného spojiva potrebné pridať určité množstvo pomocných látok, ako sú zmäkčovadlá, mazivá a spojovacie činidlá, aby sa zlepšila tekutosť keramickej vstrekovacej suspenzie a zabezpečila sa kvalita vstrekovaného telesa.

Proces vstrekovania plastov má výhody vysokého stupňa automatizácie a presnej veľkosti výlisku. Obsah organických látok v surovom telese vstrekovaných keramických dielov však dosahuje až 50 obj. %. Odstránenie týchto organických látok v následnom procese spekania trvá dlho, dokonca niekoľko dní až desiatky dní, a je ľahké spôsobiť chyby kvality.

2.7 Koloidné vstrekovanie plastov
Aby sa vyriešili problémy s veľkým množstvom pridanej organickej hmoty a ťažkosti s odstraňovaním ťažkostí v tradičnom procese vstrekovania plastov, Univerzita Tsinghua kreatívne navrhla nový proces koloidného vstrekovania keramiky a nezávisle vyvinula prototyp koloidného vstrekovacieho plastu na realizáciu vstrekovania neplodnej keramickej suspenzie.

Základnou myšlienkou je kombinovať koloidné lisovanie so vstrekovaním plastov s použitím patentovaného vstrekovacieho zariadenia a novej technológie vytvrdzovania, ktorú poskytuje koloidný proces tuhnutia plastov in situ. Tento nový proces využíva menej ako 4 hmotnostné % organickej hmoty. Malé množstvo organických monomérov alebo organických zlúčenín vo vodnej suspenzii sa používa na rýchle vyvolanie polymerizácie organických monomérov po vstreknutí do formy za vzniku organickej sieťovej kostry, ktorá rovnomerne obaľuje keramický prášok. Vďaka tomu sa nielen výrazne skracuje čas odstraňovania lepidiel, ale aj výrazne sa znižuje možnosť praskania pri odstraňovaní lepidiel.

Medzi vstrekovaním keramiky a koloidným lisovaním je obrovský rozdiel. Hlavný rozdiel spočíva v tom, že prvé patrí do kategórie lisovania plastov a druhé patrí do kalového lisovania, čo znamená, že kal nemá žiadnu plasticitu a je to neplodný materiál. Keďže kal pri koloidnom lisovaní nemá žiadnu plasticitu, nemožno prijať tradičnú myšlienku vstrekovania keramiky. Ak sa koloidné lisovanie kombinuje so vstrekovaním, koloidné vstrekovanie keramických materiálov sa realizuje pomocou vlastného vstrekovacieho zariadenia a novej technológie vytvrdzovania, ktorú poskytuje koloidný proces lisovania in situ.

Nový proces koloidného vstrekovania keramiky sa líši od bežného koloidného vstrekovania a tradičného vstrekovania. Výhodou vysokého stupňa automatizácie vstrekovania je kvalitatívna sublimácia koloidného procesu vstrekovania, čo sa stane nádejou pre industrializáciu high-tech keramiky.