Nouă procese de turnare de precizie a ceramicii din zirconiu

Nouă procese de turnare de precizie a ceramicii din zirconiu
Procesul de turnare joacă un rol de legătură în întregul proces de preparare a materialelor ceramice și este cheia asigurării fiabilității performanței și a repetabilității producției materialelor și componentelor ceramice.
Odată cu dezvoltarea societății, metoda tradițională de frământare manuală, metoda de formare cu roata, metoda de rostuire etc. a ceramicii tradiționale nu mai pot satisface nevoile societății moderne de producție și rafinare, așa că s-a născut un nou proces de turnare. Materialele ceramice fine ZrO2 sunt utilizate pe scară largă în următoarele 9 tipuri de procese de turnare (2 tipuri de metode uscate și 7 tipuri de metode umede):

1. Turnare uscată

1.1 Presare uscată

Presarea uscată folosește presiunea pentru a presa pulberea ceramică într-o anumită formă a corpului. Esența sa constă în faptul că, sub acțiunea forței externe, particulele de pulbere se apropie una de cealaltă în matriță și sunt strâns combinate prin frecare internă pentru a menține o anumită formă. Principalul defect al corpurilor crude presate uscat este spalația, care se datorează frecării interne dintre pulberi și frecării dintre pulberi și peretele matriței, rezultând pierderea de presiune în interiorul corpului.

Avantajele presării uscate sunt că dimensiunea corpului verde este precisă, operarea este simplă și este convenabilă realizarea unei operațiuni mecanizate; conținutul de umiditate și liant în presarea uscată verde este mai mic, iar contracția la uscare și ardere este mică. Se utilizează în principal pentru a forma produse cu forme simple, iar raportul de aspect este mic. Costul de producție crescut cauzat de uzura matriței este dezavantajul presării uscate.

1.2 Presare izostatică

Presarea izostatică este o metodă specială de formare, dezvoltată pe baza presării uscate tradiționale. Aceasta utilizează presiunea transmisă de fluid pentru a aplica presiune uniformă asupra pulberii din interiorul matriței elastice din toate direcțiile. Datorită consecvenței presiunii interne a fluidului, pulberea suportă aceeași presiune în toate direcțiile, astfel încât se poate evita diferența de densitate a corpului crud.

Presarea izostatică se împarte în presare izostatică cu sac umed și presare izostatică cu sac uscat. Presarea izostatică cu sac umed poate forma produse cu forme complexe, dar poate funcționa doar intermitent. Presarea izostatică cu sac uscat poate realiza o funcționare continuă automată, dar poate forma doar produse cu forme simple, cum ar fi secțiuni transversale pătrate, rotunde și tubulare. Presarea izostatică poate obține un corp crud uniform și dens, cu contracție la ardere mică și contracție uniformă în toate direcțiile, dar echipamentul este complex și scump, iar eficiența producției nu este ridicată și este potrivită doar pentru producerea de materiale cu cerințe speciale.

2. Formare umedă

2.1 Chituire
Procesul de turnare prin injectare este similar cu turnarea în bandă, diferența constând în faptul că procesul de turnare include procesul de deshidratare fizică și procesul de coagulare chimică. Deshidratarea fizică elimină apa din suspensie prin acțiunea capilară a matriței poroase de gips. Ca2+ generat prin dizolvarea CaSO4 de la suprafață crește puterea ionică a suspensiei, rezultând flocularea acesteia.
Sub acțiunea deshidratării fizice și a coagulării chimice, particulele de pulbere ceramică se depun pe peretele matriței de gips. Chituirea este potrivită pentru prepararea pieselor ceramice de mari dimensiuni cu forme complexe, dar calitatea corpului crud, inclusiv forma, densitatea, rezistența etc., este slabă, intensitatea forței de muncă a lucrătorilor este mare și nu este potrivită pentru operațiuni automatizate.

2.2 Turnare sub presiune la cald
Turnarea sub presiune la cald constă în amestecarea pulberii ceramice cu un liant (parafină) la o temperatură relativ ridicată (60~100℃) pentru a obține o suspensie pentru turnarea sub presiune la cald. Suspensia este injectată în cofrajul metalic sub acțiunea aerului comprimat, iar presiunea este menținută. După răcire, demulare pentru a obține un semifabricat din ceară, acesta este deparafinat sub protecția unei pulberi inerte pentru a obține un corp crud, iar corpul crud este sinterizat la temperatură ridicată pentru a deveni porțelan.

Corpul crud format prin turnare la cald are dimensiuni precise, structură internă uniformă, uzură redusă a matriței și eficiență ridicată a producției și este potrivit pentru diverse materii prime. Temperatura suspensiei de ceară și a matriței trebuie controlată strict, altfel va cauza subinjecție sau deformare, deci nu este potrivit pentru fabricarea pieselor mari, iar procesul de ardere în doi pași este complicat, iar consumul de energie este ridicat.

2.3 Turnare pe bandă
Turnarea cu bandă constă în amestecarea completă a pulberii ceramice cu o cantitate mare de lianți organici, plastifianți, dispersanți etc. pentru a obține o suspensie vâscoasă fluidă, adăugarea suspensiei în pâlnia mașinii de turnare și controlarea grosimii acesteia cu o racletă. Aceasta curge prin duza de alimentare către banda transportoare, iar după uscare se obține blank-ul de film.

Acest proces este potrivit pentru prepararea materialelor peliculare. Pentru a obține o flexibilitate mai bună, se adaugă o cantitate mare de materie organică, iar parametrii procesului trebuie să fie strict controlați, altfel se vor produce defecte precum exfolierea, dungile, rezistența scăzută a peliculei sau exfolierea dificilă. Materia organică utilizată este toxică și va provoca poluarea mediului, așadar, pe cât posibil, ar trebui utilizat un sistem netoxic sau mai puțin toxic pentru a reduce poluarea mediului.

2.4 Turnare prin injecție de gel
Tehnologia de turnare prin injecție a gelului este un nou proces coloidal de prototipare rapidă, inventat pentru prima dată de cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge la începutul anilor 1990. În esența sa se află utilizarea soluțiilor de monomeri organici care polimerizează în geluri polimer-solvent de înaltă rezistență, legate lateral.

O suspensie de pulbere ceramică dizolvată într-o soluție de monomeri organici este turnată într-o matriță, iar amestecul de monomeri polimerizează pentru a forma o piesă gelificată. Deoarece polimerul-solvent legat lateral conține doar 10%-20% (fracție de masă) polimer, este ușor să se îndepărteze solventul din piesa gelificată printr-o etapă de uscare. În același timp, datorită conexiunii laterale a polimerilor, polimerii nu pot migra odată cu solventul în timpul procesului de uscare.

Această metodă poate fi utilizată pentru fabricarea de piese ceramice monofazate și compozite, care pot forma piese ceramice de formă complexă, de dimensiuni cvasi-net, iar rezistența sa la stare crudă este de până la 20-30 MPa sau mai mult, putând fi reprocesată. Principala problemă a acestei metode este că rata de contracție a corpului embrionar este relativ mare în timpul procesului de densificare, ceea ce duce ușor la deformarea corpului embrionar; unii monomeri organici au inhibare a oxigenului, ceea ce face ca suprafața să se exfolieze și să se desprindă; din cauza procesului de polimerizare a monomerului organic indus de temperatură, răzuirea temperaturii duce la existența unor tensiuni interne, ceea ce determină ruperea semifabricatelor și așa mai departe.

2.5 Turnare prin injecție cu solidificare directă
Turnarea prin injecție prin solidificare directă este o tehnologie de turnare dezvoltată de ETH Zurich: apa cu solvent, pulberea ceramică și aditivii organici sunt amestecați complet pentru a forma o suspensie stabilă electrostatic, cu vâscozitate redusă și conținut ridicat de solide, care poate fi modificată prin adăugarea de pH-ul suspensiei sau de substanțe chimice care cresc concentrația de electroliți, apoi suspensia este injectată într-o matriță neporoasă.

Controlați progresul reacțiilor chimice în timpul procesului. Reacția înainte de turnarea prin injecție se desfășoară lent, vâscozitatea suspensiei este menținută scăzută, iar reacția este accelerată după turnarea prin injecție, suspensia se solidifică, iar suspensia fluidă se transformă într-un corp solid. Corpul crud obținut are proprietăți mecanice bune, iar rezistența poate ajunge la 5 kPa. Corpul crud este demulat, uscat și sinterizat pentru a forma o piesă ceramică de forma dorită.

Avantajele sale sunt că nu necesită sau necesită doar o cantitate mică de aditivi organici (mai puțin de 1%), corpul verde nu necesită degresare, densitatea corpului verde este uniformă, densitatea relativă este mare (55% ~ 70%) și poate forma piese ceramice de dimensiuni mari și forme complexe. Dezavantajul său este că aditivii sunt scumpi și, în general, se eliberează gaz în timpul reacției.

2.6 Turnare prin injecție
Turnarea prin injecție este utilizată de mult timp în turnarea produselor din plastic și în turnarea matrițelor metalice. Acest proces utilizează întărirea la temperatură joasă a materialelor organice termoplastice sau întărirea la temperatură înaltă a materialelor organice termorezistente. Pulberea și suportul organic sunt amestecate într-un echipament special de amestecare, apoi injectate în matriță sub presiune ridicată (zeci până la sute de MPa). Datorită presiunii mari de turnare, semifabricatele obținute au dimensiuni precise, netezime ridicată și structură compactă; utilizarea echipamentelor speciale de turnare îmbunătățește considerabil eficiența producției.

La sfârșitul anilor 1970 și începutul anilor 1980, procesul de turnare prin injecție a fost aplicat la turnarea pieselor ceramice. Acest proces realizează turnarea plastică a materialelor sterile prin adăugarea unei cantități mari de materie organică, acesta fiind un proces comun de turnare a plasticului ceramic. În tehnologia de turnare prin injecție, pe lângă utilizarea substanțelor organice termoplastice (cum ar fi polietilena, polistirenul), a substanțelor organice termorezistente (cum ar fi rășina epoxidică, rășina fenolică) sau a polimerilor solubili în apă ca lianți principali, este necesar să se adauge anumite cantități de adjuvanți de proces, cum ar fi plastifianți, lubrifianți și agenți de cuplare, pentru a îmbunătăți fluiditatea suspensiei ceramice de injecție și a asigura calitatea corpului turnat prin injecție.

Procesul de turnare prin injecție are avantajele unui grad ridicat de automatizare și ale dimensiunii precise a semifabricatului turnat. Cu toate acestea, conținutul organic din corpul crud al pieselor ceramice turnate prin injecție este de până la 50% în volum. Eliminarea acestor substanțe organice în procesul de sinterizare ulterior durează mult timp, chiar de la câteva zile la zeci de zile, și este ușor să apară defecte de calitate.

2.7 Turnare prin injecție coloidală
Pentru a rezolva problemele legate de cantitatea mare de materie organică adăugată și dificultatea eliminării dificultăților din procesul tradițional de turnare prin injecție, Universitatea Tsinghua a propus în mod creativ un nou proces pentru turnarea prin injecție coloidală a ceramicii și a dezvoltat independent un prototip de turnare prin injecție coloidală pentru a realiza injecția de suspensie ceramică sterilă.

Ideea de bază este de a combina turnarea coloidală cu turnarea prin injecție, utilizând echipamente de injecție brevetate și o nouă tehnologie de întărire oferită de procesul de turnare coloidală in situ prin solidificare. Acest nou proces utilizează mai puțin de 4% în greutate materie organică. O cantitate mică de monomeri organici sau compuși organici din suspensia pe bază de apă este utilizată pentru a induce rapid polimerizarea monomerilor organici după injectarea în matriță, formând un schelet de rețea organică, care înfășoară uniform pulberea ceramică. Printre acestea, nu numai că timpul de degumare este redus considerabil, dar și posibilitatea de fisurare a degumării este redusă considerabil.

Există o diferență uriașă între turnarea prin injecție a ceramicii și turnarea coloidală. Principala diferență este că prima aparține categoriei de turnare a plasticului, iar cea de-a doua aparține turnării în suspensie, adică suspensia nu are plasticitate și este un material steril. Deoarece suspensia nu are plasticitate în turnarea coloidală, ideea tradițională de turnare prin injecție a ceramicei nu poate fi adoptată. Dacă turnarea coloidală este combinată cu turnarea prin injecție, turnarea prin injecție coloidală a materialelor ceramice se realizează utilizând echipamente de injecție brevetate și o nouă tehnologie de întărire oferită de procesul de turnare coloidală in situ.

Noul proces de turnare prin injecție coloidală a ceramicii este diferit de turnarea coloidală generală și de turnarea prin injecție tradițională. Avantajul unui grad ridicat de automatizare a turnării constă în sublimarea calitativă a procesului de turnare coloidală, care va deveni speranța industrializării ceramicii de înaltă tehnologie.