Yhdeksän zirkoniumoksidikeramiikan tarkkuusmuovausprosessia

Yhdeksän zirkoniumoksidikeramiikan tarkkuusmuovausprosessia
Muovausprosessilla on yhdistävä rooli koko keraamisten materiaalien valmistusprosessissa ja se on avain keraamisten materiaalien ja komponenttien suorituskyvyn ja tuotannon toistettavuuden varmistamiseen.
Yhteiskunnan kehittyessä perinteiset käsinvaivausmenetelmät, pyöränmuovausmenetelmät, saumausmenetelmät jne., joita käytettiin perinteisessä keramiikassa, eivät enää pysty vastaamaan nykyaikaisen yhteiskunnan tuotanto- ja jalostustarpeisiin, joten syntyi uusi muovausprosessi. ZrO2-hienokeraamisia materiaaleja käytetään laajalti seuraavissa 9 muovausprosessissa (2 kuivamenetelmää ja 7 märkämenetelmää):

1. Kuiva muovaus

1.1 Kuivapuristus

Kuivapuristuksessa keraaminen jauhe puristetaan paineen avulla tiettyyn kappaleen muotoon. Sen ydin on, että ulkoisen voiman vaikutuksesta jauhehiukkaset lähestyvät toisiaan muotissa ja sisäisen kitkan avulla yhdistyvät tiukasti tietyn muodon säilyttämiseksi. Kuivapuristettujen tuorekappaleiden pääongelma on lohkeilu, joka johtuu jauheiden välisestä sisäisestä kitkasta ja jauheiden ja muotin seinämän välisestä kitkasta, mikä johtaa painehäviöön kappaleen sisällä.

Kuivapuristuksen etuja ovat tarkat kokoiset viherkappaleet, yksinkertainen toiminta ja kätevä koneellinen toiminta; viherkuivapuristuksen kosteus- ja sideainepitoisuus on pieni, ja kuivumis- ja polttokutistuminen on pieni. Sitä käytetään pääasiassa yksinkertaisten muotoisten tuotteiden valmistukseen, ja kuvasuhde on pieni. Kuivapuristuksen haittana on muotin kulumisesta johtuvat lisääntyneet tuotantokustannukset.

1.2 Isostaattinen puristus

Isostaattinen puristus on perinteisen kuivapuristuksen pohjalta kehitetty erityinen muovausmenetelmä. Se hyödyntää nesteen siirtopainetta kohdistaakseen paineen tasaisesti elastisen muotin sisällä olevaan jauheeseen kaikista suunnista. Nesteen sisäisen paineen tasaisuuden ansiosta jauheeseen kohdistuu sama paine kaikkiin suuntiin, joten raakakappaleen tiheyseroja voidaan välttää.

Isostaattinen puristus jaetaan märkäpussisostaattiseen puristukseen ja kuivapussisostaattiseen puristukseen. Märkäpussisostaattisella puristuksella voidaan muodostaa monimutkaisia muotoja, mutta se toimii vain ajoittain. Kuivapussisostaattisella puristuksella voidaan toteuttaa automaattinen jatkuva toiminta, mutta sillä voidaan muodostaa vain yksinkertaisia muotoja, kuten neliön, pyöreän ja putkimaisen poikkileikkauksen omaavia tuotteita. Isostaattinen puristus voi saada aikaan tasaisen ja tiheän raakakappaleen, jolla on pieni polttokutistuma ja tasainen kutistuminen kaikkiin suuntiin, mutta laitteet ovat monimutkaisia ja kalliita, eikä tuotantotehokkuus ole korkea, ja se soveltuu vain erityisvaatimuksia täyttävien materiaalien tuotantoon.

2. Märkämuovaus

2.1 Saumaus
Injektiovaluprosessi on samanlainen kuin teippivalu, erona on, että muovausprosessi sisältää fysikaalisen kuivausprosessin ja kemiallisen koagulaatioprosessin. Fysikaalinen kuivaus poistaa lietteestä veden huokoisen kipsimuootin kapillaarivaikutuksen kautta. Pinnan CaSO4:n liukenemisesta syntyvä Ca2+ lisää lietteen ionivahvuutta, mikä johtaa lietteen flokkuloitumiseen.
Fysikaalisen dehydraation ja kemiallisen koagulaation vaikutuksesta keraamiset jauhehiukkaset kerrostuvat kipsimuotin seinämään. Injektointi soveltuu monimutkaisten, suurten keraamisten osien valmistukseen, mutta tuoreen kappaleen laatu, mukaan lukien muoto, tiheys, lujuus jne., on heikko, työntekijöiden työvoimavaltaisuus on korkea, eikä se sovellu automatisoituun toimintaan.

2.2 Kuuma painevalu
Kuumavalumenetelmässä keraaminen jauhe sekoitetaan sideaineeseen (parafiini) suhteellisen korkeassa lämpötilassa (60–100 ℃) kuumavalulietteen saamiseksi. Liete ruiskutetaan metallimuottiin paineilman vaikutuksesta ja paine pidetään yllä. Jäähdytys ja muotista irrotus vaha-aihion saamiseksi. Vaha-aihio vahataan inertin jauheen suojassa vihreän kappaleen saamiseksi, ja vihreä kappale sintrataan korkeassa lämpötilassa posliiniksi.

Kuumavaletulla vihreällä kappaleella on tarkat mitat, yhtenäinen sisärakenne, vähemmän muotin kulumista ja korkea tuotantotehokkuus, ja se soveltuu erilaisille raaka-aineille. Vahalietteen ja muotin lämpötilaa on valvottava tarkasti, muuten se aiheuttaa aliruiskutusta tai muodonmuutoksia, joten se ei sovellu suurten osien valmistukseen, ja kaksivaiheinen polttoprosessi on monimutkainen ja energiankulutus korkea.

2.3 Nauhan valu
Nauhavalussa keraaminen jauhe sekoitetaan huolellisesti suuren määrän orgaanisia sideaineita, pehmittimiä, dispergointiaineita jne. kanssa, jolloin saadaan juokseva viskoosi liete, joka lisätään valukoneen suppiloon ja paksuutta säädetään kaapimen avulla. Se virtaa kuljetinhihnalle syöttösuuttimen kautta, ja kuivauksen jälkeen saadaan kalvoaihio.

Tämä prosessi soveltuu kalvomateriaalien valmistukseen. Paremman joustavuuden saavuttamiseksi lisätään suuri määrä orgaanista ainetta ja prosessiparametreja on valvottava tarkasti, muuten se aiheuttaa helposti vikoja, kuten kuoriutumista, juovia, heikkoa kalvon lujuutta tai vaikeaa kuoriutumista. Käytetty orgaaninen aine on myrkyllistä ja aiheuttaa ympäristön saastumista, ja ympäristön saastumisen vähentämiseksi tulisi käyttää myrkytöntä tai vähemmän myrkyllistä järjestelmää mahdollisimman paljon.

2.4 Geelin ruiskuvalu
Geeliruiskuvalutekniikka on uusi kolloidinen nopea prototyyppien valmistusprosessi, jonka Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat keksivät ensimmäisen kerran 1990-luvun alussa. Sen ytimessä on orgaanisten monomeeriliuosten käyttö, jotka polymeroituvat lujiksi, sivusuunnassa liittyneiksi polymeeri-liuotingeeleiksi.

Orgaanisten monomeerien liuokseen liuotettu keraaminen jauhesuspensio valetaan muottiin, ja monomeeriseos polymeroituu muodostaen geelimäisen osan. Koska sivusuunnassa liitetty polymeeri-liuotin sisältää vain 10–20 % (massaosuus) polymeeriä, liuotin on helppo poistaa geelimäisestä osasta kuivausvaiheella. Samalla polymeerien sivusuunnassa liitoksen ansiosta polymeerit eivät voi siirtyä liuottimen mukana kuivausprosessin aikana.

Tätä menetelmää voidaan käyttää yksifaasisten ja komposiittisten keraamisten osien valmistukseen, jotka voivat muodostaa monimutkaisia, lähes verkkokokoisia keraamisia osia, ja sen tuorelujuus on jopa 20-30 MPa tai enemmän, mikä voidaan käsitellä uudelleen. Tämän menetelmän pääongelmana on, että alkion rungon kutistumisnopeus on suhteellisen korkea tiivistysprosessin aikana, mikä johtaa helposti alkion rungon muodonmuutokseen; joillakin orgaanisilla monomeereillä on hapen esto, mikä aiheuttaa pinnan kuoriutumisen ja irtoamisen; lämpötilan aiheuttaman orgaanisen monomeerin polymerointiprosessin vuoksi lämpötilan hilseily johtaa sisäiseen jännitykseen, joka aiheuttaa aihioiden rikkoutumisen ja niin edelleen.

2.5 Suora jähmettymisruiskuvalu
Suora kiinteytysruiskuvalu on ETH Zürichin kehittämä muovaustekniikka: liuotinvesi, keraaminen jauhe ja orgaaniset lisäaineet sekoitetaan täysin sähköstaattisesti stabiiliksi, matalan viskositeetin ja korkean kiintoainepitoisuuden omaavaksi lietteeksi, jota voidaan muuttaa lisäämällä lietteen pH-arvoa tai elektrolyyttipitoisuutta lisääviä kemikaaleja, minkä jälkeen liete ruiskutetaan huokosettomaan muottiin.

Kemiallisten reaktioiden etenemistä prosessin aikana voidaan kontrolloida. Reaktio ennen ruiskuvalua suoritetaan hitaasti, lietteen viskositeetti pidetään alhaisena ja reaktio kiihtyy ruiskuvalun jälkeen, jolloin liete jähmettyy ja nestemäinen liete muuttuu kiinteäksi kappaleeksi. Saadulla vihreällä kappaleella on hyvät mekaaniset ominaisuudet ja sen lujuus voi olla jopa 5 kPa. Vihreä kappale puretaan muotista, kuivataan ja sintrataan halutun muotoiseksi keraamiseksi osaksi.

Sen etuja ovat, että se ei tarvitse tai tarvitsee vain pienen määrän orgaanisia lisäaineita (alle 1 %), vihreää kappaletta ei tarvitse rasvanpoistoon, vihreän kappaleen tiheys on tasainen, suhteellinen tiheys on korkea (55 % ~ 70 %), ja sillä voidaan muodostaa suurikokoisia ja monimutkaisen muotoisia keraamisia osia. Sen haittapuolena on, että lisäaineet ovat kalliita ja reaktion aikana vapautuu yleensä kaasua.

2.6 Ruiskuvalu
Ruiskuvalua on käytetty pitkään muovituotteiden ja metallimuottien muovauksessa. Tässä prosessissa käytetään termoplastisten orgaanisten aineiden kovettumista matalassa lämpötilassa tai lämpökovettuvien orgaanisten aineiden kovettumista korkeassa lämpötilassa. Jauhe ja orgaaninen kantaja sekoitetaan erityisessä sekoituslaitteessa ja ruiskutetaan sitten muottiin korkeassa paineessa (kymmeniä tai satoja MPa). Suuren muovauspaineen ansiosta saaduilla aihioilla on tarkat mitat, korkea sileys ja kompakti rakenne; erityisten muovauslaitteiden käyttö parantaa huomattavasti tuotantotehokkuutta.

1970-luvun lopulla ja 1980-luvun alussa ruiskuvaluprosessia sovellettiin keraamisten osien muovaamiseen. Tässä prosessissa muovimuovataan lisäämällä runsaasti orgaanista ainetta, mikä on yleinen keraamisen muovin muovausprosessi. Ruiskuvalutekniikassa termoplastisten orgaanisten aineiden (kuten polyeteenin, polystyreenin), lämpökovettuvien orgaanisten aineiden (kuten epoksihartsin, fenolihartsin) tai vesiliukoisten polymeerien käytön lisäksi pääasiallisena sideaineena on lisättävä tiettyjä määriä prosessiapuaineita, kuten pehmittimiä, voiteluaineita ja kytkentäaineita, keraamisen ruiskutussuspension juoksevuuden parantamiseksi ja ruiskuvaletun kappaleen laadun varmistamiseksi.

Ruiskuvaluprosessin etuna on korkea automaatioaste ja muottikappaleen tarkka koko. Ruiskuvalettujen keraamisten osien tuoreen kappaleen orgaanisten aineiden pitoisuus on kuitenkin jopa 50 tilavuusprosenttia. Näiden orgaanisten aineiden poistaminen seuraavassa sintrausprosessissa vie kauan, jopa useita päiviä tai kymmeniä päiviä, ja laatuvirheitä voi helposti syntyä.

2.7 Kolloidinen ruiskuvalu
Suuren orgaanisen aineksen lisäysongelman ja perinteisen ruiskuvaluprosessin vaikeuksien poistamisen vaikeuden ratkaisemiseksi Tsinghuan yliopisto ehdotti luovasti uutta prosessia keraamien kolloidiseen ruiskuvaluun ja kehitti itsenäisesti kolloidisen ruiskuvaluprototyypin karujen keraamisten lieteiden ruiskutuksen toteuttamiseksi.

Perusajatuksena on yhdistää kolloidinen muovaus ruiskuvaluun käyttämällä patentoituja ruiskutuslaitteita ja uutta kovettumistekniikkaa, jota kolloidinen in situ -jähmetysmuovausprosessi tarjoaa. Tässä uudessa prosessissa käytetään alle 4 painoprosenttia orgaanista ainetta. Pieni määrä orgaanisia monomeerejä tai orgaanisia yhdisteitä vesipohjaisessa suspensiossa indusoi orgaanisten monomeerien polymeroitumisen nopeasti muottiin ruiskuttamisen jälkeen, jolloin muodostuu orgaaninen verkkomainen runko, joka kietoo keraamisen jauheen tasaisesti. Näiden avulla ei ainoastaan lyhene huomattavasti limakalvojen poistoaikaa, vaan myös limakalvojen poiston halkeilun mahdollisuus vähenee huomattavasti.

Keramiikan ruiskupuristuksen ja kolloidimuottien välillä on valtava ero. Tärkein ero on, että ensin mainittu kuuluu muovimuovauksen luokkaan ja jälkimmäinen lietemuovaukseen, eli liete ei ole plastinen ja se on karu materiaali. Koska liete ei ole plastinen kolloidimuoteissa, perinteinen keraaminen ruiskupuristus ei ole mahdollinen. Jos kolloidimuotteja yhdistetään ruiskupuristukseen, keraamisten materiaalien kolloidinen ruiskupuristus toteutetaan käyttämällä patentoituja ruiskutuslaitteita ja uutta kovettumistekniikkaa, jota tarjoaa kolloidinen in situ -muovausprosessi.

Uusi keraamisten tuotteiden kolloidisen ruiskuvalumenetelmä eroaa yleisestä kolloidisesta muovauksesta ja perinteisestä ruiskuvalumenetelmästä. Korkean muovausautomaation etuna on kolloidisen muovausprosessin laadullinen sublimaatio, josta tulee toivoa korkean teknologian keraamisten tuotteiden teollistumiselle.