Дзевяць працэсаў дакладнага фармавання цырконіевай керамікі

Дзевяць працэсаў дакладнага фармавання цырконіевай керамікі
Працэс фармавання адыгрывае злучальную ролю ва ўсім працэсе падрыхтоўкі керамічных матэрыялаў і з'яўляецца ключом да забеспячэння надзейнасці працы і паўтаральнасці вытворчасці керамічных матэрыялаў і кампанентаў.
З развіццём грамадства традыцыйныя метады ручнога замешвання, колавага фармавання, заціркі і г.д. традыцыйнай керамікі больш не могуць задаволіць патрэбы сучаснага грамадства ў вытворчасці і вытанчанасці, таму нарадзіўся новы працэс фармавання. Дробназерныя керамічныя матэрыялы ZrO2 шырока выкарыстоўваюцца ў наступных 9 тыпах працэсаў фармавання (2 тыпы сухога метаду і 7 тыпаў мокрага метаду):

1. Сухое фармаванне

1.1 Сухое прэсаванне

Сухое прэсаванне выкарыстоўвае ціск для надання керамічнаму парашку пэўнай формы. Яго сутнасць заключаецца ў тым, што пад дзеяннем знешняй сілы часціцы парашка збліжаюцца адна з адной у форме і трывала злучаюцца ўнутраным трэннем, каб захаваць пэўную форму. Асноўным дэфектам сухопрасаваных сырых вырабаў з'яўляецца адколванне, якое ўзнікае з-за ўнутранага трэння паміж парашкамі і трэння паміж парашкамі і сценкамі формы, што прыводзіць да страты ціску ўнутры корпуса.

Перавагі сухога прэсавання заключаюцца ў тым, што памер сырога цела дакладны, аперацыя простая і зручная ў механізацыі; утрыманне вільгаці і звязальнага матэрыялу ў сырым сухім прэсаванні меншае, а ўсаджванне пры сушцы і абпале невялікае. Яно ў асноўным выкарыстоўваецца для фармавання вырабаў з простай формай і невялікім суадносінамі бакоў. Недахопам сухога прэсавання з'яўляецца павелічэнне сабекошту вытворчасці з-за зносу формы.

1.2 Ізастатычнае прэсаванне

Ізастатычнае прэсаванне — гэта спецыяльны метад фармавання, распрацаваны на аснове традыцыйнага сухога прэсавання. Ён выкарыстоўвае ціск перадачы вадкасці для раўнамернага прымянення ціску да парашка ўнутры эластычнай формы з усіх бакоў. Дзякуючы аднастайнасці ўнутранага ціску вадкасці, парашок адчувае аднолькавы ціск ва ўсіх напрамках, таму можна пазбегнуць розніцы ў шчыльнасці зялёнага цела.

Ізастатычнае прэсаванне падзяляецца на ізастатычнае прэсаванне ў вільготных мяшках і ізастатычнае прэсаванне ў сухіх мяшках. Пры ізастатычным прэсаванні ў вільготных мяшках можна вырабляць вырабы складанай формы, але яно можа працаваць толькі з перапынкамі. Пры ізастатычным прэсаванні ў сухіх мяшках можна ажыццяўляць аўтаматычную бесперапынную працу, але можна вырабляць толькі вырабы простых формаў, такіх як квадратныя, круглыя і трубчастыя папярочныя сячэнні. Ізастатычнае прэсаванне дазваляе атрымаць аднастайную і шчыльную сырую загатоўку з невялікай усадкай пры абпале і раўнамернай усадкай ва ўсіх напрамках, але абсталяванне складанае і дарагое, эфектыўнасць вытворчасці невысокая і падыходзіць толькі для вытворчасці матэрыялаў са спецыяльнымі патрабаваннямі.

2. Мокрае фармаванне

2.1 Зацірка
Працэс ліцця пад ціскам падобны да ліцця пад ціскам стужкі, але адрозненне заключаецца ў тым, што працэс ліцця ўключае працэс фізічнай дэгідратацыі і працэс хімічнай каагуляцыі. Фізічная дэгідратацыя выдаляе ваду з суспензіі праз капілярнае дзеянне сітаватай гіпсавай формы. Ca2+, які ўтвараецца ў выніку растварэння паверхневага CaSO4, павялічвае іонную сілу суспензіі, што прыводзіць да яе флокуляцыі.
Пад уздзеяннем фізічнай дэгідратацыі і хімічнай каагуляцыі часціцы керамічнага парашка адкладаюцца на сценках гіпсавай формы. Зацірка падыходзіць для вырабу буйных керамічных дэталяў складанай формы, але якасць сырога цела, у тым ліку форма, шчыльнасць, трываласць і г.д., нізкая, працаёмкасць рабочых высокая, і яна не падыходзіць для аўтаматызаваных аперацый.

2.2 Гарачае ліццё пад ціскам
Гарачае ліццё пад ціскам — гэта змешванне керамічнага парашка са звязальным рэчывам (парафінам) пры адносна высокай тэмпературы (60~100℃) для атрымання суспензіі для гарачага ліцця пад ціскам. Суспензія ўпырскваецца ў металічную форму пад дзеяннем сціснутага паветра і падтрымліваецца ціск. Астуджаецца, вымаецца з формы для атрымання васковай загатоўкі, васковая загатоўка дэпарафінуецца пад абаронай інэртнага парашка для атрымання сырога вырабу, а сыры выраб спякаецца пры высокай тэмпературы для атрымання фарфору.

Зыходны матэрыял, атрыманы метадам гарачага ліцця пад ціскам, мае дакладныя памеры, аднастайную ўнутраную структуру, меншы знос формы і высокую эфектыўнасць вытворчасці, і падыходзіць для розных відаў сыравіны. Тэмпературу воскавай суспензіі і формы неабходна строга кантраляваць, інакш гэта прывядзе да недастатковага ўпырску або дэфармацыі, таму ён не падыходзіць для вырабу буйных дэталяў, а двухэтапны працэс абпалу складаны, а спажыванне энергіі высокае.

2.3 Ліццё стужкі
Ліццё стужкі заключаецца ў поўным змешванні керамічнага парашка з вялікай колькасцю арганічных звязальных рэчываў, пластыфікатараў, дысперсантаў і г.д. для атрымання цякучай глейкай суспензіі, даданні суспензіі ў бункер ліцейнай машыны і выкарыстанні скрабка для кантролю таўшчыні. Яна выцякае на канвеерную стужку праз падаючую фарсунку, і пасля высыхання атрымліваецца плёнкавая нарыхтоўка.

Гэты працэс падыходзіць для падрыхтоўкі плёнкавых матэрыялаў. Для дасягнення лепшай гнуткасці дадаецца вялікая колькасць арганічных рэчываў, і параметры працэсу павінны строга кантралявацца, інакш лёгка ўзнікнуць такія дэфекты, як адслойванне, палосы, нізкая трываласць плёнкі або цяжкае адслойванне. Выкарыстоўваемыя арганічныя рэчывы таксічныя і забруджваюць навакольнае асяроддзе, таму для зніжэння забруджвання навакольнага асяроддзя варта выкарыстоўваць як мага часцей нетаксічныя або менш таксічныя сістэмы.

2.4 Ліццё пад ціскам геля
Тэхналогія ліцця пад ціскам геля — гэта новы працэс хуткага прататыпавання калоідных рэчываў, упершыню вынайдзены даследчыкамі з Нацыянальнай лабараторыі Ок-Рыдж у пачатку 1990-х гадоў. У яго аснове ляжыць выкарыстанне раствораў арганічных манамераў, якія палімерызуюцца ў высокатрывалыя, латэральна звязаныя гелі палімер-растваральнік.

Суспензія керамічнага парашка, растворанага ў растворы арганічных манамераў, адліваецца ў форму, і сумесь манамераў палімерызуецца з утварэннем гелевай дэталі. Паколькі латэральна звязаны палімер-растваральнік змяшчае толькі 10%-20% (масавай долі) палімера, растваральнік лёгка выдаліць з гелевай дэталі шляхам этапу сушкі. У той жа час, дзякуючы латэральнаму злучэнню палімераў, палімеры не могуць міграваць разам з растваральнікам падчас працэсу сушкі.

Гэты метад можа быць выкарыстаны для вырабу аднафазных і кампазітных керамічных дэталяў, якія могуць мець складаную форму і квазісеткавыя памеры, а трываласць у сырам стане дасягае 20-30 МПа і больш, што дазваляе перапрацоўваць дэталі. Асноўная праблема гэтага метаду заключаецца ў тым, што ў працэсе ўшчыльнення зародкавая частка дасягае адносна высокай хуткасці ўсаджвання, што лёгка прыводзіць да яго дэфармацыі; некаторыя арганічныя монамеры маюць кіслароднае стрымліванне, што прыводзіць да адслойвання і адвальвання паверхні; з-за тэмпературна-індукаванага працэсу палімерызацыі арганічных монамераў тэмпературнае струганне прыводзіць да ўзнікнення ўнутраных напружанняў, што прыводзіць да разбурэння загатоўкі і г.д.

2.5 Ліццё пад ціскам з прамым зацвярдзеннем
Ліццё пад ціскам з прамым зацвярдзеннем — гэта тэхналогія ліцця, распрацаваная ETH Zurich: растваральнік, вада, керамічны парашок і арганічныя дабаўкі старанна змешваюцца для ўтварэння электрастатычна стабільнай суспензіі з нізкай глейкасцю і высокім утрыманнем цвёрдых рэчываў, якую можна змяніць, дадаўшы патрэбную колькасць рэчыва, якое павышае pH суспензіі, або хімічных рэчываў, якія павялічваюць канцэнтрацыю электраліта, а затым суспензія ўводзіцца ў непарыстае ліццё.

Кантралюйце ход хімічных рэакцый падчас працэсу. Рэакцыя перад ліццём пад ціскам праводзіцца павольна, глейкасць суспензіі падтрымліваецца нізкай, а пасля ліцця пад ціскам рэакцыя паскараецца, суспензія застывае, і вадкая суспензія ператвараецца ў цвёрдае цела. Атрыманае сырое цела мае добрыя механічныя ўласцівасці, а трываласць можа дасягаць 5 кПа. Сырое цела вымаюць з формы, сушаць і спякаюць для атрымання керамічнай дэталі патрэбнай формы.

Яго перавагі ў тым, што ён не патрабуе або патрабуе толькі невялікай колькасці арганічных дабавак (менш за 1%), сырое цела не патрабуе абястлушчвання, шчыльнасць сырога цела аднастайная, адносная шчыльнасць высокая (55%~70%), і з яго можна фармаваць керамічныя дэталі буйных памераў і складанай формы. Яго недахоп у тым, што дабаўкі дарагія, і падчас рэакцыі звычайна вылучаецца газ.

2.6 Ліццё пад ціскам
Ліццё пад ціскам ужо даўно выкарыстоўваецца для ліцця вырабаў з пластмас і металічных формаў. Гэты працэс выкарыстоўвае нізкатэмпературнае зацвярдзенне тэрмапластычных арганічных рэчываў або высокатэмпературнае зацвярдзенне тэрмарэактыўных арганічных рэчываў. Парашок і арганічны носьбіт змешваюцца ў спецыяльным змяшальным абсталяванні, а затым уводзяць у форму пад высокім ціскам (ад дзясяткаў да сотняў МПа). Дзякуючы вялікаму ціску ліцця, атрыманыя нарыхтоўкі маюць дакладныя памеры, высокую гладкасць і кампактную структуру; выкарыстанне спецыяльнага абсталявання для ліцця значна павышае эфектыўнасць вытворчасці.

У канцы 1970-х і пачатку 1980-х гадоў для ліцця керамічных дэталяў быў ужыты працэс ліцця пад ціскам. Гэты працэс дазваляе атрымаць пластыкавае ліццё з бясплодных матэрыялаў шляхам дадання вялікай колькасці арганічных рэчываў, што з'яўляецца распаўсюджаным працэсам ліцця керамічных пластмас. У тэхналогіі ліцця пад ціскам, акрамя выкарыстання тэрмапластычных арганічных рэчываў (такіх як поліэтылен, полістырол), тэрмарэактыўных арганічных рэчываў (такіх як эпаксідная смала, фенольная смала) або водарастваральных палімераў у якасці асноўнага злучнага рэчыва, неабходна дадаць пэўную колькасць дапаможных рэчываў, такіх як пластыфікатары, змазкі і злучныя агенты, для паляпшэння цякучасці керамічнай ліццёвай суспензіі і забеспячэння якасці літага вырабу.

Працэс ліцця пад ціскам мае перавагі высокай ступені аўтаматызацыі і дакладнага памеру загатоўкі для ліцця. Аднак утрыманне арганічных рэчываў у сырой загатоўцы літай керамікі дасягае 50 аб.%. Выдаленне гэтых арганічных рэчываў у наступным працэсе спякання займае шмат часу, ад некалькіх дзён да дзясяткаў дзён, і лёгка выклікаць дэфекты якасці.

2.7 Калоіднае ліццё пад ціскам
Каб вырашыць праблемы вялікай колькасці дададзеных арганічных рэчываў і цяжкасці ліквідацыі цяжкасцей у традыцыйным працэсе ліцця пад ціскам, Універсітэт Цінхуа крэатыўна прапанаваў новы працэс калоіднага ліцця пад ціскам керамікі і незалежна распрацаваў прататып калоіднага ліцця пад ціскам для рэалізацыі ліцця бясплоднай керамічнай суспензіі.

Асноўная ідэя заключаецца ў спалучэнні калоіднага фармавання з ліццём пад ціскам з выкарыстаннем запатэнтаванага абсталявання для ліцця і новай тэхналогіі зацвярдзення, якая забяспечваецца працэсам калоіднага фармавання з зацвярдзеннем на месцы. У гэтым новым працэсе выкарыстоўваецца менш за 4% па вазе. Невялікая колькасць арганічных манамераў або арганічных злучэнняў у суспензіі на воднай аснове выкарыстоўваецца для хуткай індукцыі палімерызацыі арганічных манамераў пасля ўвядзення ў форму для ўтварэння арганічнага сеткавага шкілета, які раўнамерна ахінае керамічны парашок. Сярод іх значна скарачаецца не толькі час дэгуммавання, але і значна зніжаецца верагоднасць расколін пры дэгуммавання.

Існуе вялікая розніца паміж ліццём керамікі пад ціскам і калоідным ліццём. Асноўнае адрозненне заключаецца ў тым, што першае адносіцца да катэгорыі ліцця пластмас, а другое — да ліцця пад ціскам, гэта значыць, ліццё пад ціскам не мае пластычнасці і з'яўляецца бясплодным матэрыялам. Паколькі ліццё пад ціскам не мае пластычнасці, традыцыйная ідэя ліцця керамікі пад ціскам не можа быць прынята. Калі спалучаць калоіднае ліццё з ліццём пад ціскам, калоіднае ліццё керамічных матэрыялаў пад ціскам рэалізуецца з выкарыстаннем запатэнтаванага абсталявання для ліцця і новай тэхналогіі зацвярдзення, якая забяспечваецца працэсам калоіднага ліцця in-situ.

Новы працэс калоіднага ліцця керамікі пад ціскам адрозніваецца ад звычайнага калоіднага ліцця і традыцыйнага ліцця пад ціскам. Перавагай высокай ступені аўтаматызацыі ліцця з'яўляецца якасная сублімацыя працэсу калоіднага ліцця, што стане надзеяй для індустрыялізацыі высокатэхналагічнай керамікі.