Nio precisionsgjutningsprocesser för zirkoniumoxidkeramik

Nio precisionsgjutningsprocesser för zirkoniumoxidkeramik
Gjutningsprocessen spelar en länkande roll i hela beredningsprocessen av keramiska material och är nyckeln till att säkerställa prestandatillförlitlighet och produktionsrepeterbarhet för keramiska material och komponenter.
Med samhällets utveckling kan den traditionella handknådningsmetoden, hjulformningsmetoden, injekteringsmetoden etc. för traditionell keramik inte längre uppfylla det moderna samhällets behov av produktion och förfining, så en ny gjutningsprocess föddes. ZrO2 finkeramiska material används ofta i följande 9 typer av gjutningsprocesser (2 typer torra metoder och 7 typer våta metoder):

1. Torrgjutning

1.1 Torrpressning

Torrpressning använder tryck för att pressa keramiskt pulver till en viss form på kroppen. Dess kärna är att pulverpartiklarna, under inverkan av yttre kraft, närmar sig varandra i formen och sammanfogas ordentligt genom inre friktion för att bibehålla en viss form. Den största defekten hos torrpressade gröna kroppar är spallation, vilket beror på den inre friktionen mellan pulvret och friktionen mellan pulvret och formväggen, vilket resulterar i tryckförlust inuti kroppen.

Fördelarna med torrpressning är att den gröna kroppens storlek är exakt, operationen är enkel och det är bekvämt att genomföra mekaniserad drift; innehållet av fukt och bindemedel i den gröna torrpressningen är mindre och krympningen vid torkning och bränning är liten. Den används huvudsakligen för att forma produkter med enkla former och ett litet bildförhållande. Nackdelen med torrpressning är den ökade produktionskostnaden som orsakas av formslitage.

1.2 Isostatisk pressning

Isostatisk pressning är en speciell formningsmetod som utvecklats baserat på traditionell torrpressning. Den använder vätskeöverföringstryck för att applicera tryck jämnt på pulvret inuti den elastiska formen från alla riktningar. På grund av det enhetliga inre trycket i vätskan har pulvret samma tryck i alla riktningar, så skillnader i densitet hos den gröna kroppen kan undvikas.

Isostatisk pressning är indelad i våtpåspressning och torrpåspressning. Våtpåspressning kan forma produkter med komplexa former, men den kan bara fungera intermittent. Torrpåspressning kan uppnå automatisk kontinuerlig drift, men kan bara forma produkter med enkla former som fyrkantiga, runda och rörformiga tvärsnitt. Isostatisk pressning kan erhålla en enhetlig och tät grönkropp, med liten brännkrympning och enhetlig krympning i alla riktningar, men utrustningen är komplex och dyr, och produktionseffektiviteten är inte hög, och den är endast lämplig för produktion av material med speciella krav.

2. Våtformning

2.1 Injektering
Injekteringsprocessen liknar bandgjutning, skillnaden är att gjutningsprocessen inkluderar en fysisk dehydreringsprocess och en kemisk koaguleringsprocess. Fysisk dehydrering avlägsnar vattnet i slammet genom kapillärverkan hos den porösa gipsformen. Ca2+ som genereras genom upplösningen av ytans CaSO4 ökar slammets jonstyrka, vilket resulterar i flockulering av slammet.
Under inverkan av fysisk uttorkning och kemisk koagulering avsätts de keramiska pulverpartiklarna på gipsformens vägg. Injektering är lämplig för framställning av storskaliga keramiska delar med komplexa former, men kvaliteten på den gröna kroppen, inklusive form, densitet, hållfasthet etc., är dålig, arbetarnas arbetsintensitet är hög och det är inte lämpligt för automatiserade operationer.

2.2 Varmgjutning
Varmgjutning innebär att blanda keramiskt pulver med bindemedel (paraffin) vid en relativt hög temperatur (60~100 ℃) för att erhålla en uppslamning för varmgjutning. Uppslamningen sprutas in i metallformen under inverkan av tryckluft, och trycket bibehålls. Efter kylning, urformning för att erhålla ett vaxämne, avvaxas vaxämnet under skydd av ett inert pulver för att erhålla en grönkropp, och den gröna kroppen sintras vid hög temperatur för att bli porslin.

Den gröna kroppen som formas genom varmgjutning har exakta dimensioner, enhetlig inre struktur, mindre formslitage och hög produktionseffektivitet, och är lämplig för olika råmaterial. Temperaturen på vaxuppslamningen och formen måste kontrolleras strikt, annars kommer det att orsaka underinjektion eller deformation, så den är inte lämplig för tillverkning av stora delar, och tvåstegsbränningsprocessen är komplicerad och energiförbrukningen hög.

2.3 Bandgjutning
Bandgjutning innebär att man helt blandar keramiskt pulver med en stor mängd organiska bindemedel, mjukgörare, dispergeringsmedel etc. för att få en flytande viskös uppslamning, tillsätter uppslamningen i gjutmaskinens tratt och använder en skrapa för att kontrollera tjockleken. Den rinner ut till transportbandet genom matningsmunstycket, och efter torkning erhålls ett filmämne.

Denna process är lämplig för framställning av filmmaterial. För att uppnå bättre flexibilitet tillsätts en stor mängd organiskt material, och processparametrarna måste kontrolleras noggrant, annars kommer det lätt att orsaka defekter som flagning, ränder, låg filmstyrka eller svårigheter att flagna. Det organiska materialet som används är giftigt och orsakar miljöföroreningar, och ett giftfritt eller mindre giftigt system bör användas så mycket som möjligt för att minska miljöföroreningarna.

2.4 Gelformsprutning
Gelformsprutningsteknik är en ny kolloidal snabbprototypningsprocess som först uppfanns av forskare vid Oak Ridge National Laboratory i början av 1990-talet. Kärnan är användningen av organiska monomerlösningar som polymeriserar till höghållfasta, lateralt länkade polymer-lösningsmedelsgeler.

En uppslamning av keramiskt pulver löst i en lösning av organiska monomerer gjuts i en form, och monomerblandningen polymeriseras för att bilda en gelad del. Eftersom den lateralt länkade polymer-lösningsmedlet endast innehåller 10–20 % (massfraktion) polymer, är det enkelt att avlägsna lösningsmedlet från geldelen genom ett torkningssteg. Samtidigt, på grund av polymerernas laterala förbindelse, kan polymererna inte migrera med lösningsmedlet under torkningsprocessen.

Denna metod kan användas för att tillverka enfas- och kompositkeramiska delar, vilka kan bilda komplexformade keramiska delar av kvasi-nettostorlek, och dess gröna hållfasthet är så hög som 20-30 MPa eller mer, vilket kan återbearbetas. Det största problemet med denna metod är att krympningshastigheten för embryokroppen är relativt hög under förtätningsprocessen, vilket lätt leder till deformation av embryokroppen; vissa organiska monomerer har syrgasinhibering, vilket gör att ytan skalar och faller av; på grund av den temperaturinducerade organiska monomerpolymerisationsprocessen leder temperaturskalning till att det uppstår inre spänningar, vilket gör att ämnena går sönder och så vidare.

2.5 Direkt stelningssprutning
Direktformsprutning är en gjutningsteknik som utvecklats av ETH Zürich: lösningsmedelsvatten, keramiskt pulver och organiska tillsatser blandas fullständigt för att bilda elektrostatiskt stabil, lågviskös uppslamning med hög fast substanshalt, vilket kan ändras genom att tillsätta uppslamningens pH-värde eller kemikalier som ökar elektrolytkoncentrationen, sedan injiceras uppslamningen i en icke-porös form.

Kontrollera de kemiska reaktionernas förlopp under processen. Reaktionen före formsprutning utförs långsamt, slammets viskositet hålls låg och reaktionen accelereras efter formsprutning, slammet stelnar och den flytande slammet omvandlas till en fast kropp. Den erhållna gröna kroppen har goda mekaniska egenskaper och hållfastheten kan nå 5 kPa. Grönkroppen avformas, torkas och sintras för att bilda en keramisk del med önskad form.

Dess fördelar är att den inte behöver eller bara behöver en liten mängd organiska tillsatser (mindre än 1 %), den gröna kroppen behöver inte avfettas, den gröna kroppens densitet är jämn, den relativa densiteten är hög (55 % ~ 70 %) och den kan bilda stora och komplext formade keramiska delar. Nackdelen är att tillsatserna är dyra och gas frigörs generellt under reaktionen.

2.6 Formsprutning
Formsprutning har länge använts vid gjutning av plastprodukter och metallformar. Denna process använder lågtemperaturhärdning av termoplastiska organiska material eller högtemperaturhärdning av värmehärdande organiska material. Pulvret och den organiska bäraren blandas i en speciell blandningsutrustning och sprutas sedan in i formen under högt tryck (tiotals till hundratals MPa). Tack vare det stora formtrycket har de erhållna ämnena exakta dimensioner, hög jämnhet och kompakt struktur; användningen av speciell gjututrustning förbättrar produktionseffektiviteten avsevärt.

I slutet av 1970-talet och början av 1980-talet tillämpades formsprutningsprocessen på gjutning av keramiska delar. Denna process innebär att man tillsätter en stor mängd organiskt material för plastgjutning av karga material, vilket är en vanlig process för gjutning av keramiska plaster. Vid formsprutningsteknik är det, förutom att använda termoplastiska organiska material (såsom polyeten, polystyren), värmehärdande organiska material (såsom epoxiharts, fenolharts) eller vattenlösliga polymerer som huvudbindemedel, nödvändigt att tillsätta vissa mängder processhjälpmedel såsom mjukgörare, smörjmedel och kopplingsmedel för att förbättra den keramiska injektionssuspensionens flytförmåga och säkerställa kvaliteten på den formsprutade kroppen.

Formsprutningsprocessen har fördelarna med hög automatiseringsgrad och exakt storlek på formämnet. Emellertid är det organiska innehållet i råmaterialet hos formsprutade keramiska delar så högt som 50 vol%. Det tar lång tid, till och med flera dagar till dussintals dagar, att eliminera dessa organiska ämnen i den efterföljande sintringsprocessen, och det är lätt att orsaka kvalitetsfel.

2.7 Kolloidal formsprutning
För att lösa problemen med den stora mängden tillsatt organiskt material och svårigheten att eliminera svårigheterna i den traditionella formsprutningsprocessen, föreslog Tsinghua University kreativt en ny process för kolloidal formsprutning av keramik, och utvecklade självständigt en prototyp för kolloidal formsprutning för att förverkliga formning av injektion av karen keramisk uppslamning.

Grundidén är att kombinera kolloidal gjutning med formsprutning, med hjälp av egenutvecklad injektionsutrustning och ny härdningsteknik som tillhandahålls av den kolloidala in-situ-stelningsgjutningsprocessen. Denna nya process använder mindre än 4 viktprocent organiskt material. En liten mängd organiska monomerer eller organiska föreningar i den vattenbaserade suspensionen används för att snabbt inducera polymerisationen av organiska monomerer efter injektion i formen för att bilda ett organiskt nätverksskelett, som jämnt omsluter det keramiska pulvret. Bland dessa förkortas inte bara tiden för avslemning avsevärt, utan även risken för sprickbildning vid avslemning minskas avsevärt.

Det finns en enorm skillnad mellan formsprutning av keramik och kolloidal gjutning. Den största skillnaden är att den förra tillhör kategorin plastgjutning, och den senare tillhör slamgjutning, det vill säga slammet har ingen plasticitet och är ett kargt material. Eftersom slammet inte har någon plasticitet vid kolloidal gjutning kan den traditionella idén om keramisk formsprutning inte antas. Om kolloidal gjutning kombineras med formsprutning, realiseras kolloidal formsprutning av keramiska material med hjälp av proprietär formsprutningsutrustning och ny härdningsteknik som tillhandahålls av kolloidal in-situ-gjutningsprocess.

Den nya processen för kolloidal formsprutning av keramik skiljer sig från allmän kolloidal gjutning och traditionell formsprutning. Fördelen med en hög grad av automatisering av gjutning är en kvalitativ sublimering av den kolloidala gjutningsprocessen, vilket kommer att bli hoppet för industrialiseringen av högteknologisk keramik.