Tsirkooniumkeraamika üheksa täppisvormimisprotsessi

Tsirkooniumkeraamika üheksa täppisvormimisprotsessi
Vormimisprotsessil on ühendav roll kogu keraamiliste materjalide ettevalmistusprotsessis ning see on võtmetähtsusega keraamiliste materjalide ja komponentide toimivuse usaldusväärsuse ja tootmise korduvuse tagamisel.
Ühiskonna arenguga ei suuda traditsioonilise keraamika traditsiooniline käsitsi sõtkumise meetod, rataste vormimise meetod, tsementeerimismeetod jne enam rahuldada tänapäeva ühiskonna tootmis- ja täiustamisvajadusi, mistõttu sündis uus vormimisprotsess. ZrO2 peenkeraamilisi materjale kasutatakse laialdaselt järgmistes 9 vormimisprotsessis (2 kuiva meetodit ja 7 märgmeetodit):

1. Kuivvormimine

1.1 Kuivpressimine

Kuivpressimise käigus pressitakse keraamiline pulber surve abil teatud kujuga kehasse. Selle põhiolemus seisneb selles, et välise jõu mõjul lähenevad pulbriosakesed vormis üksteisele ja sisemise hõõrdumise abil seotakse need kindlalt, et säilitada teatud kuju. Kuivpressitud roheliste kehade peamine defekt on killustumine, mis tekib pulbrite omavahelise sisemise hõõrdumise ja pulbri ning vormi seina vahelise hõõrdumise tõttu, mille tulemuseks on rõhukadu keha sees.

Kuivpressimise eelised on täpsed rohelise toote mõõtmed, lihtne töö ja mugav mehhaniseeritud töö teostamine; rohelises kuivpressimises on vähem niiskust ja sideainet ning kuivamis- ja põletamiskahanemine on väike. Seda kasutatakse peamiselt lihtsa kujuga toodete valmistamiseks ja väikese kuvasuhtega toodete valmistamiseks. Kuivpressimise puuduseks on vormi kulumisest tingitud suurenenud tootmiskulud.

1.2 Isostaatiline pressimine

Isostaatiline pressimine on traditsioonilise kuivpressimise baasil välja töötatud spetsiaalne vormimismeetod. See kasutab vedeliku ülekanderõhku, et rakendada elastse vormi sees olevale pulbrile ühtlast survet igast suunast. Tänu vedeliku siserõhu ühtlusele avaldab pulber igas suunas sama survet, mistõttu saab vältida rohelise keha tiheduse erinevust.

Isostaatiline pressimine jaguneb märgkotiga isostaatiliseks pressimiseks ja kuivkotiga isostaatiliseks pressimiseks. Märgkotiga isostaatilise pressimisega saab moodustada keeruka kujuga tooteid, kuid see töötab ainult katkendlikult. Kuivkotiga isostaatiline pressimine võimaldab automaatset pidevat tööd, kuid see suudab moodustada ainult lihtsa kujuga tooteid, näiteks ruudukujulisi, ümmargusi ja torukujulisi ristlõikeid. Isostaatilise pressimisega saab saada ühtlase ja tiheda rohelise keha, millel on väike põlemiskahanemine ja ühtlane kahanemine igas suunas, kuid seadmed on keerulised ja kallid ning tootmise efektiivsus pole kõrge ja see sobib ainult erinõuetega materjalide tootmiseks.

2. Märgvormimine

2.1 Tsementeerimine
Tsementeerimisprotsess sarnaneb lintvalamisega, erinevus seisneb selles, et vormimisprotsess hõlmab füüsikalist dehüdratsiooni ja keemilist koagulatsiooni. Füüsikaline dehüdratsioon eemaldab suspensioonist vee poorse kipsivormi kapillaarse toime kaudu. Pinna CaSO4 lahustumisel tekkiv Ca2+ suurendab suspensiooni ioontugevust, mille tulemuseks on suspensiooni flokulatsioon.
Füüsikalise dehüdratsiooni ja keemilise koagulatsiooni toimel ladestuvad keraamilise pulbri osakesed kipsi vormi seinale. Tsementeerimine sobib keeruka kujuga suuremahuliste keraamiliste osade valmistamiseks, kuid rohelise keha kvaliteet, sealhulgas kuju, tihedus, tugevus jne, on halb, töötajate töömahukus on suur ja see ei sobi automatiseeritud toiminguteks.

2.2 Kuumvormimine
Kuumvormimine on keraamilise pulbri ja sideaine (parafiini) segamine suhteliselt kõrgel temperatuuril (60–100 ℃), et saada kuumvormimiseks mõeldud suspensioon. Suspensioon süstitakse suruõhu toimel metallvormi ja hoitakse rõhku. Seejärel jahutatakse ja vormist eemaldatakse vahatoorik, mis seejärel inertse pulbri kaitse all vahataoliseks töödeldakse. Seejärel paagutatakse vahatoorik kõrgel temperatuuril portselaniks.

Kuumvormimise teel moodustatud roheline keha on täpsete mõõtmetega, ühtlase sisestruktuuriga, vähese vormikulumisega ja kõrge tootmistõhususega ning sobib mitmesuguste toorainete jaoks. Vahasuspensiooni ja vormi temperatuuri tuleb rangelt kontrollida, vastasel juhul tekib alalaenev sissepritse või deformatsioon, seega ei sobi see suurte osade tootmiseks. Kaheastmeline põletusprotsess on keeruline ja energiatarve suur.

2.3 Lindi valamine
Lintvalamine seisneb selles, et keraamiline pulber segatakse suure hulga orgaaniliste sideainete, plastifikaatorite, dispergeerivate ainetega jne, et saada voolav viskoosne suspensioon, seejärel lisatakse see valamismasina punkrisse ja paksust kontrollitakse kaabitsa abil. See voolab läbi söötmisotsiku konveierilindile ja pärast kuivatamist saadakse kile.

See protsess sobib kilematerjalide valmistamiseks. Parema paindlikkuse saavutamiseks lisatakse suures koguses orgaanilist ainet ja protsessiparameetreid tuleb rangelt kontrollida, vastasel juhul tekivad kergesti defektid, nagu koorumine, triibud, madal kile tugevus või keeruline koorumine. Kasutatav orgaaniline aine on mürgine ja põhjustab keskkonnareostust ning keskkonnareostuse vähendamiseks tuleks võimalikult palju kasutada mittetoksilist või vähemtoksilist süsteemi.

2.4 Geelvormimine
Geelvormimise tehnoloogia on uus kolloidne kiirprototüüpimisprotsess, mille leiutasid Oak Ridge'i riikliku labori teadlased 1990. aastate alguses. Selle tuumaks on orgaaniliste monomeeride lahuste kasutamine, mis polümeriseeruvad suure tugevusega, külgsuunas seotud polümeer-lahusti geelideks.

Orgaaniliste monomeeride lahuses lahustatud keraamilise pulbri suspensioon valatakse vormi ja monomeeride segu polümeriseerub, moodustades geelistunud detaili. Kuna külgmiselt seotud polümeer-lahusti sisaldab ainult 10–20% (massifraktsioon) polümeeri, on lahustit geelistunud detailist kuivatamisetapi abil lihtne eemaldada. Samal ajal ei saa polümeerid külgmise ühenduse tõttu kuivamisprotsessi ajal lahustiga migreeruda.

Seda meetodit saab kasutada ühefaasiliste ja komposiitkeraamiliste osade valmistamiseks, mis võivad moodustada keeruka kujuga, peaaegu võrgusuuruseid keraamilisi osi ning mille roheline tugevus on kuni 20–30 MPa või rohkem, mida saab ümber töödelda. Selle meetodi peamine probleem on see, et embrüokeha kokkutõmbumiskiirus on tihendamise ajal suhteliselt kõrge, mis viib kergesti embrüokeha deformeerumiseni; mõnedel orgaanilistel monomeeridel on hapniku inhibeerimine, mis põhjustab pinna koorumist ja kukkumist; temperatuuri poolt indutseeritud orgaanilise monomeeri polümerisatsiooniprotsessi tõttu põhjustab temperatuuri raseerimine sisemist pinget, mis põhjustab toorikute purunemist jne.

2.5 Otsese tahkestumisega survevalu
Otsene tahkestamine survevaluvormimise meetodina on välja töötatud ETH Zürichi vormimistehnoloogia: lahustivesi, keraamiline pulber ja orgaanilised lisandid segatakse täielikult, moodustades elektrostaatiliselt stabiilse, madala viskoossusega ja suure tahke aine sisaldusega suspensiooni, mida saab muuta suspensiooni pH-d või elektrolüütide kontsentratsiooni suurendavaid kemikaale lisades, seejärel süstitakse suspensioon mittepoorsesse vormi.

Protsessi käigus kontrollitakse keemiliste reaktsioonide kulgu. Enne survevalu toimub reaktsioon aeglaselt, suspensiooni viskoossus hoitakse madalal ja pärast survevalu kiireneb reaktsioon, suspensioon tahkestub ja vedel suspensioon muutub tahkeks kehaks. Saadud rohelisel kehal on head mehaanilised omadused ja tugevus võib ulatuda 5 kPa-ni. Roheline keha deformeeritakse vormist, kuivatatakse ja paagutatakse soovitud kujuga keraamiliseks detailiks.

Selle eelised on see, et see ei vaja või vajab vaid väikest kogust orgaanilisi lisandeid (alla 1%), rohelist keha ei pea rasvaärastama, rohelise keha tihedus on ühtlane, suhteline tihedus on kõrge (55% ~ 70%) ning see võib moodustada suuri ja keeruka kujuga keraamilisi osi. Selle puuduseks on see, et lisandid on kallid ja reaktsiooni käigus eraldub tavaliselt gaasi.

2.6 Survevalu
Survevormimist on pikka aega kasutatud plasttoodete vormimisel ja metallvormide vormimisel. See protsess kasutab termoplastsete orgaaniliste ühendite madalal temperatuuril kõvendamist või termoreaktiivsete orgaaniliste ühendite kõrgel temperatuuril kõvendamist. Pulber ja orgaaniline kandja segatakse spetsiaalses segamisseadmes ning seejärel süstitakse kõrge rõhu (kümned kuni sajad MPa) all vormi. Tänu suurele vormimisrõhule on saadud toorikutel täpsed mõõtmed, kõrge siledus ja kompaktne struktuur; spetsiaalse vormimisseadme kasutamine parandab oluliselt tootmise efektiivsust.

1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses hakati keraamiliste osade vormimiseks kasutama survevaluvormi. See protsess võimaldab plastvormimist viljatutest materjalidest suure koguse orgaanilise aine lisamise teel, mis on tavaline keraamiliste plastvormimisprotsess. Survevalu tehnoloogias tuleb lisaks termoplastsete orgaaniliste ainete (nt polüetüleen, polüstüreen), termoreaktiivsete orgaaniliste ainete (nt epoksüvaik, fenoolvaik) või vees lahustuvate polümeeride kasutamisele peamise sideainena lisada teatud koguses protsessi abiaineid, nagu plastifikaatorid, määrdeained ja sidestusained, et parandada keraamilise sissepritsesuspensiooni voolavust ja tagada survevalu kvaliteet.

Survevalu protsessi eelised on kõrge automatiseerituse aste ja vormitooriku täpne suurus. Survevalu teel valmistatud keraamiliste osade rohelise keha orgaaniliste ainete sisaldus on aga kuni 50 vol%. Nende orgaaniliste ainete eemaldamine järgnevas paagutamise protsessis võtab kaua aega, isegi mitu päeva kuni kümneid päevi, ja see on kerge tekitada kvaliteedivigu.

2.7 Kolloidne survevalu
Traditsioonilise survevaluvormimise protsessi raskuste kõrvaldamise ja suure orgaanilise aine lisamise probleemide lahendamiseks pakkus Tsinghua ülikool välja uue protsessi keraamika kolloidseks survevaluvormimiseks ning töötas iseseisvalt välja kolloidse survevaluvormi prototüübi, et realiseerida viljatu keraamilise suspensiooni sissepritse.

Põhiidee on kolloidvormimise ja survevalu kombineerimine, kasutades patenteeritud survevaluseadmeid ja uut kõvenemistehnoloogiat, mida pakub kolloidne kohapealne tahkestumisvormimise protsess. See uus protsess kasutab vähem kui 4 massiprotsenti orgaanilist ainet. Väike kogus orgaanilisi monomeere või orgaanilisi ühendeid veepõhises suspensioonis indutseerib orgaaniliste monomeeride polümerisatsiooni kiiresti pärast vormi süstimist, moodustades orgaanilise võrgustiku skeleti, mis ümbritseb keraamilist pulbrit ühtlaselt. Lisaks lüheneb oluliselt mitte ainult lima eemaldamise aeg, vaid väheneb ka lima eemaldamise pragunemise võimalus.

Keraamika survevalu ja kolloidvormimise vahel on tohutu erinevus. Peamine erinevus seisneb selles, et esimene kuulub plastvormimise kategooriasse ja teine suspensioonvormimise alla, st suspensioonil puudub plastilisus ja see on ebaühtlane materjal. Kuna suspensioonil puudub kolloidvormimisel plastilisus, ei saa keraamilise survevalu traditsioonilist ideed rakendada. Kui kolloidvormimine on kombineeritud survevaluga, saavutatakse keraamiliste materjalide kolloidne survevalu patenteeritud survevaluseadmete ja uue kõvenemistehnoloogia abil, mida pakub kolloidne kohapealne vormimise protsess.

Keraamika kolloidse survevalu uus protsess erineb üldisest kolloidvormimisest ja traditsioonilisest survevaluvormimisest. Kõrge vormimise automatiseerimise taseme eeliseks on kolloidvormimisprotsessi kvalitatiivne sublimatsioon, mis saab kõrgtehnoloogilise keraamika industrialiseerimise lootuseks.