Ni presisjonsstøpeprosesser av zirkoniumkeramikk

Ni presisjonsstøpeprosesser av zirkoniumkeramikk
Støpeprosessen spiller en sammenkoblende rolle i hele fremstillingsprosessen av keramiske materialer, og er nøkkelen til å sikre ytelsespålitelighet og produksjonsrepeterbarhet for keramiske materialer og komponenter.
Med samfunnets utvikling kan ikke den tradisjonelle håndeltingsmetoden, hjulformingsmetoden, fugemetoden osv. for tradisjonell keramikk lenger dekke det moderne samfunnets behov for produksjon og raffinering, så en ny støpeprosess ble født. ZrO2 fine keramiske materialer er mye brukt i følgende 9 typer støpeprosesser (2 typer tørre metoder og 7 typer våte metoder):

1. Tørrstøping

1.1 Tørrpressing

Tørrpressing bruker trykk for å presse keramisk pulver til en bestemt form på kroppen. Essensen er at pulverpartiklene nærmer seg hverandre i formen under påvirkning av ytre kraft, og er fast kombinert av indre friksjon for å opprettholde en viss form. Hovedfeilen i tørrpressede grønne legemer er avskalling, som skyldes indre friksjon mellom pulveret og friksjonen mellom pulveret og formveggen, noe som resulterer i trykktap inne i kroppen.

Fordelene med tørrpressing er at størrelsen på den grønne delen er nøyaktig, operasjonen er enkel, og det er praktisk å gjennomføre mekanisert drift; fuktighets- og bindemiddelinnholdet i den grønne tørrpressingen er mindre, og krympingen under tørking og brenning er liten. Den brukes hovedsakelig til å danne produkter med enkle former, og sideforholdet er lite. Ulempen med tørrpressing er de økte produksjonskostnadene forårsaket av formslitasje.

1.2 Isostatisk pressing

Isostatisk pressing er en spesiell formingsmetode utviklet på grunnlag av tradisjonell tørrpressing. Den bruker væskeoverføringstrykk for å påføre jevnt trykk på pulveret inne i den elastiske formen fra alle retninger. På grunn av det konsistente indre trykket i væsken, bærer pulveret samme trykk i alle retninger, slik at forskjellen i tettheten til det grønne legemet kan unngås.

Isostatisk pressing er delt inn i våtpose-isostatisk pressing og tørrpose-isostatisk pressing. Våtpose-isostatisk pressing kan danne produkter med komplekse former, men den kan bare fungere periodisk. Tørrpose-isostatisk pressing kan oppnå automatisk kontinuerlig drift, men kan bare danne produkter med enkle former som firkantede, runde og rørformede tverrsnitt. Isostatisk pressing kan oppnå en jevn og tett grønn masse, med liten brenningskrymping og jevn krymping i alle retninger, men utstyret er komplekst og dyrt, og produksjonseffektiviteten er ikke høy, og den er bare egnet for produksjon av materialer med spesielle krav.

2. Våtforming

2.1 Fuging
Fugestøpeprosessen ligner på båndstøping, forskjellen er at støpeprosessen inkluderer fysisk dehydrering og kjemisk koagulering. Fysisk dehydrering fjerner vannet i slammet gjennom kapillærvirkningen til den porøse gipsformen. Ca2+ som genereres ved oppløsning av overflaten CaSO4 øker ionestyrken til slammet, noe som resulterer i flokkulering av slammet.
Under påvirkning av fysisk dehydrering og kjemisk koagulering avsettes de keramiske pulverpartiklene på gipsformveggen. Fuging er egnet for fremstilling av store keramiske deler med komplekse former, men kvaliteten på den grønne delen, inkludert form, tetthet, styrke osv., er dårlig, arbeidernes arbeidsintensitet er høy, og det er ikke egnet for automatiserte operasjoner.

2.2 Varmstøping
Varmstøping er å blande keramisk pulver med bindemiddel (parafin) ved en relativt høy temperatur (60~100 ℃) for å få en oppslemming for varmstøping. Oppslemmingen sprøytes inn i metallformen under påvirkning av trykkluft, og trykket opprettholdes. Avkjøling, utforming for å få et voksemne, voksemnet avvokses under beskyttelse av et inert pulver for å få et rått legeme, og det rått legemet sintres ved høy temperatur for å bli porselen.

Den grønne delen som dannes ved varmstøping har presise dimensjoner, ensartet indre struktur, mindre formslitasje og høy produksjonseffektivitet, og er egnet for en rekke råvarer. Temperaturen på voksoppslemmingen og formen må kontrolleres strengt, ellers vil det føre til underinjeksjon eller deformasjon, så den er ikke egnet for produksjon av store deler, og totrinnsbrenningsprosessen er komplisert og energiforbruket er høyt.

2.3 Tape-støping
Båndstøping går ut på å blande keramisk pulver fullstendig med en stor mengde organiske bindemidler, myknere, dispergeringsmidler osv. for å oppnå en flytende, viskøs oppslemming, tilsette oppslemmingen i støpemaskinens beholder og bruke en skrape til å kontrollere tykkelsen. Oppslemmingen strømmer ut til transportbåndet gjennom matedysen, og etter tørking oppnås et filmemne.

Denne prosessen er egnet for fremstilling av filmmaterialer. For å oppnå bedre fleksibilitet tilsettes en stor mengde organisk materiale, og prosessparametrene må kontrolleres strengt, ellers vil det lett føre til defekter som avskalling, striper, lav filmstyrke eller vanskelig avskalling. Det organiske materialet som brukes er giftig og vil forårsake miljøforurensning, og et giftfritt eller mindre giftig system bør brukes så mye som mulig for å redusere miljøforurensning.

2.4 Gelsprøytestøping
Gelsprøytestøpingsteknologi er en ny kolloidal hurtigprototypingsprosess som først ble oppfunnet av forskere ved Oak Ridge National Laboratory tidlig på 1990-tallet. Kjernen er bruken av organiske monomerløsninger som polymeriserer til høyfaste, lateralt bundne polymer-løsningsmiddelgeler.

En oppslemming av keramisk pulver oppløst i en løsning av organiske monomerer støpes i en form, og monomerblandingen polymeriserer for å danne en gelert del. Siden den lateralt bundne polymer-løsningsmiddelet bare inneholder 10–20 % (massefraksjon) polymer, er det enkelt å fjerne løsningsmiddelet fra geldelen ved et tørketrinn. Samtidig, på grunn av den laterale forbindelsen mellom polymerene, kan ikke polymerene migrere med løsningsmiddelet under tørkeprosessen.

Denne metoden kan brukes til å produsere enfasede og komposittkeramiske deler, som kan danne komplekse, kvasi-nett-store keramiske deler, og dens grønne styrke er så høy som 20-30 MPa eller mer, som kan bearbeides på nytt. Hovedproblemet med denne metoden er at krympehastigheten til embryokroppen er relativt høy under fortettingsprosessen, noe som lett fører til deformasjon av embryokroppen; noen organiske monomerer har oksygeninhibering, noe som fører til at overflaten skreller av og faller av; på grunn av den temperaturinduserte organiske monomerpolymerisasjonsprosessen, forårsaker temperaturbarbering til indre spenninger, noe som fører til at emnene brytes og så videre.

2.5 Direktestøping med injeksjon
Direktestøping med størkning er en støpeteknologi utviklet av ETH Zürich: løsemiddelvann, keramisk pulver og organiske tilsetningsstoffer blandes fullstendig for å danne elektrostatisk stabil, lavviskøs oppslemming med høyt faststoffinnhold, som kan endres ved å tilsette oppslemmingens pH-verdi eller kjemikalier som øker elektrolyttkonsentrasjonen, deretter sprøytes oppslemmingen inn i en ikke-porøs form.

Kontroller fremdriften av kjemiske reaksjoner under prosessen. Reaksjonen før sprøytestøping utføres sakte, viskositeten til slammet holdes lav, og reaksjonen akselereres etter sprøytestøping, slammet størkner, og den flytende slammet omdannes til et fast legeme. Det oppnådde grønne legemet har gode mekaniske egenskaper, og styrken kan nå 5 kPa. Grønnlegemet tas ut av formen, tørkes og sintres for å danne en keramisk del med ønsket form.

Fordelene er at den ikke trenger eller bare trenger en liten mengde organiske tilsetningsstoffer (mindre enn 1 %), den grønne kroppen trenger ikke avfetting, den grønne kroppens tetthet er jevn, den relative tettheten er høy (55 % ~ 70 %), og den kan danne store og komplekse keramiske deler. Ulempen er at tilsetningsstoffene er dyre, og det frigjøres vanligvis gass under reaksjonen.

2.6 Sprøytestøping
Sprøytestøping har lenge vært brukt i støping av plastprodukter og metallformer. Denne prosessen bruker lavtemperaturherding av termoplastiske organiske materialer eller høytemperaturherding av termoherdende organiske materialer. Pulveret og den organiske bæreren blandes i et spesielt blandeutstyr, og sprøytes deretter inn i formen under høyt trykk (titalls til hundrevis av MPa). På grunn av det store støpetrykket har de oppnådde emnene presise dimensjoner, høy glatthet og kompakt struktur; bruk av spesielt støpeutstyr forbedrer produksjonseffektiviteten betraktelig.

På slutten av 1970-tallet og begynnelsen av 1980-tallet ble sprøytestøpeprosessen brukt til støping av keramiske deler. Denne prosessen realiserer plaststøping av golde materialer ved å tilsette en stor mengde organisk materiale, som er en vanlig keramisk plaststøpeprosess. I sprøytestøpeteknologi er det i tillegg til bruk av termoplastiske organiske stoffer (som polyetylen, polystyren), termoherdende organiske stoffer (som epoksyharpiks, fenolharpiks) eller vannløselige polymerer som hovedbindemiddel, nødvendig å tilsette visse mengder prosesshjelpemidler som myknere, smøremidler og koblingsmidler for å forbedre flyten til den keramiske injeksjonssuspensjonen og sikre kvaliteten på den sprøytestøpte kroppen.

Sprøytestøpeprosessen har fordelene med høy grad av automatisering og presis størrelse på støpeemnet. Imidlertid er det organiske innholdet i den grønne kroppen til sprøytestøpte keramiske deler så høyt som 50 vol%. Det tar lang tid, til og med flere dager til dusinvis av dager, å eliminere disse organiske stoffene i den påfølgende sintringsprosessen, og det er lett å forårsake kvalitetsfeil.

2.7 Kolloidal sprøytestøping
For å løse problemene med den store mengden organisk materiale som tilsettes og vanskeligheten med å eliminere vanskelighetene i den tradisjonelle sprøytestøpeprosessen, foreslo Tsinghua University kreativt en ny prosess for kolloidal sprøytestøping av keramikk, og utviklet uavhengig en prototype for kolloidal sprøytestøping for å realisere injeksjon av ufruktbar keramisk oppslemming.

Grunnideen er å kombinere kolloidal støping med sprøytestøping ved hjelp av proprietært injeksjonsutstyr og ny herdeteknologi levert av den kolloidale in-situ-størkningsstøpeprosessen. Denne nye prosessen bruker mindre enn 4 vekt% organisk materiale. En liten mengde organiske monomerer eller organiske forbindelser i den vannbaserte suspensjonen brukes til raskt å indusere polymerisasjonen av organiske monomerer etter injeksjon i formen for å danne et organisk nettverksskjelett, som jevnt omslutter det keramiske pulveret. Blant annet forkortes ikke bare avslimningstiden betraktelig, men også muligheten for sprekkdannelse ved avslimning reduseres betraktelig.

Det er en stor forskjell mellom sprøytestøping av keramikk og kolloidal støping. Hovedforskjellen er at førstnevnte tilhører kategorien plaststøping, og sistnevnte tilhører slurrystøping, det vil si at slurryen ikke har plastisitet og er et karrig materiale. Fordi slurryen ikke har plastisitet i kolloidal støping, kan ikke den tradisjonelle ideen om keramisk sprøytestøping tas i bruk. Hvis kolloidal støping kombineres med sprøytestøping, realiseres kolloidal sprøytestøping av keramiske materialer ved å bruke proprietært injeksjonsutstyr og ny herdeteknologi levert av kolloidal in-situ støpeprosess.

Den nye prosessen med kolloidal sprøytestøping av keramikk er forskjellig fra generell kolloidal støping og tradisjonell sprøytestøping. Fordelen med en høy grad av støpeautomatisering er en kvalitativ sublimering av den kolloidale støpeprosessen, noe som vil bli håpet for industrialiseringen av høyteknologisk keramikk.