Negen precisievormprocessen voor zirkoniumoxidekeramiek

Negen precisievormprocessen voor zirkoniumoxidekeramiek
Het vormproces speelt een verbindende rol in het gehele voorbereidingsproces van keramische materialen en is essentieel voor het waarborgen van de betrouwbaarheid van de prestaties en de herhaalbaarheid van de productie van keramische materialen en componenten.
Met de ontwikkeling van de maatschappij voldoen de traditionele methoden zoals handmatig kneden, wielvormen en voegen niet langer aan de eisen van de moderne samenleving op het gebied van productie en verfijning. Daarom is een nieuw vormproces ontstaan. ZrO2-fijnkeramiek wordt veelvuldig gebruikt in de volgende 9 vormprocessen (2 droge methoden en 7 natte methoden):

1. Droogvormen

1.1 Droogpersen

Droogpersen maakt gebruik van druk om keramisch poeder in een bepaalde vorm te persen. De essentie hiervan is dat de poederdeeltjes onder invloed van een externe kracht in de mal naar elkaar toe bewegen en door interne wrijving stevig aan elkaar worden gehecht om een ​​bepaalde vorm te behouden. Het belangrijkste defect bij drooggeperste ongebakken keramische objecten is afschilfering. Dit wordt veroorzaakt door de interne wrijving tussen de poeders en de wrijving tussen de poeders en de malwand, wat resulteert in drukverlies in het object.

De voordelen van droogpersen zijn dat de afmetingen van het ongebakken product nauwkeurig zijn, de bediening eenvoudig is en het gemakkelijk is om het machinaal te verwerken; het vocht- en bindmiddelgehalte in het ongebakken product is lager en de krimp tijdens het drogen en bakken is gering. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het vormen van producten met eenvoudige vormen en een kleine aspectverhouding. Een nadeel van droogpersen is de verhoogde productiekost als gevolg van slijtage van de matrijs.

1.2 Isostatisch persen

Isostatisch persen is een speciale vormmethode die is ontwikkeld op basis van traditioneel droog persen. Hierbij wordt vloeistofdruk gebruikt om het poeder in de elastische mal vanuit alle richtingen gelijkmatig onder druk te zetten. Door de constante interne druk van de vloeistof ondervindt het poeder overal dezelfde druk, waardoor dichtheidsverschillen in het groene lichaam worden voorkomen.

Isostatisch persen wordt onderverdeeld in natzak-isostatisch persen en droogzak-isostatisch persen. Natzak-isostatisch persen kan producten met complexe vormen produceren, maar kan alleen intermitterend werken. Droogzak-isostatisch persen kan automatisch continu werken, maar kan alleen producten met eenvoudige vormen produceren, zoals vierkante, ronde en buisvormige doorsneden. Isostatisch persen levert een uniform en dicht groenlichaam op, met weinig krimp tijdens het bakken en een uniforme krimp in alle richtingen, maar de apparatuur is complex en duur, de productie-efficiëntie is niet hoog en het is alleen geschikt voor de productie van materialen met speciale eisen.

2. Nat vormen

2.1 Voegen
Het gietproces met voegmortel is vergelijkbaar met tapegieten, met als verschil dat het gietproces een fysisch ontwateringsproces en een chemisch coagulatieproces omvat. Fysische ontwatering verwijdert het water uit de mortel door de capillaire werking van de poreuze gipsmal. De Ca2+ die ontstaat door de oplossing van het CaSO4 aan het oppervlak verhoogt de ionsterkte van de mortel, wat resulteert in de flocculatie ervan.
Door fysieke uitdroging en chemische coagulatie worden de keramische poederdeeltjes afgezet op de gipsen malwand. Voegen is geschikt voor de productie van grootschalige keramische onderdelen met complexe vormen, maar de kwaliteit van het ongebakken product, zoals vorm, dichtheid en sterkte, is slecht, de arbeidsintensiteit is hoog en het is niet geschikt voor geautomatiseerde processen.

2.2 Warm spuitgieten
Warmgieten is een proces waarbij keramisch poeder met een bindmiddel (paraffine) wordt gemengd bij een relatief hoge temperatuur (60-100 °C) om een ​​gietmassa te verkrijgen. Deze gietmassa wordt onder druk in een metalen mal geïnjecteerd, waarbij de druk constant wordt gehouden. Na afkoeling en ontvorming wordt een wasvorm verkregen. Deze wasvorm wordt onder bescherming van een inert poeder ontwasd tot een groenlichaam, dat vervolgens bij hoge temperatuur wordt gesinterd tot porselein.

Het groene object dat door warmgieten wordt gevormd, heeft nauwkeurige afmetingen, een uniforme interne structuur, minder slijtage aan de mal en een hoge productie-efficiëntie, en is geschikt voor diverse grondstoffen. De temperatuur van de wassuspensie en de mal moet strikt worden gecontroleerd, anders kan dit leiden tot onderinjectie of vervorming. Daarom is het niet geschikt voor de productie van grote onderdelen. Bovendien is het tweestaps bakproces complex en het energieverbruik hoog.

2.3 Bandgieten
Bij tapegieten wordt keramisch poeder grondig gemengd met een grote hoeveelheid organische bindmiddelen, weekmakers, dispergeermiddelen, enz. om een ​​vloeibare, viskeuze slurry te verkrijgen. Deze slurry wordt in de trechter van de gietmachine gedaan en met een schraper wordt de dikte gecontroleerd. De slurry stroomt via de toevoermond naar de transportband en na drogen wordt de filmvorm verkregen.

Dit proces is geschikt voor de bereiding van filmmaterialen. Om een ​​betere flexibiliteit te verkrijgen, wordt een grote hoeveelheid organisch materiaal toegevoegd en moeten de procesparameters strikt gecontroleerd worden, anders ontstaan ​​gemakkelijk defecten zoals afbladderen, strepen, een lage filmsterkte of moeilijk te verwijderen. Het gebruikte organische materiaal is giftig en veroorzaakt milieuvervuiling; daarom moet zoveel mogelijk een niet-giftig of minder giftig systeem gebruikt worden om milieuvervuiling te beperken.

2.4 Gel-spuitgieten
Gel-injectievormtechnologie is een nieuw, colloïdaal snelprototyperingsproces dat begin jaren negentig voor het eerst werd ontwikkeld door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory. De kern ervan is het gebruik van organische monomeeroplossingen die polymeriseren tot zeer sterke, lateraal verbonden polymeer-oplosmiddelgels.

Een mengsel van keramisch poeder opgelost in een oplossing van organische monomeren wordt in een mal gegoten, waarna het monomeermengsel polymeriseert tot een gel. Omdat het lateraal verbonden polymeer-oplosmiddelmengsel slechts 10-20% (massafractie) polymeer bevat, is het oplosmiddel gemakkelijk te verwijderen uit de gel door middel van een droogstap. Tegelijkertijd kunnen de polymeren, dankzij de laterale verbinding, niet met het oplosmiddel migreren tijdens het droogproces.

Deze methode kan worden gebruikt voor de productie van eenfasige en composiet keramische onderdelen, waarmee complexe vormen en quasi-netto afmetingen kunnen worden gecreëerd. De groene sterkte is 20-30 MPa of meer, en het materiaal is herverwerkbaar. Het belangrijkste probleem van deze methode is de relatief hoge krimp van het embryo tijdens het verdichtingsproces, wat gemakkelijk leidt tot vervorming. Bovendien remmen sommige organische monomeren de zuurstofopname, waardoor het oppervlak afbladdert. Door de temperatuurgeïnduceerde polymerisatie van organische monomeren ontstaat er interne spanning, wat kan leiden tot breuk van de werkstukken.

2.5 Directe stolling door middel van spuitgieten
Directe stollingsinjectie is een vormtechnologie ontwikkeld door ETH Zürich: oplosmiddelwater, keramisch poeder en organische additieven worden volledig gemengd tot een elektrostatisch stabiele, laagviskeuze slurry met een hoog vaststofgehalte. Deze slurry kan worden aangepast door de pH-waarde te verhogen of chemicaliën toe te voegen die de elektrolytconcentratie verhogen. Vervolgens wordt de slurry in een niet-poreuze mal geïnjecteerd.

De voortgang van de chemische reacties tijdens het proces wordt gecontroleerd. De reactie vóór het spuitgieten verloopt langzaam, de viscositeit van de slurry wordt laag gehouden, en na het spuitgieten wordt de reactie versneld, de slurry stolt en de vloeibare slurry verandert in een vast lichaam. Het verkregen groene lichaam heeft goede mechanische eigenschappen en een sterkte van 5 kPa. Het groene lichaam wordt ontvormd, gedroogd en gesinterd om een ​​keramisch onderdeel met de gewenste vorm te verkrijgen.

De voordelen zijn dat er geen of slechts een kleine hoeveelheid organische additieven nodig is (minder dan 1%), het groene lichaam niet ontvet hoeft te worden, de dichtheid van het groene lichaam uniform is, de relatieve dichtheid hoog is (55%~70%) en dat er grote en complexe keramische onderdelen mee gevormd kunnen worden. De nadelen zijn dat de additieven duur zijn en dat er tijdens de reactie doorgaans gas vrijkomt.

2.6 Spuitgieten
Spuitgieten wordt al lange tijd gebruikt voor het vormen van kunststofproducten en metalen mallen. Bij dit proces worden thermoplastische organische materialen bij lage temperatuur uitgehard of thermohardende organische materialen bij hoge temperatuur. Het poeder en de organische drager worden gemengd in een speciale mengmachine en vervolgens onder hoge druk (tientallen tot honderden MPa) in de mal geïnjecteerd. Door de hoge vormdruk hebben de verkregen werkstukken nauwkeurige afmetingen, een hoge gladheid en een compacte structuur; het gebruik van speciale spuitgietmachines verhoogt de productie-efficiëntie aanzienlijk.

Eind jaren zeventig en begin jaren tachtig werd spuitgieten toegepast voor het vormen van keramische onderdelen. Dit proces maakt het mogelijk om onoplosbare materialen te vormen door een grote hoeveelheid organisch materiaal toe te voegen, wat een veelgebruikt proces is voor het vormen van keramische kunststofen. Bij spuitgieten worden, naast thermoplastische organische materialen (zoals polyethyleen en polystyreen), thermohardende organische materialen (zoals epoxyhars en fenolhars) of wateroplosbare polymeren als bindmiddel, ook bepaalde hoeveelheden proceshulpmiddelen zoals weekmakers, smeermiddelen en hechtmiddelen toegevoegd om de vloeibaarheid van de keramische suspensie te verbeteren en de kwaliteit van het spuitgegoten product te waarborgen.

Het spuitgietproces heeft als voordelen een hoge mate van automatisering en een nauwkeurige afmeting van de matrijs. Het organische gehalte in het ongebakken keramische materiaal kan echter oplopen tot wel 50 volumeprocent. Het duurt lang, soms wel enkele dagen tot tientallen dagen, om deze organische stoffen tijdens het daaropvolgende sinterproces te verwijderen, wat gemakkelijk tot kwaliteitsgebreken kan leiden.

2.7 Colloïdaal spuitgieten
Om de problemen van de grote hoeveelheid toegevoegde organische stof en de moeilijkheden bij het traditionele spuitgietproces op te lossen, heeft de Tsinghua Universiteit een creatief nieuw proces voor colloïdaal spuitgieten van keramiek voorgesteld en zelfstandig een prototype voor colloïdaal spuitgieten ontwikkeld om het spuitgieten van een zuivere keramische suspensie mogelijk te maken.

Het basisidee is om colloïdaal gieten te combineren met spuitgieten, met behulp van gepatenteerde spuitgietapparatuur en een nieuwe uithardingstechnologie die wordt geboden door het colloïdaal in-situ stollingsproces. Dit nieuwe proces gebruikt minder dan 4 gewichtsprocent organisch materiaal. Een kleine hoeveelheid organische monomeren of organische verbindingen in de suspensie op waterbasis wordt gebruikt om de polymerisatie van organische monomeren na injectie in de mal snel te induceren, waardoor een organisch netwerkskelet wordt gevormd dat het keramische poeder gelijkmatig omhult. Hierdoor wordt niet alleen de ontgomingstijd aanzienlijk verkort, maar ook de kans op scheuren tijdens het ontgomen sterk verminderd.

Er bestaat een groot verschil tussen spuitgieten van keramiek en colloïdaal gieten. Het belangrijkste verschil is dat spuitgieten tot de categorie kunststofvormen behoort, terwijl colloïdaal gieten een vorm is waarbij de slurry geen plasticiteit bezit en een levenloos materiaal is. Omdat de slurry bij colloïdaal gieten geen plasticiteit heeft, is het traditionele idee van spuitgieten van keramiek niet toepasbaar. Door colloïdaal gieten te combineren met spuitgieten, kan colloïdaal spuitgieten van keramische materialen worden gerealiseerd met behulp van gepatenteerde spuitgietapparatuur en een nieuwe uithardingstechnologie die het colloïdaal in-situ gietproces biedt.

Het nieuwe proces van colloïdaal spuitgieten van keramiek verschilt van algemeen colloïdaal spuitgieten en traditioneel spuitgieten. Het voordeel van een hoge mate van automatisering van het spuitgietproces is een kwalitatieve verbetering van het proces, wat hoop biedt voor de industrialisatie van hoogwaardige keramiek.