Negen precisie-gietprocessen van zirkoniumkeramiek
Het gietproces vervult een verbindende rol in het gehele bereidingsproces van keramische materialen en is de sleutel tot het garanderen van de prestatiebetrouwbaarheid en de herhaalbaarheid van de productie van keramische materialen en componenten.
Met de ontwikkeling van de maatschappij konden de traditionele handkneedmethoden, de wielvormmethode, de voegmethode, enz. van traditioneel keramiek niet langer voldoen aan de behoeften van de moderne maatschappij op het gebied van productie en verfijning, waardoor een nieuw gietproces werd geboren. ZrO2-fijnkeramische materialen worden veel gebruikt in de volgende 9 soorten gietprocessen (2 soorten droge methoden en 7 soorten natte methoden):
1. Droogvormen
1.1 Droogpersen
Droogpersen maakt gebruik van druk om keramisch poeder in een bepaalde vorm van het lichaam te persen. De essentie hiervan is dat de poederdeeltjes elkaar in de mal naderen onder invloed van externe kracht en door interne wrijving stevig met elkaar verbonden worden om een bepaalde vorm te behouden. Het grootste defect bij drooggeperste groene lichamen is spallatie, wat te wijten is aan de interne wrijving tussen de poeders en de wrijving tussen de poeders en de malwand, wat resulteert in drukverlies in het lichaam.
De voordelen van droogpersen zijn dat de grootte van het groene lichaam nauwkeurig is, de bediening eenvoudig is en dat machinale bewerking gemakkelijk te realiseren is; het vocht- en bindmiddelgehalte bij droogpersen is lager en de krimp tijdens het drogen en bakken is gering. Het wordt voornamelijk gebruikt om producten met eenvoudige vormen te vormen en de aspectverhouding is klein. De hogere productiekosten door slijtage van de matrijs vormen een nadeel van droogpersen.
1.2 Isostatisch persen
Isostatisch persen is een speciale vormmethode die is ontwikkeld op basis van traditioneel droogpersen. Het maakt gebruik van vloeistofoverdrachtsdruk om de druk gelijkmatig vanuit alle richtingen op het poeder in de elastische mal uit te oefenen. Door de constante interne druk van de vloeistof ondervindt het poeder in alle richtingen dezelfde druk, waardoor het verschil in dichtheid van het groene lichaam kan worden vermeden.
Isostatisch persen wordt onderverdeeld in isostatisch persen met natte zakken en isostatisch persen met droge zakken. Isostatisch persen met natte zakken kan producten met complexe vormen vormen, maar kan slechts intermitterend werken. Isostatisch persen met droge zakken kan automatisch continu werken, maar kan alleen producten met eenvoudige vormen vormen, zoals vierkante, ronde en buisvormige doorsneden. Isostatisch persen kan een uniforme en dichte groene massa verkrijgen, met een geringe krimp bij het bakken en een uniforme krimp in alle richtingen. De apparatuur is echter 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 Injecteren
Het gietproces is vergelijkbaar met het gieten met tape. Het verschil is dat het gietproces een fysisch dehydratieproces en een chemisch coagulatieproces omvat. Fysische dehydratie verwijdert het water uit de slurry door de capillaire werking van de poreuze gipsmal. De Ca2+ die ontstaat door de oplossing van CaSO4 aan het oppervlak verhoogt de ionsterkte van de slurry, wat resulteert in flocculatie van de slurry.
Onder invloed van fysieke dehydratie en chemische coagulatie worden de keramische poederdeeltjes afgezet op de gipswand van de mal. Grouting is geschikt voor de vervaardiging van grootschalige keramische onderdelen met complexe vormen, maar de kwaliteit van het groene materiaal, inclusief vorm, dichtheid, sterkte, enz., is slecht, de arbeidsintensiteit van de werknemers is hoog en het is niet geschikt voor geautomatiseerde processen.
2.2 Warm spuitgieten
Warm spuitgieten is het mengen van keramisch poeder met bindmiddel (paraffine) bij een relatief hoge temperatuur (60-100 °C) om een slurry te verkrijgen voor warm spuitgieten. De slurry wordt onder invloed van perslucht in de metalen mal gespoten en de druk wordt gehandhaafd. Na afkoeling wordt het ontvormd tot een wasplaat, die vervolgens onder bescherming van een inert poeder wordt ontwaxt tot een groen lichaam. Dit groene lichaam wordt vervolgens bij hoge temperatuur gesinterd tot porselein.
De groene body, gevormd door middel van warm spuitgieten, 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 wasbrij en de mal moet strikt worden gecontroleerd, anders kan er sprake zijn van onderinjectie of vervorming. Daarom is de body niet geschikt voor de productie van grote onderdelen. Bovendien is het tweestaps bakproces complex en het energieverbruik hoog.
2.3 Tape casting
Tapegieten is het volledig mengen van keramisch poeder 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 gegoten en met een schraper wordt de dikte geregeld. De slurry stroomt via de toevoeropening naar de transportband en na droging wordt de filmplaat verkregen.
Dit proces is geschikt voor de productie van filmmaterialen. Om een betere flexibiliteit te verkrijgen, wordt een grote hoeveelheid organisch materiaal toegevoegd en moeten de procesparameters strikt worden gecontroleerd, anders kunnen er gemakkelijk defecten ontstaan zoals afbladderen, strepen, een lage filmsterkte of moeilijk afbladderen. Het gebruikte organische materiaal is giftig en veroorzaakt milieuvervuiling. Om milieuvervuiling te beperken, moet zoveel mogelijk een niet-toxisch of minder giftig systeem worden gebruikt.
2.4 Gel-injectiegieten
Gel-injectietechnologie is een nieuw colloïdaal rapid prototypingproces dat begin jaren negentig voor het eerst werd uitgevonden 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 slurry van keramisch poeder, opgelost in een oplossing van organische monomeren, wordt in een mal gegoten en het monomeermengsel polymeriseert tot een gelvormig onderdeel. Omdat het lateraal verbonden polymeer-oplosmiddel slechts 10%–20% (massafractie) polymeer bevat, is het oplosmiddel eenvoudig uit het gelvormige onderdeel te verwijderen door middel van een droogstap. Tegelijkertijd kunnen de polymeren, dankzij de laterale verbinding van de polymeren, niet met het oplosmiddel migreren tijdens het droogproces.
Deze methode kan worden gebruikt voor de productie van eenfase- en composietkeramische onderdelen, die complexe keramische onderdelen van quasi-netformaat kunnen vormen. De groene sterkte bedraagt wel 20-30 MPa of meer, en kan worden hergebruikt. Het grootste probleem met deze methode is dat de krimp van het embryonale lichaam relatief hoog is tijdens het verdichtingsproces, wat gemakkelijk leidt tot vervorming van het embryonale lichaam. Sommige organische monomeren hebben zuurstofremming, waardoor het oppervlak loslaat en afbladdert. Door het temperatuurgeïnduceerde polymerisatieproces van organische monomeren leidt temperatuurschuring tot interne spanning, waardoor de platen breken, enzovoort.
2.5 Direct stollingsspuitgieten
Direct stollingsspuitgieten is een spuitgiettechnologie die is ontwikkeld door ETH Zürich: oplosmiddel, water, keramisch poeder en organische additieven worden volledig gemengd tot een elektrostatisch stabiele, laagviskeuze slurry met een hoog vastestofgehalte. Deze slurry kan worden aangepast door het toevoegen van pH-waarde van de slurry of chemicaliën die de elektrolytconcentratie verhogen. Vervolgens wordt de slurry in een niet-poreuze mal gespoten.
Controleer de voortgang van chemische reacties tijdens het proces. De reactie vóór het spuitgieten verloopt langzaam, de viscositeit van de slurry wordt laag gehouden en de reactie wordt versneld na het spuitgieten. De slurry stolt en de vloeibare slurry wordt omgezet in een vast lichaam. Het verkregen groene lichaam heeft goede mechanische eigenschappen en de sterkte kan 5 kPa bereiken. Het groene lichaam wordt ontvormd, gedroogd en gesinterd tot een keramisch onderdeel met de gewenste vorm.
Voordelen zijn dat er geen of slechts een kleine hoeveelheid organische additieven (minder dan 1%) nodig is, dat de groene massa niet ontvet hoeft te worden, dat de dichtheid van de groene massa uniform is, dat de relatieve dichtheid hoog is (55% tot 70%) en dat er grote en complexe keramische onderdelen mee gevormd kunnen worden. Nadeel is dat de additieven duur zijn en dat er tijdens de reactie doorgaans gas vrijkomt.
2.6 Spuitgieten
Spuitgieten wordt al lang gebruikt voor het vormen van kunststofproducten en metalen mallen. Dit proces maakt gebruik van uitharding bij lage temperatuur van thermoplastische organische materialen of uitharding bij hoge temperatuur van thermohardende organische materialen. Het poeder en de organische drager worden gemengd in een speciale mengapparatuur en vervolgens onder hoge druk (tientallen tot honderden MPa) in de matrijs gespoten. Dankzij de hoge persdruk hebben de verkregen blanks nauwkeurige afmetingen, een hoge gladheid en een compacte structuur; het gebruik van speciale spuitgietapparatuur verbetert de productie-efficiëntie aanzienlijk.
Eind jaren zeventig en begin jaren tachtig werd het spuitgietproces toegepast op het vormen van keramische onderdelen. Dit proces maakt het mogelijk om ruwe materialen te vormen door een grote hoeveelheid organisch materiaal toe te voegen, wat een veelgebruikt proces is voor het vormen van keramische onderdelen. In de spuitgiettechnologie is het, naast het gebruik van thermoplastische organische materialen (zoals polyethyleen en polystyreen), thermohardende organische materialen (zoals epoxyhars en fenolhars) of in water oplosbare polymeren als hoofdbindmiddel, noodzakelijk om bepaalde hoeveelheden proceshulpmiddelen zoals weekmakers, smeermiddelen en koppelingsmiddelen toe te voegen om de vloeibaarheid van de keramische injectiesuspensie te verbeteren en de kwaliteit van het spuitgegoten object te waarborgen.
Het spuitgietproces heeft de voordelen van een hoge mate van automatisering en een nauwkeurige maatvoering van het gietstuk. Het organische gehalte in de groene massa van spuitgegoten keramische onderdelen kan echter oplopen tot wel 50 vol.%. Het duurt lang, zelfs enkele dagen tot tientallen dagen, om deze organische stoffen te verwijderen in het daaropvolgende sinterproces, en er kunnen gemakkelijk kwaliteitsdefecten ontstaan.
2.7 Colloïdaal spuitgieten
Om de problemen op te lossen die gepaard gaan met de grote hoeveelheid toegevoegde organische stoffen en de moeilijkheid om de moeilijkheden in het traditionele spuitgietproces te elimineren, stelde de Tsinghua Universiteit op creatieve wijze een nieuw proces voor voor het colloïdaal spuitgieten van keramiek. Daarnaast ontwikkelde de universiteit onafhankelijk een prototype voor het colloïdaal spuitgieten om de injectie van een kale keramische slurry te realiseren.
Het basisidee is om colloïdaal vormen te combineren met spuitgieten, met behulp van gepatenteerde injectieapparatuur en nieuwe uithardingstechnologie, mogelijk gemaakt 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 waterige suspensie wordt gebruikt om de polymerisatie van organische monomeren na injectie in de matrijs snel te induceren, waardoor een organisch netwerkskelet ontstaat dat het keramische poeder gelijkmatig omhult. Hierdoor wordt niet alleen de ontgommingstijd aanzienlijk verkort, maar ook de kans op scheurvorming door ontgomming aanzienlijk verminderd.
Er is een enorm verschil tussen spuitgieten van keramiek en colloïdaal gieten. Het belangrijkste verschil is dat het eerste tot de categorie kunststofgieten behoort en het tweede tot slurrygieten. Dat wil zeggen dat de slurry geen plasticiteit heeft en een onvruchtbaar materiaal is. Omdat de slurry bij colloïdaal gieten geen plasticiteit heeft, kan het traditionele idee van keramisch spuitgieten niet worden overgenomen. Wanneer colloïdaal gieten wordt gecombineerd met spuitgieten, wordt colloïdaal spuitgieten van keramische materialen gerealiseerd met behulp van gepatenteerde injectieapparatuur en nieuwe uithardingstechnologie die wordt geboden door het colloïdaal in-situ gietproces.
Het nieuwe proces van colloïdaal spuitgieten van keramiek verschilt van algemeen colloïdaal spuitgieten en traditioneel spuitgieten. Het voordeel van een hoge mate van automatisering is een kwalitatieve sublimatie van het colloïdaal spuitgietproces, wat de hoop op industrialisatie van hightechkeramiek zal vergroten.
Plaatsingstijd: 18-01-2022