Kilenc precíziós cirkónium kerámia öntési eljárás

Kilenc precíziós cirkónium kerámia öntési eljárás
A fröccsöntési folyamat összekötő szerepet játszik a kerámia anyagok teljes előkészítési folyamatában, és kulcsfontosságú a kerámia anyagok és alkatrészek teljesítményének megbízhatóságának és gyártási megismételhetőségének biztosításához.
A társadalom fejlődésével a hagyományos kézi gyúrási, korongozási és fugázási módszerek, amelyeket a hagyományos kerámiákban alkalmaztak, már nem tudják kielégíteni a modern társadalom termelési és finomítási igényeit, ezért egy új formázási eljárás született. A ZrO2 finomkerámia anyagokat széles körben használják a következő 9 formázási eljárásban (2 száraz és 7 nedves módszer):

1. Száraz formázás

1.1 Száraz préselés

A száraz préselés nyomással préseli a kerámia port a test egy bizonyos alakjára. Lényege, hogy külső erő hatására a porrészecskék közelednek egymáshoz a formában, és belső súrlódás révén szilárdan egyesülnek, hogy megtartsák egy bizonyos alakot. A szárazon préselt friss testek fő hibája a lepattogzás, amely a porok közötti belső súrlódás, valamint a porok és a forma fala közötti súrlódás miatt következik be, ami nyomásveszteséget eredményez a test belsejében.

A száraz préselés előnyei a pontos zöldtest mérete, az egyszerű működés és a gépesített működés megvalósításának kényelme; a zöld száraz préselés nedvesség- és kötőanyagtartalma kisebb, a szárítási és égetési zsugorodás kicsi. Főként egyszerű alakú termékek előállítására használják, és a képarány kicsi. A száraz préselés hátránya a formakopás okozta megnövekedett termelési költség.

1.2 Izosztatikus préselés

Az izosztatikus préselés a hagyományos szárazpréselés alapján kifejlesztett speciális alakítási módszer. Folyadékátviteli nyomást használ, hogy a rugalmas formában lévő porra minden irányból egyenletes nyomást fejtsen ki. A folyadék belső nyomásának állandósága miatt a por minden irányban azonos nyomást visel, így elkerülhető a zöld test sűrűségbeli különbsége.

Az izosztatikus préselést nedveszsákos izosztatikus préselésre és szárazzsákos izosztatikus préselésre osztják. A nedveszsákos izosztatikus préselés összetett alakú termékeket is képes előállítani, de csak szakaszosan működik. A szárazzsákos izosztatikus préselés automatikus folyamatos működést is megvalósíthat, de csak egyszerű alakú, például négyzet, kerek és cső keresztmetszetű termékeket tud előállítani. Az izosztatikus préseléssel egyenletes és tömör zöld testet lehet előállítani, kis égetési zsugorodással és minden irányban egyenletes zsugorodással, de a berendezés bonyolult és drága, a termelési hatékonyság nem magas, és csak speciális igényű anyagok gyártására alkalmas.

2. Nedves formázás

2.1 Fugázás
A fugázó öntési folyamat hasonló a szalagos öntéshez, a különbség az, hogy az öntési folyamat fizikai dehidratálási és kémiai koagulációs folyamatot foglal magában. A fizikai dehidratálás a porózus gipszforma kapilláris hatásán keresztül távolítja el a vizet a zagyból. A felületi CaSO4 oldódásából keletkező Ca2+ növeli a zagy ionerősségét, ami a zagy flokkulációját eredményezi.
Fizikai dehidratáció és kémiai koaguláció hatására a kerámia porrészecskék a gipszöntő forma falára rakódnak le. A fugázás alkalmas nagyméretű, összetett formájú kerámia alkatrészek előállítására, de a zöld test minősége, beleértve az alakot, a sűrűséget, a szilárdságot stb., gyenge, a munkavállalók munkaigénye magas, és nem alkalmas automatizált műveletekre.

2.2 Forró öntés
A forró öntés során kerámiaport kötőanyaggal (paraffinnal) kevernek viszonylag magas hőmérsékleten (60–100 °C), így iszapot kapnak forró öntéshez. A iszapot sűrített levegő hatására a fémformába fecskendezik, és a nyomást fenntartják. Lehűtik, majd a formából kiemelik, hogy viaszos nyersanyagot kapjanak. A viaszos nyersanyagot inert porral védve viaszmentesítik, így nyers testet kapnak, majd a nyers testet magas hőmérsékleten szinterelik, hogy porcelánná váljon.

A forró öntéssel előállított zöld test pontos méretekkel, egyenletes belső szerkezettel, kisebb formakopással és magas termelési hatékonysággal rendelkezik, és különféle nyersanyagokhoz alkalmas. A viaszszuszpenzió és a forma hőmérsékletét szigorúan ellenőrizni kell, különben alulfecskendezés vagy deformáció lép fel, ezért nem alkalmas nagyméretű alkatrészek gyártására, a kétlépcsős égetési folyamat bonyolult és az energiafogyasztás magas.

2.3 Szalagöntés
A szalagöntés során a kerámiaport nagy mennyiségű szerves kötőanyaggal, lágyítóval, diszpergálószerrel stb. alaposan összekeverik, hogy folyékony, viszkózus szuszpenziót kapjanak, majd ezt az iszapot az öntőgép tartályába adagolják, és egy kaparóval szabályozzák a vastagságát. Az adagolófúvókán keresztül a szállítószalagra folyik, és szárítás után filmlemezt kapnak.

Ez az eljárás alkalmas filmanyagok előállítására. A jobb rugalmasság elérése érdekében nagy mennyiségű szerves anyagot adnak hozzá, és a folyamatparamétereket szigorúan ellenőrizni kell, különben könnyen hibákat okozhat, például hámlást, csíkosodást, alacsony filmszilárdságot vagy nehéz hámlást. A felhasznált szerves anyag mérgező és környezetszennyezést okoz, ezért a környezetszennyezés csökkentése érdekében a lehető legnagyobb mértékben nem mérgező vagy kevésbé mérgező rendszert kell használni.

2.4 Gél fröccsöntés
A gélfröccsöntési technológia egy új kolloidális gyors prototípus-előállítási eljárás, amelyet az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium kutatói találtak fel az 1990-es évek elején. Lényege a szerves monomer oldatok használata, amelyek nagy szilárdságú, oldalirányban összekapcsolt polimer-oldószer gélekké polimerizálódnak.

Egy szerves monomerek oldatában feloldott kerámiapor szuszpenzióját öntőformába öntik, és a monomer keverék polimerizálódik, gélesített alkatrészt képezve. Mivel az oldalirányban kapcsolt polimer-oldószer csak 10–20% (tömegszázalék) polimert tartalmaz, az oldószer könnyen eltávolítható a géles alkatrészből egy szárítási lépéssel. Ugyanakkor a polimerek oldalirányú kapcsolódása miatt a polimerek nem tudnak az oldószerrel együtt vándorolni a szárítási folyamat során.

Ez a módszer alkalmazható egyfázisú és kompozit kerámia alkatrészek gyártására, amelyekből komplex alakú, kvázi-háló méretű kerámia alkatrészek hozhatók létre, nyersszilárdsága pedig elérheti a 20-30 MPa-t vagy többet, így újra feldolgozható. A módszer fő problémája, hogy az embriótest zsugorodási sebessége viszonylag magas a tömörítési folyamat során, ami könnyen az embriótest deformációjához vezet; egyes szerves monomerek oxigéngátlással rendelkeznek, ami a felület lepattogzását és leválását okozza; a hőmérséklet által kiváltott szerves monomer polimerizációs folyamat miatt a hőmérsékleti forgácsolódás belső feszültséget okoz, ami a nyersdarabok törését és így tovább okozza.

2.5 Közvetlen dermedés fröccsöntés
A közvetlen dermedéses fröccsöntés az ETH Zürich által kifejlesztett fröccsöntési technológia: az oldószeres vizet, a kerámiaport és a szerves adalékanyagokat teljesen összekeverik, így elektrosztatikusan stabil, alacsony viszkozitású, magas szilárdanyag-tartalmú iszapot hoznak létre, amely az iszap pH-értékét vagy az elektrolitkoncentrációt növelő vegyszerek hozzáadásával lehet megváltoztatni, majd az iszapot egy nem porózus formába fecskendezik.

A folyamat során szabályozza a kémiai reakciók előrehaladását. A fröccsöntés előtti reakció lassan megy végbe, az iszap viszkozitását alacsonyan tartja, majd a fröccsöntés utáni reakció felgyorsul, az iszap megszilárdul, és a folyékony iszap szilárd testté alakul. A kapott zöld test jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, és a szilárdsága elérheti az 5 kPa-t. A zöld testet a formából kiveszik, szárítják és szinterelik, hogy a kívánt alakú kerámia alkatrészt kapják.

Előnyei, hogy nem vagy csak kis mennyiségű szerves adalékanyagra van szükség (kevesebb, mint 1%), a zöld testet nem kell zsírtalanítani, a zöld test sűrűsége egyenletes, a relatív sűrűsége magas (55%~70%), és nagyméretű és összetett alakú kerámia alkatrészeket lehet vele előállítani. Hátránya, hogy az adalékanyagok drágák, és a reakció során általában gáz szabadul fel.

2.6 Fröccsöntés
A fröccsöntést régóta alkalmazzák műanyag termékek és fémformák öntésében. Ez az eljárás a hőre lágyuló szerves anyagok alacsony hőmérsékletű kikeményedését, vagy a hőre keményedő szerves anyagok magas hőmérsékletű kikeményedését alkalmazza. A port és a szerves hordozóanyagot egy speciális keverőberendezésben összekeverik, majd nagy nyomás (több tíztől több száz MPa) alatt a formába fecskendezik. A nagy öntési nyomásnak köszönhetően a kapott nyersdarabok pontos méretekkel, nagy simasággal és kompakt szerkezettel rendelkeznek; a speciális öntési berendezések használata jelentősen javítja a termelési hatékonyságot.

Az 1970-es évek végén és az 1980-as évek elején a fröccsöntési eljárást kerámia alkatrészek öntésére alkalmazták. Ez az eljárás nagy mennyiségű szerves anyag hozzáadásával valósítja meg a termikus anyagok műanyag öntését, ami egy gyakori kerámia műanyag öntési eljárás. A fröccsöntési technológiában a hőre lágyuló szerves anyagok (például polietilén, polisztirol), hőre keményedő szerves anyagok (például epoxigyanta, fenolgyanta) vagy vízben oldódó polimerek fő kötőanyagként való használata mellett bizonyos mennyiségű technológiai segédanyagot, például lágyítókat, kenőanyagokat és kapcsolószereket is hozzá kell adni a kerámia fröccsöntési szuszpenzió folyékonyságának javítása és a fröccsöntött test minőségének biztosítása érdekében.

A fröccsöntési eljárás előnyei közé tartozik a magas fokú automatizálás és a fröccsöntési darab pontos mérete. A fröccsöntött kerámia alkatrészek nyers testének szervesanyag-tartalma azonban akár az 50 térfogatszázalékot is elérheti. A szerves anyagok eltávolítása a későbbi szinterelési folyamat során hosszú időt, akár több napot vagy akár több tucat napot is igénybe vehet, és könnyen okozhat minőségi hibákat.

2.7 Kolloidális fröccsöntés
A nagy mennyiségű szerves anyag hozzáadásának problémáinak és a hagyományos fröccsöntési eljárás nehézségeinek kiküszöbölése nehézségeinek megoldása érdekében a Tsinghua Egyetem kreatívan javasolt egy új eljárást a kerámiák kolloid fröccsöntésére, és önállóan kifejlesztett egy kolloid fröccsöntési prototípust a kopár kerámiaszuszpenzió befecskendezésének megvalósítására.

Az alapötlet a kolloid öntés és a fröccsöntés kombinációja, saját fejlesztésű befecskendező berendezések és az in situ kolloidális szilárdító öntési eljárás által biztosított új kikeményítési technológia alkalmazásával. Ez az új eljárás kevesebb, mint 4 tömegszázalék szerves anyagot használ. A vízbázisú szuszpenzióban lévő kis mennyiségű szerves monomert vagy szerves vegyületet arra használják, hogy a formába történő befecskendezés után gyorsan megindítsák a szerves monomerek polimerizációját, így egy szerves hálózatvázat képezve, amely egyenletesen beburkolja a kerámiaport. Ennek eredményeként nemcsak a gyantázási idő lerövidül jelentősen, hanem a gyantázás repedésének lehetősége is jelentősen csökken.

Óriási különbség van a kerámia fröccsöntése és a kolloid öntés között. A fő különbség az, hogy az előbbi a műanyag öntés kategóriájába tartozik, az utóbbi pedig a szuszpenziós öntésbe, azaz a szuszpenziónak nincs képlékenysége, és kopár anyag. Mivel a kolloid öntésben a szuszpenziónak nincs képlékenysége, a kerámia fröccsöntés hagyományos elképzelése nem alkalmazható. Ha a kolloid öntést fröccsöntéssel kombinálják, a kerámia anyagok kolloid fröccsöntését saját fejlesztésű fröccsöntő berendezésekkel és új, kolloid in situ öntési eljárás által biztosított kikeményedési technológiával valósítják meg.

A kerámiák kolloid fröccsöntésének új eljárása eltér az általános kolloid öntéstől és a hagyományos fröccsöntéstől. A magas fokú öntési automatizálás előnye a kolloid öntési folyamat minőségi szublimációja, ami a high-tech kerámiák iparosításának reménye lesz.